机制砂混凝土配合比优化设计
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机制砂混凝土配合比优化设计
发表时间:2019-04-16T10:16:17.357Z 来源:《建筑学研究前沿》2018年第35期作者:朱延斌
[导读] 当机制砂代替天然砂成为常用细骨料材料后,混凝土出现了有许多天然砂混凝土不曾有过的性能特性
陕西建工集团混凝土有限公司 710077
摘要:当机制砂代替天然砂成为常用细骨料材料后,混凝土出现了有许多天然砂混凝土不曾有过的性能特性,按照天然砂的使用方法应用机制砂,会使混凝土出现诸多不良现象,从而使得混凝土在生产施工过程中饱受批评,由此引发的各种工程事故,也让大多数混凝土供应商对机制砂产生了抵触心理,机制砂的推广仍然受到严重阻碍。究其根源,还是机制砂混凝土性能受影响的问题没有得到解决。因此,如何设计出合理的配合比,从而获得性能理想的机制砂混凝土,是解决问题的关键。
关键词:机制砂;混凝土配合比;混凝土性能;设计
1机制砂对混凝土性能影响
机制砂主要来源于碎石生产,是石块经数次破碎、分筛、冲洗,分离出各粒径的成品碎石后的下脚料。机制砂由机械加工而来,相比而言,天然河砂由于常年的摩擦腐蚀使得它的表面十分光滑棱角少,而机制砂则由于机械外力作用使得它的表面粗糙棱角较多,其粗糙的表面有利于机制砂相互之间的咬合,但是由于机制砂棱角较多也会大大的增加机制砂之间空隙,降低了机制砂的密实程度,这些性能会直接影响到机制砂混凝土的和易性和强度。
机制砂在生产过程中会产生一定量的石粉,这便是机制砂与天然砂的不同点之一,石粉含量的高低,可以影响机制砂的物理性能,例如机制砂的细度模数、堆积密度、比表面积。适量的石粉对机制砂混凝土是有益的,可以改善混凝土的和易性,通过提高混凝土密实度从而提高混凝土强度及耐久性。但石粉含量并不是越高越好,石粉过量会使得混凝土需水量增加,整体工作性能变差,进而会使得机制砂混凝土整体强度的降低,耐久性能变差。
根据调查,在商品混凝土搅拌站的实际生产中,纯机制砂混凝土往往因为性能不理想而很少使用。又因为机制砂生产厂家生产工艺、设备、技术水平等的参差不齐,使得机制砂在材料进场检测中,常出现石粉含量、细度模数等指标的较大波动,在这些情况下,如果仅仅把机制砂作为全部的细骨料去使用,很容易导致混凝土状态偏差严重,影响混凝土质量。
因此,在机制砂实际应用中,基本都以机制砂搭配天然细砂,形成混合细骨料后再进行生产。这种混合细骨料的生产模式,能得到级配合理的砂材,操作也比较灵活简单,对混凝土质量的稳定性也容易控制,从而保证机制砂混凝土的有序生产。
2机制砂混凝土配合比优化理论研究
由JGJ55普通混凝土配合比设计规程中可以看出,普通混凝土设计中,最主要的三个参数为:水胶比,用水量,砂率。这三个参数与混凝土的性能密切相关。例如:水胶比与混凝土强度、耐久性有关,用水量与混凝土的流动性相关,砂率则与混凝土粘聚性保水性密切相关。
机制砂作为一种比较特殊的砂材,具备类似胶材颗粒级别的石粉,又同时具有远高于普通天然砂的细度模数,正是因为这种两头粒径极端的现象,使得机制砂的性能能同时影响到配合比中水胶比、用水量、砂率这三个主要参数的设定,同时,由于机制砂及机制砂混凝土的特殊性,仅仅通过三个普通配合比中的参数来控制,明显有些不够,还应该设立更多的参数来合理优化机制砂混凝土配合比。因此,机制砂混凝土配合比优化理论的研究中,主要从以下几点探索:
(1)由于石粉的存在,使得混凝土中粉状级别的材料总量,从常规的水泥+矿粉+粉煤灰,演变成了水泥+矿粉+粉煤灰+石粉,在这种情况下,由于粉料群的比表面积的扩大,使得粉料相应的需水量大大提高,进而影响混凝土整体用水量,影响水灰比。(2)由于机制砂的强度效果高于天然砂,同等水灰比下,机制砂混凝土强度具有明显富余,因此,在不影响设计强度的情况下,适当提高水灰比,可以通过提高用水量,来达到目的。(3)由于机制砂细度模数较高,且粒径较大的部分占比多,作为细集料的级配上,缺陷比较明显,但是,机制砂的大粒径颗粒,可以近似看作,给碎石骨料增加了一级较小碎石的级配,使得碎石的级配层次更加完美。因此,砂率的优化调整也是整个混凝土和易性好的关键。(4)外加剂作为混凝土中的重要组成部分,对混凝土的和易性、强度等方面有直接的影响,因为,机制砂混凝土的外加剂性能参数,也是优化配合比的一个重要方面。
通过上述研究,可以看出,机制砂混凝土配合比的优化,需要在普通配合比设计的基础上,提出以下4个参数:胶凝材料用量、用水量、砂率、机制砂专用外加剂性能。通过对这4个参数的优化,综合搭配,才能完成对机制砂混凝土配合比的合理优化。 3机制砂混凝土配合比优化设计方法验证
根据上节优化理论的研究,对中低强度(C30~C40)机制砂混凝土进行配合比优化,设计出实用配合比后进行试验验证。
3.1试验材料
水泥:陕西声威P·O42.5普通硅酸盐水泥;粉煤灰:陕西正元F类Ⅰ级超细粉煤灰;机制砂:瑞得堡尔,细度模数3.1,石粉含量10%;天然中砂:黑河河砂,细度模数2.6,含泥量3-5%;天然细砂:渭河河砂,细度模数2.0,含泥量5-8%;碎石:户县5-25碎石;外加剂:DZ-BS型高效聚羧酸泵送剂,陕西友绑新材料科技有限公司生产。
3.2 C30~C40机制砂混凝土配合比
试验中混合细骨料中机制砂掺量设定为20%-40%,混凝土设计坍落值为(180±20)mm。设计后配合比如表1。
通过表2可以看出,按照优化后的配合比进行试验,各组混凝土和易性良好,试验中目测基本没有泌水、离析、骨料分离等不良现象出现,混凝土坍落度和1小时损失均达到理想设计,流动性能良好,适宜泵送,混凝土工作性能验证合格。各标号的混凝土抗压强度均满足设计要求,强度验证合格。但我们也发现一些问题需要解决:
(1)当机制砂掺量加大时,在没有调整外加剂掺量时,混凝土虽然可以达到施工要求,但1小时混凝土还是有损失。需要通过增加外加剂掺量解决施工问题。
(2)当机制砂掺量加大时,必须按照天然砂试验指标调整掺量,防止出现机制砂掺量过大,出现泌水现象。本试验使用天然砂细度模数为2.6,掺量大于300Kg后,经常出现泌水。
(3)在天然砂细度模数为2.0时,机制砂掺量可以到达40%-60%,没有出现泌水,但是必须调整外加剂掺量或者配方,专门使用。 4机制砂的经济效益分析
(1)机制砂的使用,可以降低中砂的使用量。对于细度模数2.6的黑河中砂可以缓解现有采购困难的问题,对于细度模数2.0的中砂可以降低砂子中整体含泥量,防止混凝土裂缝的产生。
(2)机制砂的使用,可以提高生产效率。由于机制砂是人工机械破碎形成,基本没有含泥量和大块石头,不会出现堵仓现场。
(3)机制砂的使用,最高代替天然砂300Kg,直接降低混凝土单方成本2-5元,以年产50万方的搅拌站,可以最大节约成本约150万元。
5小结
通过对机制砂性能研究,结合普通混凝土设计规程,提出机制砂混凝土配合比优化理论中的4项参数:胶凝材料用量、用水量、砂率、机制砂专用外加剂,重点研究了各参数的优化方式,得出了详细调整的数据,设计出了C30~C40标号的机制砂混凝土,经过试验验
证,证明了机制砂混凝土配合比优化设计理论的可行性。