人工砂对自密实混凝土的影响

人工砂对自密实混凝土性能的影响刘荣业（广州市广泓混凝土有限公司）摘要：本文目的是研究人工砂用于自密实混凝土中的可能性。研究了不同水灰比，不同浆体体积对使用人工砂的自密实混凝土新拌和硬化性能的影响，通过优化浆体材料和骨料的比例，测试了坍落扩展度，T500、抗压强度等性能。从结果中得到，相对高一些的浆体体积是使用人工砂自密实混凝土达到一定坍落扩展度的必要条件，使用本试验中的骨料最优配比可以得到较低或中等强度的自密实混凝土。关键词：自密实混凝土；人工砂；坍落扩展度。1引言自密实混凝土是一种高流动性不离析的混凝土，与普通混凝土相比，有以下性能特点：①在新拌阶段，不需人工额外振捣密实，依靠自重充模、密实。②早龄期阶段，避免了原始缺陷的产生。③硬化后，具有足够的抗外部环境侵蚀的能力。在自密实混凝土中，60%-70%的体积是由骨料组成的。选择合适的骨料对于自密实混凝土的新拌和硬化性能有着重要的影响。骨料的性质如形状，质地和级配影响新拌混凝土的工作性、可泵性、泌水性能、离析性能；影响硬化混凝土的强度、收缩、徐变、密度、渗透性能和耐久性能。而细骨料的形状和质地比粗骨料的影响作用更大。河砂作为细骨料用在混凝土中已经几个世纪了，然而，对河砂的需求和损耗日益增长，伴随着的更加严格的限制河砂开采的政策的实施，促使人们开始寻找河砂的替代品。人工砂、工业废渣、再生骨料等都被用来作为河砂的替代品。在这些替代品中，人工砂作为河砂的替代品得到越来越多的关注。人工砂是通过破碎石料而得到有较好级配的细骨料。人工砂与自然风化的砂粒相比，一般多棱角，并且有粗糙的表面。但是，通过合适的破碎技术，可以在可控条件下生产出具有立方体颗粒形状的级配一定的人工砂。人工砂含有较高的的细粉含量。通常，这些细粉都是岩石中的石粉组成的而不像天然砂中的淤泥或者粘土。在我国国标中，石粉含量（小于等于0.075μm的细颗粒含量）的最大值是不得多于10%，由于高含量的石粉的存在，人工砂对砂浆的需水量和工作性影响很大。在相同条件下，配制相同坍落度的混凝土，机制砂比天然河砂需水量增加5-10Kg/m3。人工砂中的高含量的石粉由于颗粒间摩擦力的增大而增大了浆体的屈服应力和塑性粘度。细骨料对砂浆性能的影响在很大程度上依赖于浆体的体积。而增大浆体的体积可以减少甚至消除由于细骨料级配和形状较差而产生的反作用。另一方面，通过使用人工砂后，混凝土的力学性能和耐久性能得到了提高。对于自密实混凝土，高的粉体含量是获得新拌混凝土性能的必要条件。因此，含有大量石粉含量的人工砂可以代替河砂用于自密实混凝土。多余的石粉可以作为填料填充于自密实混凝土中。然而，由于人工砂的高的需水量，在自密实混凝土中的使用的还是值得探讨的。虽然有很多研究已经用来指导人工砂在普通混凝土中使用。但是，对于在自密实混凝土中的使用研究的还是比较少。本论文就是通过颗粒堆积概念来找出粉体和骨料的最优配比。然后利用以上的最优配比，制备自密实混凝土，研究浆体体积和水灰比对使用人工砂的自密实混凝土的新拌性能和硬化性能的影响。2材料水泥采用普通硅酸盐水泥，粉煤灰应用F类II级，其化学组成和物理性质见表1。选用人工砂作为细骨料，粗骨料选用5-10mm，10-20mm的两种骨料组成连续级配。各种骨料的物理性能见表2。减水剂使用聚羧酸系减水剂，固含量为20%。表2骨料的物理性能骨料种类表观密度（kg/m3）体积密度（kg/m3）孔隙率(%)吸水率(%)人工砂2650185027.630.05-10mm2800153045.40.3510-20mm2780164040.10.223浆体和骨料的堆积最优化3.1浆体组成的最优化粉体颗粒的结合是通过颗粒堆积原理来进行选择的。其工作原理就是水加入到干的材料中去填充颗粒之间的孔隙，并且像润滑剂一样使颗粒之间更有效的进行堆积。填充完孔隙多余的水分存在于颗粒的表面并达到饱和极限。当水泥与粉煤灰的体积比为3:2时，得到最大的堆积密度，选用这种胶凝材组合作为后面试验的胶凝材用量。使用这种最优的胶凝材配比，用搅拌机在不同水灰比，不同外加剂掺量的情况下进行制备。减水剂最佳掺量是通过对胶凝材浆体的微型坍落度筒试验方法得到的，当浆体的流动度达到170±10mm时，而不发生泌水的减水剂掺量被称为最佳掺量。3.2骨料结合的最优化很多研究已经显示，混凝土混合物的堆积密度和相应的新拌混凝土的流动性能是相关的。具有最大堆积密度的骨料结合体能够深刻的影响到混凝土的性能，除了经济成本外，因此，骨料的结合的最优化也是基于颗粒堆积密度。通过试验，并利用三元堆积图得到了最大堆积密度为0.7的骨料组合，为人工砂：5-10mm：10-20mm=55：15：30。并将其作为后续试验的骨料配比。堆积密度为0.7也就是说其孔隙体积为0.3或者是300L/m3。表1水泥化学组成及物理性质物料名称组分(％)密度(g/cm）)比表面积(m2/kg)烧失量SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2ONa2O水泥2.0820.014.984.8862.181.782.360.310.493.14350粉煤灰0.2160.5632.674.441.410.230.020.030.022.001554试验结果4.1新拌混凝土的性质试验是按胶凝材含量（350-650kg/m3）和水灰比（0.7-1.5）的可能结合情况进行设计，并且使用前面讲到的最优的骨料配合比（55:15:30）去研究对新拌和硬化自密实混凝土性能的影响。在人工砂中，颗粒尺寸低于125μm的石粉含量控制在10%，这些石粉将会和水泥，粉煤灰和水一起作为为混凝土中浆体的体积。在研究中，浆体的体积从360-490L之间进行变化。新拌混凝土的性能结果在见表3。从图1中我们可以看出，坍落扩展度随着浆体体积的增大而增大。对于使用堆积密度为0.7的骨料的自密实混凝土，370-390L的浆体用量是混凝土达到550mm坍落扩展度的必要条件。表3新拌和硬化混凝土的性能编号粉体含量（kg/m3）W/C（体积比）用水量（L）人工砂浆体含量（L）总浆体含量（L）多余浆体含量（L）坍落扩展度（mm）T500（s）28d抗压强度（MPa）14500.8136663676725——48.624500.91506838686485——42.533501.5194804051055851.116.445500.8162594271276709.650.454501.0168694041047152.736.466500.7167524631637358.760.776500.8195534881888302.052.4400420440460480500550600650700750800850坍落扩展度（mm）浆体体积（L/m3）图1浆体体积与坍落扩展度之间的关系表3中的结果进一步分析用来估计为了形成自密实混凝土而要使用的多余浆体体积量。图2显示了多余浆体体积和坍落扩展度之间的关系图。从图2中可以看出，除了要用来填充孔隙的浆体之外，大约有70-90L的多余浆体来实现550mm的坍落扩展度是必须的。但是，也要注意到即使有足够的浆体体积，如果用水量达不到160L，同样可能得不到550mm的坍落扩展度，从表3中可以明显的看出来。对于使用了人工砂的混凝土要得到550mm坍落扩展度所需要的多余浆体体积比用河砂的自密实混凝土要高一些。这种差别归因于细骨料形状的作用。尽管浆体体积的需求是相对的高一些，但是有一点必须要注意，来源于人工砂的浆体体积对于不同的水灰比，可以比来源于水泥和粉煤灰的浆体多50L-80L。因此，来源于人工砂的浆体体积可以有效的用于混合物的流动性能。因此，对于自密实混凝土可以降低粉煤灰和水泥等浆体的含量。除了坍落扩展度测试之外，还测试了T500，其结果见表3，T500是测试坍落扩展度从开始扩展到达到500mm时的时间。它间接地反映了混凝土的粘度。达到500mm的时间越长，混凝土的粘度越大，有表3中可以看出，T500在1s-9s之间，有两种情况，T500是大于5s，这可能是因为浆体使用了较低的用水量和较高粉体含量导致自密实混凝土的粘度增大。100120140160180200550600650700750800850坍落扩展度（mm）多余浆体体积（L/m3）4.2抗压强度对于自密实混凝土，因为含有较高的胶凝材含量，一般都会得到较高的强度，相反，为了得到较低的或中等的强度却是一个较难的任务。因此，在本论文重点是得到低的或中等强度的自密实混凝土。研究不同水灰比对自密实混凝土抗压强度的影响。混凝土28d抗压强度值与水灰比之间的关系图见图3显示，抗压强度和水灰比之间有着很好的关联性。随着水灰比的降低而增大。对于不同的混合物，抗压强度从25MPa-60MPa不等。图2多余浆体体积与坍落扩展度之间的关系0.60.81.01.21.41.6102030405060抗压强度/MPa水灰比（体积比）5结论本文中，评价了浆体组成和浆体体积对使用了人工砂的自密实混凝土的新拌和硬化性能的影响。人工砂中高的石粉含量提高了混凝土的需水量，但是也提高了浆体的体积，从而对自密实混凝土的提高很有好处。在不同浆体体积和水灰比的情况下进行试验，结果揭示了浆体体积对骨料组合一定的新拌混凝土性能有支配性的作用。最少160L的用水量，超过用于填充骨料孔隙体积70-90L的多余浆体对于达到坍落扩展度为550mm的自密实混凝土是必要的。尽管对于使用人工砂的自密实混凝土对浆体体积的需要大于使用河砂的自密实混凝土，但是由人工砂中石粉形成的浆体很好的补偿了这一方面的需求。正如预测的那样，水灰比与对于一定的水泥和粉煤灰比例的自密实混凝土的抗压强度有着很好的相关性。而且混凝土的抗压强度也从25MPa发展到60MPa。【参考文献】[1]刘云华，谢友均.龙广成.自密实混凝土研究进展[J].硅酸盐学报，2007,35(5):671-678。[2]杜毅，李贵平，贾朝政.机制砂自密实混凝土研制[J].贵州工业大学学报(自然科学版)，2007,36(4):88-91.图3水灰比和抗压强度之间的关系