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石屑全代砂高性能混凝土配合比简易设计法
admin在2020-10-20发布 频道:行业资讯 标签:
     
摘要:根据混凝土配合比简易设计法,设计石屑高性能混凝土配合比,并通过实验对配合比设计思路进行验证,提出采用该方法配制石屑高性能混凝土应注意的问题,研究结果对石屑混凝土的应用有较好的指导意义。
 

1 前言

  石屑是石场在生产碎石时产生的一种附属品,目前只用于基础垫层或平整场地等用途。但石屑的颗粒级配和物理性质与河砂接近,能够起到作为细集料填充粗集料空隙的作用,是一种非常适用于代替河砂配制混凝土的材料。在国内,有部分学者研究过石屑代替河砂配制混凝土的可行性,且证明是可行的,但对于石屑混凝土的配制方法研究较少,石屑高性能混凝土的配制方法研究更为罕见。由于石屑较河砂颗粒要粗、棱角性较多,导致用石屑配制混凝土时砂率的确定有别于河砂。又由于石屑中含有小于0.075mm的石粉颗粒含量一般都超过10%,而河砂中小于0.075mm的粉状颗粒含量一般都小于5%,这样也导致用石屑配制混凝土时用水量确定有别于河砂。因此,采用普通混凝土配合比设计规范来设计石屑混凝土配合比并不适用。
  为探索适用于石屑全代砂高性能混凝土的配合比设计法,本文尝试采用混凝土配合比简易设计法配制石屑高性能混凝土,并通过实验对设计思路进行验证,实验证明该方法是可行的。采用该方法配制的石屑高性能混凝土和易性好,混凝土密实度高,混凝土抗压强度和耐久性能均表现良好。

 

2 石屑全代砂高性能混凝土简易配合比设计法

  吴中伟院士[1]提出的简易配合比设计法,遵循绝对体积设计原理,以试拌调整法为主。核心思路是确定石屑与碎石最小空隙率,即混凝土中的粗细骨料为一体系,水和水泥为另一体系。根据二者的互补关系,在充分考虑工作性能的基础上,确定合理的水泥浆富余系数。通过确定最小骨料空隙率(即最佳砂率),最小水泥浆量等参数,配制出符合性能要求而又经济合理的混凝土[2]。配合比具体设计步骤如下:
  第一步确定石屑高性能混凝土性能指标
  高性能混凝土首先要有高工作性能,坍落度指标能达到180mm以上,而且还要具有高耐久性能。
  第二步测定石屑与碎石混合空隙率,确定最佳砂率
  采用紧密堆积密度的试验方法,检测不同砂率下石屑与碎石的混合容重,根据容重计算出混合料的空隙率,空隙率最小的即为石屑与碎石最佳掺合比例,对应砂率确定为最佳砂率。
  第三步确定胶凝材料浆量
  根据上一步得出的骨料最小空隙率,采用水泥浆填充骨料空隙,再加入合理的富余浆量,作为混凝土用浆量。富余系数取决于原材料性能及工作性能要求,如外加剂的品种和掺量对浆体富余系数影响较大,要通过试拌来确定。
  第四步计算各组分材料用量
  根据浆体体积、水胶比、砂率及原材密度等参数,通过配合比体积计算法,算出1立方混凝土各组分材料用量。

 

3 实验验证

3.1实验原材料
  水泥:英德龙山水泥有限公司,“海螺牌”P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥,水泥28d 强度为46.2MPa,水泥密度3090kg/m3
  粉煤灰:河源发电厂,Ⅱ级粉煤灰,烧失量2.0%,需水量比87%,密度2260kg/m3
  矿渣:广东韶钢嘉羊新型材料有限公司,规格种类为S95型,流动力比102mm,烧失量1.0%,密度2860kg/m3
  碎石:中山市合力石场,小碎石规格5~16mm,大碎石规格16~31.5mm,鄂式破碎,小石和大石以8:2比例掺配组成5~31.5mm连续级配,密度测定为2670 kg/m3
  石屑:中山市合力石场,石屑颗粒级配为Ⅱ级,细度模数2.88,石粉含量13.2%,密度2630kg/m3
  减水剂:深圳五山建材实业有限公司,萘系缓凝高效减剂,水剂,固含量30.5%,减水率>18%。
  水:自来水。
  石屑和碎石的颗粒分析,见表1和2:
表1 石屑颗粒级配
筛孔尺寸/mm 9.50 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 0.075 盘底
累计筛余/% 0 16.5 43.0 53.0 67.6 75.4 84.0 89.8 100
 表2 碎石颗粒级配
筛孔尺寸/mm 31.5 26.5 19.0 16.0 9.5 4.75 2.36 盘底
累计筛余/% 0.0 5.5 43.8 57.4 86.5 99.6 99.8 100
3.2配合比设计
  本次试验设计的石屑高性能混凝土配合比,强度等级设定为C40、C45和C50,坍落度设定为180~200mm,扩展度要求达到450mm以上,抗氯离子渗透电通量要求在1500库仑以下,抗水渗透性能要求不小于P12级。对每个配合比进行试拌,并检测混凝土容重、坍落度、扩展度、和易性和抗压强度,以及抗氯离子渗透性能与抗水渗透性能。
  (1)确定水胶比
  根据水泥强度,按照普通混凝土配合比设计规程计算水胶比,C40、C45和C50混凝土对应的水胶比分别是0.40、0.37和0.34。
  (2)确定最佳砂率
  先确定石屑与碎石混合料的最小空隙率。采用石屑填充碎石,检测石屑与碎石混合料(体积为10L)的紧密容重,砂率从36%开始,逐步增加,直到出现最大容重的拐点为止。再根据最大容重计算的空隙率,即为最小空隙率,对应砂率为最佳砂率。不同砂率对应的混合空隙率见表3。
表3 不同砂率对应的混合空隙率
砂  率(%) 36 38 40 42 44 46
两次平均混合料容重(kg/m3 1917 1963 1986 2011 2022 2006
空隙率(%) 27.7 25.9 25.1 24.1 23.7 24.3
  由表3可见,砂率为44%时混合料容重最大,容重为2022 kg/m3,根据石屑与碎石混合后的表观密度2650 kg/m3,计算出石屑与碎石混合的最小空隙率α=23.7%,对应最佳砂率即为44%。
(3)确定配合比材料用量
  根据上一步得出的最小空隙率α,浆体富余系数经试拌确定为10%,则浆体体积=α+10%=33.7%,即每立方米混凝土胶凝材料用量为337L/m3
 以0.4水胶比为例计算配合比。为了提高石屑混凝土的耐久性能,采用矿渣等量替代水泥20%,粉煤灰等量替代水泥10%,水泥实际用量为70%。水泥表观密度3.09 g/cm3,矿粉表观密度为2.86 g/cm3,粉煤灰表观密度为2.26 g/cm3
  胶凝材料重量/浆体积=1/(0.7/3.09+0.2/2.86+0.1/2.26+0.4)=1.35。即1L浆体积用1.35kg胶凝材料。则胶凝材料总重=337L×1.35=455kg/ m3
  水泥=455×70%=318.5kg    粉煤灰=455×10%=45.5kg
  矿渣=455×20%=91.0kg     水=455×0.4=182kg
  砂石骨料总重量=(1000-337)×2.65=1757kg。其中,石屑1757×44%=773kg,石1757×56%=984kg。所有材料总重量为2394kg。
(4)石屑高性能混凝土配合比
  按以上计算步骤,通过变化配合比参数,见表4,计算出3个强度等级的石屑高性能混凝土配合比,见表4。
表4 混凝土配合比设计表
编 号 水胶比 材料用量(kg/m3
水泥 粉煤灰 矿渣 小石 大石 石屑 减水剂
HPC-40 0.40 318.5 45.5 91.0 787 197 773 180 8.19
HPC-45 0.37 331.8 47.4 94.8 787 197 773 175 9.48
HPC-50 0.34 346.5 49.5 99.0 787 197 773 168 11.38
 
3.3 实验结果与分析
(1)混凝土工作性能及强度检测
  按简易设计法设计的配合比拌制石屑高性能混凝土,检测混凝土工作性能及抗压强度,试验检测结果见表5,混凝土抗压强度发展趋势见图1。
表5 混凝土工作性能及抗压强度实验结果
编号 坍落度
(mm)
扩展度
(mm)
和易性 容重(kg/m3 抗压强度(MPa)
7天 28天 56天
HPC-40 200 550 2390 40.3 51.8 54.7
HPC-45 190 500 2420 45.7 52.2 57.0
HPC-50 200 520 2440 46.0 55.2 63.6
 

图1 混凝土抗压强度发展曲线图
  由表5和图1可见,3个强度等级的石屑高性能混凝土,工作性能(包括坍落度、扩展度、和易性等)指标均满足实验设计要求。石屑高性能混凝土由于掺入了矿渣和粉煤灰,因此用56d龄期抗压强度进行评定,3个强度等级的石屑高性能混凝土56d抗压强度均满足配制强度要求,强度发展曲线基本呈线性增长。
(2)混凝土耐久性能检测
  抗渗透性能是高性能混凝土耐久性的重要指标,抗渗透性能包括抗氯离子渗透性能和抗水渗透性能。抗氯离子渗透性能通过电通量试验检测,抗水渗透性能采用抗水渗透仪检测,抗渗透级别根据《混凝土耐久性检验评定标准》(JGJ/T 193-2009)3进行评价。具体试验结果如表6和表7。
表6 抗氯离子渗透电通量实验结果
编  号 电通量(库仑) 抗渗透级别
28d 56d
HPC-40 1232 600 Q-Ⅲ
HPC-45 1056 522 Q-Ⅲ
HPC-50 925 486 Q-Ⅳ
注:根据《混凝土耐久性检验评定标准》,抗氯离子渗透性能等级的测量龄期为28d。
表7 抗水渗透实验结果
编  号 水压力(MPa) 试件透水情况 抗水渗透级别
HPC-40 1.5 >P12级
HPC-45 1.5 >P12级
HPC-50 1.5 >P12级
  由表6可见,3个强度等级的混凝土试件28d电通量均低于1300库仑,抗氯离子渗透效果都较好,均满足设计低于1500库仑的要求。混凝土的56d电通量比28d电通量有大幅度降低,均接近于500库仑,表明随龄期的增长,混凝土的抗氯离子渗透性能还会进一步提高。
  由表7可见,3个强度等级的混凝土试件在水压力加到1.5Mpa时,试件均未出现透水,抗水渗透级别均达到P12级以上,抗水渗透性能非常好,满足设计要求。
石屑高性能混凝土的抗渗透性能好,分析其原因:第一是简易设计法通过对粗细骨料进行紧密堆积,从而确定石屑与碎石的最佳比例,使骨料间的空隙率达到最小,提高了混凝土的密实性;第二是胶凝材料中掺入了矿渣和粉煤灰两种矿物微粉,矿物微粉的颗粒极细,能有效填充混凝土中的空隙,提高混凝土的抗渗透性能。

 

4 结论与建议

  以上实验结果表明,采用混凝土配合比简易设计法,配制出的石屑高性能混凝土,其工作性能和抗压强度均满足设计要求,混凝土的抗渗透性能也表现良好。实验证明,采用简易设计法设计石屑高性能混凝土配合比是可行的。
  石屑与碎石混合空隙率是确定胶凝材用量的最重要指标,混合空隙率越大,所用的胶凝材就越多,因此应优先选用级配良好的石屑配制混凝土。砂率过大会使用水量增大,间接导致胶凝材料和减水剂用量增加,不利于混凝土的经济性。因此,当最佳砂率超过45%时,建议取45%作为最佳砂率。
  浆体富余系数是影响混凝土工作性能和强度的重要指标,需要通过试拌来确定。由于石屑的棱角性偏多,影响和易性与流动性,其浆体富余系数一般在8%~12%左右,可以先从8%进行试拌,再逐步增大。
参考文献
【1】 吴中伟. 混凝土配合比简易设计法[J]. 土木工程学报,1955.
【2】 杨荣俊. 高性能混凝土(HPC)配合比简易设计法[C]. 吴中伟院士从事科教工作六十年学术讨论会论文集,2004.
【3】 中国建筑科学研究院.《混凝土耐久性检验评定标准》(JGJ/T 193-2009)【S】. 中国建筑工业出版社,2009.
作者周启源 蒋雪琴 谭世霖
信息来源:混凝土视频网 
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