南武大道机制砂混凝土配合比优化设计

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建材世界2012年第33卷第4期doi：10，3963／j．issn．1674-6066．2012．04．002南武大道机制砂混凝土配合比优化设计林志杰1，卢自立1，董瑞2，唐祥春1，周琼1，沈卫国2’3(1．广东省长大公路工程有限公司，广州510620；2．武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉430070；3．武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉430070)摘要：针对南武城市大道机制砂混凝土的工程应用，将混凝土矿物集料体系作为研究对象，结合Fuller曲线和Shilstone曲线，给出适应于不同坍落度水平的级配组成范围。以7d、28d抗压强度和工作性作为考察指标，对工程中涉及到的C30～C50标号桥隧及路面机制砂混凝土进行配合比优化设计。关键词：机制砂；集料级配组成；配合比优化Machine-madeSandConcreteMixingProportionOptimizationofNan-wuCityHighwayLINZhi-jiel，LUZi—lil，DONGRuil，TANGXiang-chunl，ZHOUQion91，SHENWei-gu01，2(1．GuangdongProvincialChangdaHighwayEngineeringCo，Ltd，Guangzhou510620，China；2．SchoolofMaterialsScienceandEngineering，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070，China；3．StateKeyLaboratoryforSilicateMaterialsScienceandEngineering，WubanUniversitvofTechnology，Wuhan430070，China)Abstract：Focusingontheapplicationofmachine-madesandconcreteatNan-wucityhighway，thegradationrangesofmineralaggregatesystemofconcreteswithvariousslumpleve[sarestudiedreferringtotheFullerandShilstoneCurves．Themixproportionoptimizationofmachine-madesandconcrete埘thstrengthrangingfromc30～c50isstud—iedaccordingtoparametersof7d，28dpressuredstrength，workingabilityasexaminingitemsaimingtoNan-wucityhighwayprojeelKeywords：machine-madesandconcrete；aggregategradation；mixproportionoptimization随着基础设施建设的快速发展和资源的大规模消耗，我国不少地区的天然砂资源已近枯竭，品质也日益下降，颗粒级配不合理，含泥量严重超过国家标准[1]。另外，近年来出于防洪形势的考虑，长江、淮河等主要产砂河流的部分河段已禁止采砂，使得河砂资源日渐紧缺，价格逐渐上涨，特别是一些山区，河道里石多砂少，河砂资源更为匮乏，昂贵的运费使得混凝土配制成本显著增加，局部地区河砂运费已经lo倍于其售价[2]，在广西、贵州、重庆和四川等地这一情况更为严重。还有一些地方由于河砂的匮乏，混凝土中开始使用含泥量大的劣质砂甚至一些未经妥善处理的海砂，给工程质量带来隐患。鉴于国内建设的实际应用情况，我国部分地区很早就开始研究人工砂混凝土o{]。广西南宁——武鸣城市公路河砂运距远，如果能就近采用石灰岩制备机制砂则具有显著的技术经济效益。该文基于连接南宁市区与武鸣县之间的南武城市大道工程作为依托，采用当地的机制砂配制了适应于工程桥涵结构及路面工程的C30～C50强度等级的机制砂混凝土，并对机制砂混凝土的配合比设计方法进行了研究。1试验1．1原材料1)水泥：工程采用红河牌P·042．5水泥，其主要物理性能见表1。收稿日期：2012—05—05．基金项目：广东省交通运输厅科技项目(2011—02—057)．作者简介：林志杰(1980一)，助理工程师．E-mail：shenwg@whut．edu．en5 建材世界2012年第33卷第4期2)细集料：试验用细集料为武鸣机制砂和梧州河砂，细集料的物理力学性能试验按JTGE42--2005{公路工程集料试验规程》进行，结果见表2，颗粒级配曲线分别见图1和图2。表1红河P·O42．5水泥的物理性能裹壕士略表摆士嘲5筛孔尺寸，mm图I机制砂颗粒级配曲线图图2河砂颗粒级配曲线图3)粗集料：碎石选用南宁武鸣碎石，碎石的物理力学性能试验按JTGE42--2005{公路工程集料试验规程》进行，针片状指标值4％，压碎值指标为12％。粗集料筛分结果见表3；该文对9．5～16mm与16～26．5mm两档级配碎石做了颗粒分析实验，其结果呈现于图3。研究表明：随着9．5～16mm碎石比例的增加，混合料的松堆堆积密度和振实堆积密度都呈现出先增大后减小的趋势，且9．5～16mm碎石在混合料中的比例为50％时出现最大值，此时混合料的空隙率最低。4)减水剂：UNB-3B缓凝高效减水剂；BASF聚羧酸高效减水剂。表3粗集料级配范围及筛分结果／％1．2方法新拌混凝土的工作性能通过坍落度来评价，其检验方法按《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》(GB／T50080--2002)，并参考《机制砂在混凝土中应用技术指南》进行。硬化混凝土抗压强度试验按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB／T50081--2002)规定的方法进行。抗压强度试块尺寸为150ram×150mlTlx150mm，每组6块分别至规定龄期进行相关测试。2集料级配优化通常在配合比设计过程中，粗集料的级配往往会被忽视，有些设计者简单的将级配合成为《公路桥涵施工技术规范》要求的级配中值，这种级配往往并不合理。粗集料的级配对混凝土的工作性和强度影响巨大，6 建材世界2012年第33卷第4期f墨r蛳苎憾期鼷謦图3两种间断级配碎石不同比例混合时的堆积密度及空隙率结果因此该文将粗集料的级配先进行理论计算，然后通过实验进行优化。细集料的用量以砂率为指标，通常是指能保证混凝土具有较强抗离析性的最小砂率，可以适当提高粗集料在混凝土中的用量，达到节省水泥用量，增强耐久性的目的。结合修正的Fuller曲线睁8]和Shilstone曲线[7，9l，该文将混凝土整个集料体系作为研究对象，粗颗粒部分尽量与Shilstone曲线进行拟合以确保混凝土硬化后的性能，细颗粒部分采用接近Fuller曲线的级配组成以保证混凝土的工作性能，图4给出了混凝土坍落度设计值为140180mm的级配组成，用于配制各强度等级的混凝土；图5给出了坍落度设计值为180～220mm的C30水下桩基混凝土优化级配，其组成更倾向于Fuller曲线值，以保证浇筑质量。26．519169．54．752．361．180．60．30，150．075筛孔尺寸tram图4混凝土集料级配组成一萎谢焱lⅢ捌鲤筛孔尺寸／ram图5混凝土集料级配组成二3不同“强度等级"、“工作性能"要求的混凝土配合比设计芝姗求IⅢ捌薅3．1用于预制空心梁、桥面铺装等结构的C50混凝土设计根据施工需求，实验室先采用梧州河砂进行了C50混凝土配合比的设计，其配合比设计结果及相应的工作性能、物理性能参数见于表4；随后利用南武武鸣机制砂进行C50混凝土的配合比设计，其优化后的配合比结果见表5。表4CSO梧州河砂混凝土配合比设计与性能由表5可知，第l组坍落度略显不足，主要原因是级配不够合理导致工作性有所下降，具体表现为9．5～16mm与16～26．5mm两级配碎石比例偏小，导致粗颗粒坍落过程中产生集料架构的状态，但砂浆流动性表现良好；第3组实验砂率超过了极限值，导致混凝土工作性能急剧下降，水灰比调整到0．34仍不能满足工作性要求；第2和第4两组实验能够满足工程要求，其中第2组强度富余较大，坍落度处于设计值低值。分别采用UNB-3B缓凝高效减水剂与德国巴斯夫(BASF)公司生产的聚羧酸高效减水剂来配制C50混凝7Ⅲ如蛐∞∞如加∞加mo 建材世界2012年第33卷第4期土，结果表明：仅用1-2％的BASF减水剂掺量就能制备出工作性能优良，7d强度高达66．9MPa的混凝土。结果同样显示，砂率取值为36％更为合理。第4组实验砂率适中，强度满足设计要求，塌落度较高，是最佳的配合比方案。从河砂与机制砂配合比的对比可以看出，经过优化后的机制砂混凝土的强度可以超过河砂混凝土。表5c50机翩砂混凝土配合比设计及性能原材料／(kg·m_3)123456水泥480470456480470拌合水148．8149．o155．8148．8149．o机制砂660．9682．2698，3643．1646．8668．o9．5～16mtTl碎石337．6389．6382，3400．1402．5398．116～26．5mlTl碎石?87．8723．5709．9743．1747．4739．4夕l,／Jtl剂2％UNB-3B缓凝高效减水剂1．2％BASF砂率／％3738393637水灰比0．310．3170．340，310．310．317坍落度。／ram13614690162163178容重／(kg·m-3)2437242524432437244524537d强度／Ⅷa57．257．653．053．766．955．528d强度／MPa62．165．363．761．168．466．1*坍落度设计值为140～180mill。3．2用于预制空心板封端、盖板等结构的C40混凝土设计根据施工要求，该试验同样先采用梧州河砂进行了CAo混凝土配合比的设计，其配合比设计结果及相应的工作性能、物理性能参数见于表6；随后同样利用南武武鸣机制砂进行CAO混凝土的配合比设计，其优化后的配合比结果列于表7。表6原有C40河砂混凝土配合比设计与性能原材料单位体积用量／(kg·m-3)性能指标测定结果水泥410坍落度设计值／mm140～180拌合水164坍落度实测值／ram150粗集料11407d强度／MPa40．7细集料72828d强度／MPa52．0外加剂8．2容重／(妇·m1)2450表7C舯机翩砂混凝土配合比设计及性能原材料／(kg·m-3)123456水泥392400410400390拌合水176．5164168164162164机制砂7107036986806866929，5～16mm碎石38940139940640941216～26．5mm碎石723745741753759765L烈B高效减水剂／％2砂率／％393837水灰比0．450．410．420．400．405、0．41坍落度’／ram136135188171147容重／(kg·m-3)2414243524872554242224767d强度／MPa36．444．038．444．442．243．228d强度／MPa45．052．844．65543．046．6*坍落度设计值为140～180mill。由表6和表7可知，砂率在37％和38％时具有较好的工作性，但由于模具质量的原因，机制砂混凝土的28d强度出现比较大的误差。从有效的试验结果可判断，第2组的强度比较高，可以初步作为推荐配合比，同时机制砂混凝土强度也比相同水泥用量的河砂混凝土略高。3．3用于水下桩基结构的C30混凝土设计试验中根据施工要求，同样先采用梧州河砂进行了C30水下桩基混凝土配合比的设计，其配合比设计8 建材世界2012年第33卷第4期结果及相应的工作性能、物理性能参数见于表8；后采用南武武鸣机制砂进行C30水下桩基混凝土的配合比设计，优化后的配合比结果列于表9。表8原有(230水下桩基河砂混凝土配合比设计与性能原材料／(kg·1"13．-3)12345*坍落度设计值为180～220mm。由表9中试验结果可知，第1组实验所制备的混凝土坍落度处于设计值的低值端，考虑到混凝土运输过程中的坍落度损失会影响弼水下桩基的浇筑，故对集料的级配做了调整。第2～5组实验均采用调整后的集料级配进行配合比设计优化；第3～5组实验优化了最佳水泥用量，从结果可以看出，第5组实验是最理想配合比设计方案，强度和工作性能均满足设计要求。4结论a．将混凝土整个集料体系作为研究对象，分别给出了混凝土坍落度设计值为140180mm和180一--220mm的级配组成曲线，用于配制各强度等级的机制砂混凝土。b．配制用于预制空心梁、桥面铺装等结构的C50混凝土，当砂率为36％，水灰比为0．31，BASF减水剂掺量为1．2％时，实验得出的强度满足设计要求，塌落度较高，是最佳的配合比方案。C．配制用于预制空心板封端、盖板等结构的CA0混凝土，砂率在37％和38％时具有较好的工作性，同时机制砂混凝土强度也比相同水泥用量的河砂混凝土略高。d．配制用于水下桩基结构的C30混凝土，考虑到混凝土运输过程中的坍落度损失和最佳水泥用量两种因素，砂率为42％，水灰比为o．47，UNB-3B缓凝高效减水剂为20,4时，强度和工作性能均满足设计要求。参考文献[1]徐健，蔡基伟，王稷良，等．人工砂与人工砂混凝土的研究现状[J1国外建材科技，2004，(3)：20—24．[23陈家珑．人工砂一新型建筑用砂[J3．新型建筑材料，2002(6)：32—34．[-33国家建委四局建筑科学研究所．山砂混凝土I-M]．北京：中国建筑工业出版社，1979．E43舒传谦．贵州山砂高强混凝土的力学特性[J]．贵州工学院学报，1996，25(3)：48—53．(下转第16页)9 建材世界2012年第33卷第4期以使混凝土的水胶比降低，保证高性能混凝土有良好的使用效果；2)选用强制性搅拌机进行高性能混凝土的拌制，以保证混凝土的均匀性和和易性；3)控制好高性能混凝土的坍落度，同时浇筑后，要及时进行混凝土的养护；4)当施工中气温过低的时候，要及时采用混凝土保温养护措施，同时还要推迟拆模的时间，满足施工混凝土强度发展的需要。5结语普通水泥混凝土广泛应用在工程建筑中，但是目前这种应用的问题十分突出，包括资源问题、能源问题与环境问题。而粉煤灰高性能混凝土正是节约资源和能源，解决地球环境问题以及维护地球生态平衡的绿色高性能材料，它的应用也是实施可持续发展战略的决策之一。合理的应用粉煤灰配制高性能混凝土，具有良好的社会效益，同时也具有良好的经济效益。参考文献I-1]赵庆新，孙伟，郑克仁．粉煤灰掺量对高性能混凝土徐变性能的影响及其机理[J]．硅酸盐学报，2006．[2]牛季收，王保君．粉煤灰在混凝土的效应及应用口]．铁道建筑，2004．[3]李忠梅，孙建全．粉煤灰在滨州黄河大桥高性能混凝土中的应用[J]．路基工程，2008．[4]钱觉时．粉煤灰特性与粉煤灰混凝土[M]．北京：科学出版社，2002．[5]阎忠明．粉煤灰在高性能混凝土中的应用[J]．科技资讯，2010．[6]谢慧东，张冬，王军，等．高性能混凝土掺加粉煤灰的应用研究[J]．山东建材，2010．[7]杨斌．大掺量粉煤灰高性能混泥土的试验研究[J]．建筑施工，2007．[8]中华人民共和国行业标准粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程[s]．北京：中国建筑工业出版社，2008．(上接第9页)Es]舒传谦．贵州山砂高强混凝土的物理性能[j]．贵州工业大学学报，1997，Z6(2)：93—97．[6]中华人民共和国国家标准．GB／T14684--2001，建筑用砂[S]．北京：中国标准出版社，2001．[7]FullerWB，ThompsonSETheLawsofProportioningConcrete[J]．TransactionsofASCE，1907，59：67—143．[8]BrouwersHJH，RadixHJ．Self-compactingConcrete：TheoreticalandExperimentalStudy[J]．CementandConcreteResearch，2005(35)：2116—2136．[9]ShilstoneJMHigh-performanceConcreteMixturesforDurability[J]．HighPerformanceConcreteinSevereEn、riron—merits。1993．35：281—305．16