人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究.docx

人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究.docx

《人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究.docx（11页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究

人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究

摘要:

研究石屑中石粉及其含量对混凝土性能影响，并通过XRD、TG、SEM技术分析了其作用机理。

结果表明,石粉含量在24％范围内，其含量越高，混凝土强度越高，抗冻、抗渗性越好;石屑混凝土的收缩变形、碳化和钢筋锈蚀性能与普通混凝土相当。

石屑中石粉的填充效应、晶核效应、活性效应、吸水效应和形态效应的共同作用，改善了石屑混凝土的性能。

关键词：

人工砂;石屑；混凝土；石粉含量；作用机理

0　前言

      研究发现，高石粉含量人工砂对混凝土也没什么不良影响。

文献［3]通过对石粉含量为12%、16%、随着人工砂研究工作的不断深入，人工砂的应用21％的混凝土性能进行了对比试验，得出了石粉含量技术日益成熟，但有些问题还存在争议.其中人工砂为16%的混凝土综合性能最优的结论。

周中贵［4]在中石粉对混凝土性能影响及其作用机理、石粉的最佳对黄丹电站工程中所用的高石粉人工砂研究后,确定含量及其上下限一直是争议较大的问题.有人认为石了最佳石粉含量为15％～18%。

文献［5］的研究认粉含量应限制在较低的范围内[1，2］，但有的通过试验为，不同岩性的石粉最佳含量虽有差异，但宜控制在17％±2％。

      为了对人工砂中的石粉有更深入的认识，本文研究了人工砂中石粉及其含量对混凝土性能影响，并通过XRD、TG和SEM等现代分析技术揭示其作用机理.

1　石屑特性

      石屑表面比河砂粗糙,有尖锐棱角，含有一定量粒径小于0。

16mm的石粉。

石屑会因产地和生产工艺的差别,其基本物理性能和矿物组成存在差异。

本研究所用石屑的基本物理性能表见1,且将粒径小于0。

16mm的颗粒含量定义为石粉含量.氮吸附法测得粒径小于0。

16mm石粉的比表面积为119m2/g,粒径小于0.08mm部分（占石粉总量的2/3）的比表面积为2.9m2/g.

2　石粉对混凝土性能影响

      混凝土试验按规范GBJ80O85、GBJ81O85、GBJ82O85进行，配合比见表3。

2.1          拌和物性能及强度

      从表3可看出，同等级混凝土在水灰比相同的条件下，由于石屑中含有24％的石粉，导致混凝土的吸水率增大，其流动性比普通混凝土要差，但通过添加少量的减水剂便能有效改善其流动性，且比普通混凝土的保水性好、粘聚性强、泌水少，即和易性好。

这主要是由于石屑中的石粉在拌和期间起到了水泥浆体的作用.此外，石屑混凝土的初凝和终凝时间均比普通混凝土略长，其密度和普通混凝土差不多，结果见表4。

      从表4还可以看出：

（1）石屑混凝土的立方体抗压强度要高于同龄期同等级普通混凝土;

（2）石屑混凝土28d的劈裂抗拉强度要高于同等级普通混凝土。

　　此外,作者还通过正交试验研究了石粉含量5%、15％、24％对混凝土强度的影响，结果表明,在24％范围内，石粉含量越高，混凝土强度也越高[6]。

2.2　收缩性能

      图1表明，石屑混凝土的收缩发展规律与普通混凝土相似，其收缩率总体来说与普通混凝土相当。

石粉含量为24％、16％的石屑混凝土的收缩率比普通混凝土略大，石粉含量为10%的石屑混凝土收缩率与普通混凝土差不多，石粉含量为24%和16％的石屑混凝土收缩没有明显的差异,说明石粉含量虽对混凝土的收缩有影响，但影响不大。

2.3　耐久性

      表5试验数据表明:

石屑混凝土的碳化和钢筋锈蚀性能与普通混凝土相当；但抗冻、抗渗性比普通混凝土好。

C40普通混凝土的抗冻等级小于D25（25次循环后相对动弹性模量低于60％），而石屑混凝土达到了D50。

抗冻试验都是在其相对动弹性模量低于60%而停止的，试件重量几乎没有损失，且在试验过程中笔者发现，普通混凝土在经过25次冻融循环后有两个试件的中间出现横向可见贯穿裂缝，而石屑混凝土没有;经过75次循环后，石屑混凝土外观均呈鱼鳞状，且起皮脱落，但C40X24的情况比C40X16、C40X10要好,说明在24%范围内，石粉含量越高，混凝土的抗冻性可能更好。

C40普通混凝土抗渗等级为P14,而C20X10的抗渗等级也达到了P14，C20X16、C20X24抗渗等级要大于P14,纵向劈开发现C20X24的渗水高度为79mm，比C20X16的109mm要小,这说明在24％范围内，石粉含量越高,混凝土的抗渗性越好。

3　机理分析

    试验直接用砂浆试样（普通河砂砂浆的水泥∶水∶砂=1∶019∶416;石屑砂浆的水泥∶水∶砂=1∶019∶418）代替从混凝土中取样,进行了XO射线衍射分析、热分析（TG）和扫描电镜分析（SEM）.

3.1　XO射线衍射分析

      国内外的研究［7～10]普遍认为石粉中的CaCO3微粒具有活性效应，即CaCO3微粒能与C3A反应生成碳铝酸盐，在这一点上绝大多数研究者达成了共识，只是有人认为是生成单碳铝酸盐（C3A·CaCO3·11H2O）,有的认为生成三碳铝酸盐（C3A·3CaCO3·32H2O）。

作者对不同石粉含量、不同龄期的石屑砂浆试样进行了XO射线衍射分析，没有发现碳铝酸盐的衍射峰，但这并不能表明石粉中的CaCO3微粒与C3A没有发生反应。

这主要是因为反应生成的碳铝酸盐的量相对过少、其衍射峰很小造成的。

3。

2　TG分析

      TG分析结果表明，在600~1000℃范围内，石屑砂浆与普通砂浆的失重率差别比较大,石屑砂浆的失重率均超过30％，而普通砂浆不超过5%，这是因为石屑的主要矿物成分白云石和方解石分解造成的。

在100～600℃范围内,由于水化产物的脱水和分解，不管是石屑砂浆还是普通砂浆均出现了不同程度的失重。

石粉含量为24%的石屑砂浆水化7、28、90d的失重率分别为2。

06%、2.51%、5。

93%，这与随着龄期的增长水化产物逐渐增多的结论是一致的;石粉含量为16%、10％的水化28d石屑砂浆的失重率分别为2。

43％、2.74％,说明在10％～24％范围内，石粉含量的变化对水化产物的生成没有太大的影响；而普通砂浆水化28d的失重率只有1。

85%,比石屑砂浆的失重率小.其原因是石屑中的石粉在水泥水化过程中起到了晶核作用（晶核效应），加速了水泥中C3S的水化［7～9］。

当C3S开始水化时，便大量释放出Ca2+，Ca2+具有比［SiO4］4-离子团高得多的迁移能力，根据吸附理论,首先发生CaCO3微粒表面对Ca2+的吸附作用，由于COSOH和Ca（OH）2在CaCO3表面上大量生长，导致C3S颗粒周围Ca2+离子浓度降低，使C3S水化加速,从而加速了水泥的水化，且早期比后期更为明显。

      此外，水化28d的普通砂浆在600℃前的失重率仅为1185%，比石屑砂浆7d的失重率都小.这一方面是由于石粉颗粒加速C3S水化的晶核作用前期比后期更明显[9］，另一方面是由于水化碳铝酸钙的生成主要集中在7d以前,至7d后水化碳铝酸钙增加量明显减小。

3.3　SEM分析

      通过电镜扫描观察发现,不管石粉含量的高低和龄期的长短，石屑砂浆要比普通砂浆密实得多，石屑颗粒与浆体之间结合紧密，见图2。

　  在石屑砂浆放大倍数<2000的扫描电镜照片中没有发现气孔，在放大倍数〉2000的照片中几乎没有发现孔径大于5μm的有害孔；而普通砂浆存在较多的孔隙，且孔径较大,有的是接近200μm的气孔（见图2（b）、（c））,这些气孔对混凝土的性能非常不利。

这说明石屑砂浆中的有害孔比普通砂浆明显减少，石屑砂浆中的粗大孔和毛细孔减少，过渡孔和凝胶孔增多，即孔结构得到改善。

这与一些同行的研究结果是一致的.安文汉［2］进行了石屑混凝土和普通混凝土孔结构的对比分析（见表6），认为石屑混凝土的孔隙特征得到明显改善，总孔隙率下降，其中粗大孔，毛细孔减少，过渡孔、凝胶孔增多,最可几孔径明显改善。

　  石屑混凝土的孔隙率之所以减小、孔结构之所以得到改善，其主要原因是发挥了石粉的填充效应.此外，石屑中含有较多的石粉，石屑混凝土的需水量大，使得在水灰比和单位用水量相同的情况下，石屑混凝土的实际水灰比要小于普通混凝土，本文将此作用称为石粉的吸水效应。

由于水灰比对孔隙率有明显影响,水胶比越小，孔隙率越小。

      通过扫描电镜还发现，石屑砂浆与普通砂浆相比，其浆O集料界面得到明显改善。

虽然早期石屑砂浆的浆O集料间存在明显的孔缝（见图2（d）），但随化产物之间的粘结，从而改善了石屑砂浆的界面。

此外，经大量电镜观察发现,在石屑砂浆中很难找到生长在空间的大颗粒Ca（OH）2晶体，而它们却极易在普通砂浆中发现（见图2（a））。

从图2（a）可以看出，由于在贴近集料表面的水灰比值高,再加上砂粒与浆体结合得不如石屑紧密，存在孔缝，使得结晶产物在此处集中生长，且晶体尺寸较大，在20μm左右，而石屑砂浆由于石粉中细分散的碳酸钙颗粒为晶体的生长提供了无数的核，晶体生长在CaCO3颗粒表面,而不是在特定的位置局部生长成大晶体。

此外，石屑砂浆界面的改善还与以下因素有关:

（1）与普通砂浆相比，石屑中的石粉使得新拌砂浆的浆体量增加，使石屑砂浆的保水性增强、泌水率减小，减少了自由水在界面上聚集,因而利于浆O集料界面的改善；

（2）石屑表面粗糙，带有尖锐棱角，不但使得集料与浆体的咬合力得到增强，而且有利于浆O集料界面的改善，即石屑的形态效应。

      综合XRD、TG和SEM分析所述，石屑混凝土之所以比普通混凝土的强度等性能有所改善，可以归结为石屑的5个效应，即石屑中石粉的填充效应、晶核效应、活性效应、吸水效应和石屑的形态效应。

这5个效应的共同作用，促成了石屑混凝土的一增多、一生成和二改善，即水化产物的增多、碳铝酸盐的生成和界面、孔结构的改善。

具体解释是:

石粉的填充效应，不但使毛细孔得到细化，而且使孔隙率减小,即孔结构改善；晶核效应加速了C3S的水化，从而使水化产物增多，并避免了晶体的集中生长；活性效应是指石粉中的CaCO3在与水泥中的C3A反应生成碳铝酸盐的同时，还改善了石粉颗粒的表面状态，有利于石粉颗粒与水化产物间粘结强度的提高；石粉的吸水效应使得石屑混凝土的实际水灰比小于同配比的普通混凝土,石屑混凝土的保水性增强，泌水率减小，减少了自由水在界面上聚集,因而利于浆O集料界面的改善;石屑表面粗糙，带有尖锐棱角，不但使得集料与浆体的咬合力得到增强，而且有利于浆O集料界面的改善，这就是石屑的形态效应。

石屑及其中石粉的这5个效应所产生的结果都有利于混凝土强度的提高和性能的改善。

4　对石屑中石粉含量问题的思考

      一些研究者认为应严格控制石屑中的石粉含量在5%范围内［1］；与此相反,一些研究者认为石粉含量在15％左右时为最佳[3～5]。

作者认为，对石屑中石粉的最佳含量及上下限影响最大的可能是石屑的级配，包括细度模数、0.16mm以上和0。

16mm以下颗粒组成，特别是0。

16mm以下颗粒的组成对石粉含量可能有较大影响.比如粗石屑和细石屑，其最佳石粉含量就可能不相同，同样的在0。

16mm以下颗粒中,0。

08mm颗粒占大多数与0。

08～0。

16mm之间颗粒占大多数两中情况下石屑的最佳石粉含量也可能不一样;其次是石屑的形态，包括0。

16mm以上和0.16mm以下颗粒的形态,特别是0.16mm以下颗粒的形态，比如形态为圆形或方形与棱角形的相比,其最佳石粉含量就可能不一样。

针对石粉的最佳含量及上下限这个问题，过去的研究都是从石粉含量对砂浆或混凝土的性能的影响这个角度入手,忽略了石屑本身，因此，建议研究石屑本身级配和形态等对石粉含量的影响可能会起到意想不到的效果。

如果从这个角度研究取得成功，则可根据石屑的级配（包括细度模数、0。

16mm以上和0。

16mm以下颗粒组成）和形态（包括0。

16mm以下颗粒的形态）来确定其最佳含量及上下限.

5　结论与建议

（1）石屑混凝土比普通混凝土的保水性好、粘聚性强、泌水少；石屑混凝土的抗压强度及抗拉强度要高于同龄期同等级普通混凝土，抗冻、抗渗性比普通混凝土好;石粉含量在24％范围内,其含量越高，混凝土强度越高，抗冻、抗渗性越好；石屑混凝土的收缩变形、碳化和钢筋锈蚀性能与普通混凝土相当.

（2）由微观分析可知，石屑中石粉的填充效应、晶核效应、活性效应、吸水效应以及形态效应的共同作用，促成了石屑混凝土的性能改善.

（3）石屑中的石粉对混凝土的性能有着非常重要的影响,对石粉及相关问题的研究应高度重视，需作进一步深入的研究.建议从石屑本身入手,研究其级配和形态等对石粉含量的影响。

泵送混凝土配合比设计

摘要：

该文提出泵送砼配合比设计原则，引入两个泵送砼配比新参数，详尽论述了配合比各参数选取的方法.

      关键词:

泵送混凝土；配合比；设计

      中图分类号：

U414．18  文献标识码:

A  文章编号:

1006—3528（2002）04—0011—02

      普通水泥混凝土为悬浮密实结构，其强度形成机理是*水泥的水化反应产生的凝结力获得的。

混凝土强度不仅服从水灰比定则，还要服从密实度定则.由于普通混凝土较易捣实,在某种程度容易造成把密实度看成次要因素,而只注意水灰比与强度的关系。

然而，泵送混凝土对其可泵性有特殊的要求，即:

要求砼具有建筑工程所要求的强度需求，同时要满足长距离泵送的需要。

换句话说：

就是砼在达到可泵性要求时应服从于阿布拉姆斯（D．A．Ablams）水灰比定则。

      此外泵送砼的骨料分离系数要应尽可能小。

也就是说：

砼要有足够的粘聚性，使其在运输、泵送、施工中不发生分离。

因为骨料离析，造成砂浆分布不匀，部分粗骨架空隙没有密实填充，从而使砼泵送时发生堵塞和砼工程质量强度没有达到设计要求。

故此，砼配合比的设计尤为重要.

      1泵送砼配合比的设计原则

      a．建立稳定骨架所需骨料用量原则；

      b．最大限度密度填充原则；

      C．混凝土可泵性原则；

      d．骨料离析系数最小原则。

      2配合比设计思路

      a．以一定数量的粗骨料（5mm一50mm）形成密布的骨架空间网格，以相当数量的细骨料（小于5mm）最大限度地填充骨架空隙，以胶凝材料浆体最大限度地填满粗骨料和细骨料的间隙，并包裹粗、细骨料的颗粒，形成均匀密实的混凝土，以满足强度和耐久性的要求.为此，本文将引入两个泵送砼配比新参数，即砂料裕度系数K和灰浆裕度系数a。

所谓砂料裕度系数就是指砂料振实的当量数与石料振实的当量之比。

所谓灰料裕度系数是指灰料振实的当量数与砂料振实当量数之比；

      b．泵送砼对粗骨料有特殊的要求。

如125输送管要求可用卵石最大粒径为40mm，碎石为30mm，150输送管要求砼所用卵石最大粒径为50mm，碎石为40mm。

同时,泵送砼对粗骨料的级配也十分敏感。

主要原因就是粗骨料的外形及粒径大小直接关系到其表面积及包裹物对其的附着力,从而影响细骨料和灰浆的使用量。

本文引入不同于传统的参数的目的，就是为了更加准确地定义各参数的物理意义，以利操作。

      根据以上思路，参考绝对体积设计法,有方程如下：

      3配合比设计系数的确定

      a．α=0．15～0．2:

当α〈0．15时，砼在输送时容易堵管；当α>0．2时，砼的空隙率会增大，输送管阻增大，保水性下降；

      b．Ks=1—1．25：

当Ks<1时，砂料不足以填充石料的空隙，包裹性差，以致砼的流动性差，可泵性差；当Ks〉1．25时，砂料过多，消耗水泥较多，以致砼流动性下降．可泵性也差；

      C．K=0．4～0．6,当K<0．4时，砼的坍落度较低．可泵性下降；当K〉0．6时，砼的强度下降,同时容易造成离析,造成堵管；．

      d．Kf=0．1~0．3，当Kf<0．1时,砼经济性较差；当Kf〉0．3时，砼强度受到影响.

      4本设计方法的特点

      a．把泵送砼的可泵性和强度放在同一高度加以考虑,通过各系数的平衡选定达到对泵送砼的性能控制；

      b．以砂料裕度系数Ks，代替传统控制要素砂率P，避免了双重富裕或砂料并不富裕，甚至短缺的弊端.同时理顺了各物理量的关系，避免了因参数物理意义不明确而产生的选取时的盲目性和关系复杂性.

      从上式知：

当Ps大时，Ks也可能小于1。

从而造成填不满石料间隙或不能包裹石料以致砼泵送时将可能发生堵管的现象；

      C．设计参数分工明确，从而达到了复杂问题处理简单化。

S的正确选取可调整泵送砼的可泵性；K的选择可调整砼的强度性能;而γso和γgo.的选用将直接影响砂与石的用量等等.

      公路桥梁建设标准的提高，高质量砼的应用与日俱增,明确规定采用泵送砼的工程部位会越来越多,因此,泵送砼配合比设计显得尤为重要，期望通过探讨砼配合比设计，使大家充分认识到配合比对泵送砼的质量十分重要，任何不按科学规律办事的行为都将受到因此而带来的重大损失.

抗折强度5MPa路面砼配合比设计计算书

抗折强度5MPa路面砼配合比设计

一、原材料情况：

1。

水泥：

＊＊牌42.5R水泥。

2.砂:

河砂，中砂MX=2。

65。

容重1540kg/m3

3。

碎石：

5—20mm/20—40mm=30%/70%.

4。

水：

饮用水。

坍落度要求H=1~2。

5cm，考虑在实际生产中,考虑运输路途的运距及混凝土搅拌车的卸放料情况，把出厂坍落度设计为6cm.

5。

外加剂：

＊＊＊＊牌高效减水剂*＊**型。

水剂,掺量1。

3％

二、配合比计算过程：

1。

试配强度：

fcf,o=1.15×5.0=5.8（mpa）经验系数取1.15

2.计算水灰比（W/C）根据GBJ97—94规范的碎石公式可得：

C/W=（fcf，o+1.0079－0.3485fcef）/1。

5684=（5。

8+1.0079—0.3485×7。

97）/1。

5684=2.56故W/C=0.39（要求小于0.46）

3。

计算用水量根据GBJ97—94规范的公式可得:

mwo=104.97+3。

09H+11.27C/W+0。

61βs=170kg/m3）注：

式中砂率根据经验取29％由于使用了高效减水剂，减水率为15％,故计算用水量为mwo=170×（1—15%）=145（kg/m3）

4.计算水泥用量：

根据GBJ97—94规范的公式可得:

mco=145×1/0.39=371（kg/m3）

5.计算砂、石用量：

按假定容重法，假定容重=2400kg/m3，则每立方混凝土所需的砂、石料的总质量为2400－371－145=1884kg其中：

砂：

1884×0.29=546kg碎石：

1884-546=1338kg

6。

初步理论配合比：

mco：

mso：

mgo：

mwo：

mTOR=371:

546：

1338：

145:

5.0

三、试配结果:

按理论配合比试配出30L的混凝土，实测坍落度6.2cm，粘聚性较好、保水性良好、析水无。

容重2406kg/m3,符合规范设计要求,无需校核。

四、试压强度28天抗折强度（MPa）：

6。

0；5.7；5。

828天抗压强度（MPa）:

52。

2;52。

9；51。

1强度符合规范标准。

五、确定生产配合比：

根据理论配合比，确定生产配合比为mco：

mso：

mgo：

mwo：

mTOR=371：

546：

1338：

145：

5。

0