高石粉含量石屑全代砂混凝土的研究与应用
2020-02-23
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2011.年6 月 水运工程 Port&Waterway Engineering Jun.2011 No.6 Serial No.454 第6期 善第454期 --. 同 石粉含量石屑全代砂混凝土的研究与应用 £j 蒋雪琴 ,杨医博 ,谭世霖 ,郭文瑛 ,周启源 ,王恒昌 (1.广东省航盛建设集团有限公司,广东广州511442;2.华南理工大学土木工程系,广东广州510640; 3.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,广东广州510640) 摘要:对高石粉含量石屑(石粉含量超过10%)全代砂配制混凝土的方法进行试验研究。研究结果证明:根据普通混 凝土配合比设计的方法,以石屑中大于4.75 mrfl的部分取代石子,小于4.75 mm的部分取代河砂,通过增加胶凝材料和减水 剂用量,适当调整水胶比和砂率的方法,能够配制出满足需要的C30和C40石屑混凝土;石屑的级配对混凝土强度和工作 性能有较大的影响,应选取级配较好的石屑配制混凝土。工程应用表明:从石屑混凝土的拌制、运输、浇筑、养护等环节进 行质量控制,能够得到技术经济性优良的石屑混凝土。 关键词:石屑;石粉;石屑混凝土;配合比设计;质量控制 中图分类号:TU 528 文献标志码:A 文章编号:1002—4972(201 1)06—0020—05 Research on and application of stone chip as a substitute of river sand in concrete JIANG Xue-qin ,rANG Yi-bo ,TAN Shi-lin’,GUO Wen-ying ̄,ZHOU Qi-yuan ,WANG Heng-chang (1.Guangdong Provincial Hangsheng Construction Group Co.,Ltd.,Guangzhou 511442,China;2.Civil Engineering Department, South China University of Technology,Guangzhou 510640,China;3.State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology,Guangzhou 5 10640,China) Abstract:The experiments about the stone chip with high stone powder(the content of stone powder is larger than 10%)as a substitute of irver sand were ca ̄ied out.The results showed that the stone chip was used in preparing the C30 and C40 concrete by adding the usage of cementitious material,adding the usage of the water reducer,and adjusting the ratio of water to cementitious material and the fine aggregate percent of total aggregate. Such concretes were prepared under the condition that the particle larger than 4.75 mm in the stone chip was substituted the stone in part and the particle smaller than 4.75 mm in the stone chip was substituted the river sand in part.The grade of the stone chip had a greater influence on the workability and the strength of concrete,and the favorable grade stone chip should be used in preparing the concrete.The engineering application showes that the economic chip concrete can be made by controlling the quality of concrete during the batching,transporting, handling,and curing. Key words:stone chip;stone powde ̄chip concrete;proportion design;quality control 由于内地河砂含碱性超过澳门规范标准, 作性能和抗渗性能均满足设计与澳门施工规范的 C40石屑混凝土,码头预制梁的成品质量也符合 设计与澳门技术规范要求。码头投入使用5年来, 质量优良。 2005年l2月经澳门某码头业主和监理考察研究, 同意广东省航盛建设集团有限公司(简称航盛公 司)采用石屑全代砂配制混凝土用于澳门某码头 构造物。航盛公司采用石屑成功配制出强度、工 收稿日期:2010—12—28 石屑是采石场在机械加工碎石过程中产生的 基金项目:2006年度广东省第五批科技计划项目(200605) 作者简介:蒋雪琴(1969一),女,高级工程师,从事研发、检测及施工技术管理工作。 第6期 蒋雪琴,等:高石粉含量石屑全代砂混凝土的研究与应用 ・2l・ 副产品,国内很多学者对混凝土中石屑代砂的可 行性已进行了较多研究,取得了较多的研究成果, 设中。 并把研究成果应用于部分工程中,获得了较好的 经济效益和社会效益『l_ 。但由于岩性和生产工艺 的差异,石屑的级配和石粉含量相差较大,不同 的级配和石粉含量对石屑混凝土的工作性能和力 1石屑混凝土试验研究 采用3种石屑进行了C30和C40混凝土的研 究,研究了高石粉含量石屑替代全部河砂对混凝 土工作性能和力学性能的影响。 1.1原材料 学性能影响较大。由于对石屑性能的研究不足, 尽管石屑混凝土经过了较长时问的研究,但仍未 形成规范的配制方法,亟须进一步研究和完善。 通过对广东省多种石屑的调查分析研究,发 水泥采用广州市珠江水泥有限公司产“粤秀” 牌P・042.5R普通硅酸盐水泥,28 d抗压强度为 53.9 MPa;减水剂采用山西格瑞特化工有限公司 产FDN一1萘系减水剂,粉剂;碎石采用珠海石场 产花岗岩碎石,由10~20 mm碎石和5~10 mm碎 现广东省石屑中石粉含量(小于0.075 mm的颗粒 含量)普遍高于现有机制砂不超过10%的要求, 多数石屑的石粉含量超过10%。这类石粉含量超 石按7:3配合而成,符合5-20mm连续级配要求, 表观密度2 650 kg/m ;水采用自来水。 过10%的石屑可定义为高石粉含量石屑。为针对 高石粉含量石屑的普遍利用问题,航盛公司于 2006年与华南理工大学联合开展了广东省石屑调 查和石屑混凝土的深人研究工作并在实验室研究 的基础上,将其初步应用于某高速公路预制场建 河砂采用西江河砂,II区中砂;石屑采用来 自揭阳、增城和中山等3个石场生产的石屑,分 别称为石屑A、石屑B和石屑C。河砂与石屑的 筛分析结果与基本物理性能对比见表1和表2。 表1砂和石屑筛分结果 品种 —9.50 mm —4.75 mm 2.36 mm 墨 堕 1.18 mm 0.60 mm 0.30 mm 一 细度模数 0.15 mm 表2砂与石屑基本物理性能参数 于河砂,这主要是石屑表面粗糙和级配不良所致; 3种石屑的石粉含量均大于等于10%,均可看作 高石粉含量石屑。 1.2石屑混凝土配合比与性能 混凝土的强度等级为C30和C40,混凝土坍 落度要求70~90 1TI/lq,配制强度分别为38.2 MPa 由表1可见,石屑A含有9%大于9.5 mm的 颗粒,4.75 mm以上的颗粒非常多,石屑整体颗粒 和49.9 MPa。 C30和C40河砂混凝土的配合比采用航盛公 司某在建高速公路项目的配合比。以河砂混凝土 配合比作为基准配合比,采用3种不同石屑全部 代替河砂配制C30和C40石屑混凝土。 石屑混凝土配合比调整方法如下: 级配较差,细度模数为中砂偏粗;石屑B不含大 于9.5 mm颗粒,但粗颗粒和细颗粒均较河砂多, 中间粒径的颗粒较少,石屑的颗粒级配一般,细 度模数为中砂;石屑C含有4%大于9.5瑚m的颗 粒,细颗粒较多,颗粒级配相对较好,细度模数 为中砂偏细。 由表2可知,3种石屑的松散堆积空隙率均大 1)首先保持胶凝材料和水胶比不变,以石屑中 小于4.75 mm部分取代全部河砂,大于4.75 mm部 分取代5~10 mm石;如石屑中大于4.75 mm部分过 ・22・ 水运工程 多,超过5~10 mm石用量后,则多余部分用于取代 砂,即石屑用量等于原有砂和5~10 mm石总量。试 3)待混凝土工作性能满足要求后,制作试 件,测定混凝土抗压强度。 按上述方法进行混凝土试配和调整,得到 配混凝土,检测混凝土的工作性是否满足施工要求。 2)如混凝土工作性能不满足要求,则在保持 水胶比不变的情况下,适当增加胶凝材料和减水 C30和C40石屑混凝土配合比及性能,分别见表3 和表4。编号中的A、B、C分别指采用石屑A、 剂用量,可辅以适当调整水胶比和砂率,试配混 凝土,测定混凝土工作性能。 B、C的混凝土。砂率指石屑中4.75 mm以下颗粒 与全部砂石质量的比值。 表3 c30石屑混凝土配合比及性能 由表3和表4可见,采用上述石屑混凝土配 梁场约37 650 ITI ,混凝土拌合站、钢筋加工场等 设施。采用石屑混凝土建设的设施包括小箱梁生 产线、空心板生产线、存梁场建设、钢筋加工场 场地硬化等设施,共使用石屑混凝土2 960 m3。 2.1原材料 水泥采用英德龙山水泥有限公司“海螺牌” P・Ⅱ42.5R硅酸盐水泥;减水剂采用深圳市五山建 材实业有限公司N型普通减水剂,水剂,固含量 为30.5%;碎石南5~16 mm碎石和l6~31.5 mm 合比调整方法,能够制备出工作性能和强度等级 满足要求的石屑全代砂混凝土;与河砂混凝土相 比,石屑混凝土需要较多的胶凝材料和减水剂用 量,且28 d强度较低。石屑级配越好,则胶凝材 料和减水剂用量增幅较小,且混凝土28 d强度较 高。从混凝土技术性能和经济性综合考虑,宜选 用级配较好的石屑。 2石屑混凝土工程应用 碎石按质量比为7:3配合而成,搭配后的碎石符合 5~31.5 mm连续级配要求;水采用自来水。 砂采用河砂,为Ⅱ区中砂。石屑采用来自3 个石场的石屑,分别称为石屑D、E和F。河砂与 为了检验高石粉含量石屑混凝土的实际使用 性能,航盛公司在某高速公路预制场的建设中, 采用了C30石屑全代砂混凝土。预制场建设占地约 88 750 m ,包括小箱梁生产线2条,面积172 mx 27 1TI;空心板生产线1条,面积164 m ̄27 1TI;存 石屑的筛分析结果与基本物理性能对比见表5和 表6 表5砂和石屑筛分结果 石屑D 石屑E O O 0 l 28 49 61 76 77 93 89 85 3.3 l9 49 3l 3_3 2.R 石屑F lO 43 65 第6期 蒋雪琴,等:高石粉含量石屑全代砂混凝土的研究与应用 ・23・ 表6砂与石屑基本物理性能参数 于河砂,这主要是石屑表面粗糙和级配不良所致; 3种石屑的石粉含量均大于10%,为高石粉含量 石屑。 2.2石屑混凝土配合比与性能 混凝土的强度等级为C30,以河砂混凝土配 合比作为基准配合比,采用3种不同石屑全部代 由表5可见,石屑D、E、F均不含有大于 替河砂配制C30石屑混凝土。采用前述的石屑混 凝土配合比调整方法,得到混凝土配合比见表7。 编号中的D,E,F分别指采用石屑D,E,F的混 凝十 9.5 mm的颗粒,但石屑E和F中4.75 mm以上的 颗粒较多。总体看来,石屑D的颗粒级配较好。 南表6可知,3种石屑的松散堆积空隙率均大 表7 C30石屑混凝土配合比及性能 对上述3个石屑混凝土从工作性能、力学性 能和经济性等进行对比分析,最终选取SX—D作 凝土的人模坍落度宜控制在90 mm以上;考虑到 石屑混凝土坍落度经时损失相对较大,成型的时 间应相对缩短。此外,由于石屑多棱角,石屑混 凝土表面不易抹平,应采用二次光面的方法,这 样一方面能够提高石屑混凝土表面的光泽度和平 整度,另一方面也有利于防止裂纹的出现。 为最优的混凝土配合比,进行石屑混凝土施工。 2.3石屑混凝土质量控制 对于高石粉含量石屑混凝土,南于其石粉含 量较高,在混凝土施工时,需从混凝土拌制、运 输、浇筑、养护等4个方面进行质量控制,以保 证石屑混凝土质量。 4)由于石屑中石粉含量大、胶凝材料用量 多,如养护不良,石屑混凝土易出现收缩开裂, 因此要特别注意前期的养护工作,而且养护时问 不宜低于7 d。 1)在混凝土拌制时,需对搅拌时间和投料顺 序进行严格控制。在搅拌石屑混凝土时,现场采 用强制式搅拌机进行拌和,投料顺序为:先投入 碎石、石屑和水泥,拌和30s后;再投入减水剂 2.4石屑混凝土技术经济分析 根据项目所在地材料价格的情况分析,石屑 价格为26元/rTl3,河砂价格为58元/H1],采用石屑 代替河砂配制混凝土,每m 混凝土的材料直接成 本降低约5元,石屑混凝土具有一定的经济优势。 和水,然后搅拌直到均匀,总搅拌时间在120 S以 上。 2)由于石粉含量高,石屑混凝土较河砂混凝 土的粘聚性好,但石屑混凝土的坍落度经时损失 如果在配合比中用掺合料代替部分水泥,则石屑 混凝土的成本可进一步降低。 此外,经过对工程中留样的l6组C30石屑混 较大,30 cIC时30 arin的混凝土坍落度损失较河砂 混凝土大15~25 mm,1 h石屑混凝土坍落度损失 较河砂混凝土大25~35ram。因此,在石屑混凝土 凝土28 d试件进行初步统计,石屑混凝土平均强 度为41.5 MPa,标准差只有1-3 MPa,石屑混凝土 配合比设计时要考虑运输过程中的坍落度损失, 且宜控制石屑混凝土的运输距离在l h之内。 质量稳定。 综上所述,高石粉含量石屑混凝土具有良好 的技术经济性能。 3)由于石屑混凝土较河砂混凝土黏稠,坍落 度较小的石屑混凝土振捣较为困难,因此石屑混 ・24・ 水运工程 3结论 参考文献: 【l】吴树敏,杨医博,彭怡欣,等.石屑混凝土研究进展【J】. 建筑技术,2010(1):67—70. 1)对于高石粉含量石屑,可通过把石屑中 4.75 mm以上部分代替5~10 mm石子,4.75 mm 以下部分代替河砂的方法,通过增加胶凝材料和 [2]李建,谢友均,刘宝举,等.石灰石石屑代砂混凝土配制 技术研究IJJ.建筑材料学报,2001(4):89—92. 减水剂用量,对水胶比和砂率进行微调,配制出 强度等级和工作性能满足要求的C30和C40石屑 全代砂混凝土。 2)石屑的级配、颗粒形状对混凝土的工作性 能、强度和经济性有较大的影响,应选用级配较 好的石屑。 【3]陈清志,崔冕昌.石屑代砂配制C50预制件商品混凝 土[J1.铁道建筑技术,2003(1):50—52. 【4]罗永会,高振国,金树新.石屑用于普通混凝土的可行 性研究【Jj.建筑技术,2004(1):39—40. [5]陈延兵.石屑混凝土配合比设计初探叨.工程与建设,2006 f61:779-783. 3)石屑混凝土具有较好的粘聚性,且坍落度 【6]张日恒,苏敬军.石屑代替河砂配制混凝土的试验与研 究【J1.山西建筑,2007(3):174—175. 【7]洪锦祥,蒋林华,肖玉明,等.石屑代砂混凝土试验研 究[J】.水利水电科技进展,2003(2):38—40. 【8]吴俊明.石屑混凝土的应用[J].科技资讯,2009(1 1):233. 损失较大,可通过增加混凝土初始坍落度、减少 运输时间等减少其不良影响。 4)在本工程应用条件下,石屑混凝土较河砂 混凝土的直接成本降低5元/m ;从降低工程成本、 节能减排和保护资源出发,应加大对石屑混凝土 研究和推广的力度。 (上接第15页) (本文编辑郭雪珍) 5结论 性理论的有限元方法的计算结果的可靠性,依赖 于精确的土工试验和软件使用人员的分析经验, 所以应当慎重采用。 1)利用PLAXIS有限元软件可以得到板桩结 构的内力状态:板桩的变形、板桩弯矩和剪力分 布、桩的土压力分布,而且还可以分析荷载作用 下板桩墙后的地基土的沉降和应力状况。这些结 果都可以为设计和施工提供参考。 2)基于弹塑性理论的PLAXIS非线性有限元 参考文献: [1】陈万佳.港口水工建筑物[IⅥ】.北京:人民交通出版社,t99Z 【2】A P S赛尔瓦杜雷.土与基础相互作用的弹性分析【M】. 北京:中国铁道出版社,1988. 【3]Dawkins W P.Computer program for winkler soil-structure interaction analysis of sheet pile retaining walls【R].Vicks- burg MS:US Army Engineer Waterways Experiment 法是对真实物理系统的仿真,只要板桩系统的模 型参数输入正确,它得出的结果将是3种方法最 精确的;另外,计算过程也比现行板桩规范推荐 的弹性线法和m法简便。 3)现行板桩规范的计算方法偏重于结构力 Station,1 992. Vaziri H H.Numerical study of parameters influencing the 学,将岩土对结构物的作用简化成力或约束,实 际上岩土是弹塑性材料,其对结构物的作用是比 较复杂的,因此,这种简化不可避免带来误差。 随着有限元法进入岩土工程领域,岩土工程有限 response offlexible retaining walls[J].Canadian Geotechnical Journal,1996,33:290—308. [5】李元音,刘永绣.遮帘式板桩码头结构的空间有限元法 分析【j】.港工技术,2005(12):37—40. 【6]李荣庆,贡金鑫.板桩结构非线性有限元分析[J】.水运 工程.2010(2):1 13—1 16. [7】裴张兵,王云秋.板桩码头计算方法的分析比较[J].水 运工程.1998(1 1):6—9. 元程序逐渐成为分析岩土问题的方便工具,且计 算分析结果更精确可靠。板桩码头内力分析属于 岩土工程范畴,因此,建议对于板桩结构内力计 算,有条件可以采用基于弹塑性理论的岩土工程 非线性有限元方法进行校核。当然基于岩土弹塑 (本文编辑武亚庆)