三种砂搭配使用在混凝土工程中的研究应用

文摘 2024-09-12 07:02 河南

引言

近些年来，伴随着混凝土行业的快速发展，天然砂石的需求量也越来越大。天然砂受运输和资源的限制，常常处于供不应求的状态。天然砂资源是一种地方资源、是短时内不可再生且不适合长距离运输的，随着基本建设的日益发展，在我国不少地区出现天然砂资源逐步减少、甚至无天然砂的状况，混凝土用砂供需矛盾尤为突出，而砂的价格越来越高。所以，如何缓解砂供需矛盾是一个越来越值得考虑的问题。利用尾矿或废料配制满足混凝土技术要求的混合砂是解决这个问题的方法之一。本文将高石粉机制砂、铁尾矿砂与天然砂进行搭配使用，系统研究了三种砂按不同比例组成的混合砂的配合比设计以及混凝土性能检测。

1 三种砂搭配方案的确定

1.1 三种砂的性能特点

①高石粉机制砂是山碎石生产过程中产生的粒径在5mm以下的颗粒，高石粉机制砂整体颗粒级配较细，仅肉眼观察石粉含量就非常之高。高石粉含量会使混凝土黏度增加，流动性变差。

②铁尾矿砂是铁矿开采出的矿石磨细后，经选矿厂选出有价值的精矿后产生的细砂一样的废渣。由于尾矿砂整体级配中2.36mm以上的颗粒较多，在配制混凝土时混凝土的和易性很差。

③天然砂总体的级配良好，含泥量偏高。在实际生产中，天然砂的含泥量和细度模数波动非常大，这对混凝土黏聚性、坍落度损失影响很大。

1.2 三种砂性能试验及结果分析

砂子级配是否合理是影响着混凝土工作性能的重要指标。所以首先要针对三种砂搭配使用做筛分试验，分析清楚混凝混合砂的级配情况以便进行混凝土的试配工作。

通过对这三种砂的筛分试验可知：天然砂总体的级配良好，但是天然砂含泥量偏大，而且天然砂的来源不稳定，质量波动较大；尾矿砂粗颗粒比较多，细颗粒少整体偏粗，2.36mm以上粒级的颗粒占到了总体的40%以上，单独使用铁尾矿砂的混凝土必然会造成混凝土和易性不良的情况；高石粉机制砂是这三种砂里面最细的，0.3mm以下的颗粒占总体的50%以上，使用高石粉机制砂单独配制的混凝土黏度较大、影响混凝土的泵送情况。综上所述，以上三种砂若都单独配制混凝土，均会影响混凝土的质量。所以根据筛分的结果，考虑使用按一定比例的三种砂搭配拌制混凝土。

1.3 搭配方案的确定

综合现有对高石粉机制砂和铁尾矿砂的研究及生产实际情况的考虑将三种砂搭配中天然砂的比例固定为40%，高石粉机制砂占例从15%～45%依次确定出4个不同比例的混合砂的搭配方案。然后将这四种搭配方案的混合砂再次进行筛分试验，其结果如表1所示。

通过不同比例的混合砂筛分试验可知，三种砂搭配的混合砂很好的中和了各个砂的优缺点，使混合砂的级配更加趋于合理。下一步将这四种混合砂的搭配方案进行混凝土的试配试验。

2 掺加混合砂的混凝土配合比设计及试配

2.1 试验用原材料

2.1.1 水泥：试验用水泥采用涞水冀东生产的P·O42.5水泥，3d抗压强度24.6/MPa，28d抗压强度53.8/MPa。

2.1.2 粉煤灰：河北唐山Ⅱ级粉煤灰，其细度为18/%，烧失量2.8/%，需水量比99/%。

2.1.3 矿粉：河北唐山港陆S95级，其流动度比为100/%，28d活性指数为101/%。

2.1.4 砂：四种不同比例的混合砂。

2.1.5 石：选用涞水5～25mm连续粒级碎卵石。

2.1.6 外加剂：河北合众建材有限公司生产的高性能聚羧酸减水剂。

2.2 试验过程

考虑到生产的实际情况，特选用C20、C30、C40三个强度等级的混凝土作为代表进行试配试验，这三个强度等级混凝土的基准配合比如表2所示。

在基准配合比的基础上每个强度等级的混凝土再分别选取4种不同比例混合砂进行混凝土的配制试验，具体三种砂的搭配方案如表3所示。

通过上述的混凝土基准配合比以及三种砂的搭配方案进行混凝土的配制，并针对混凝土拌和物依据相关标准进行拌和物性能试验和相关耐久性试验。

3 试验结果分析

3.1 通过对四种不同比例的混合砂进行筛分试验可知

四种不同比例的混合砂的细度模数均在中砂的范围内，且随着高石粉含量机制砂比例的增加，混合砂的细度模数呈下降的趋势；高石粉含量机制砂和铁尾矿砂刚好弥补彼此之间的缺点，从而使混合砂总体不会出现“两头大，中间小”的情况。

3.2 三种砂按比例搭配使用能很好地提高混凝土的工作性能

对于C20强度等级的混凝土，当三种砂搭配的比例为35:25:40（高石粉机制砂:铁尾矿砂:天然砂）时混凝土的工作性最佳，且明显强于天然砂单独配制的C20混凝土。当三种砂采用这个比例混合搭配时，混合砂中的石粉含量较高，使得胶凝材料和石粉组成的浆体也有了提高，浆体可以很好地填充砂粒之间的空隙增强了混凝土的流动性，提高了混凝土的工作性。

C30强度等级的混凝土当三种砂搭配的比例为25:35:40（高石粉机制砂:铁尾矿砂:天然砂）时混凝土的工作性最佳，这个比例搭配的混合砂对比天然砂有更好的级配，更加有利于混凝土的和易性。

C40强度等级的混凝土当三种砂搭配的比例为15:45:40（高石粉机制砂:铁尾矿砂:天然砂）时混凝土的工作性最佳，随着高石粉含量机制砂用量的增加，混凝土的黏度越来越大，流动性也逐渐变差，非常不利于混凝土的泵送。

使用三种砂混合搭配的配制的混凝土的强度明显要高于使用天然砂单独配制的混凝土的强度。高石粉含量机制砂与铁尾矿砂均属于人工砂，人工砂相对于天然砂而言表面粗糙不光滑，颗粒的形状棱角多，与胶凝材料的黏结性较好，所配制成的混凝土的强度也就相对较高。混凝土中砂粒之间的空隙是由胶凝材料浆体所填充的，三种砂混合搭配使用使砂的级配更加的趋于合理，砂粒之间的空隙也相应的减少，这样也有利于提高混凝土的强度。

三种砂搭配使用的混凝土的抗渗性能均非常良好。混凝土的抗渗性与混凝土中孔的结构有关系，而三种砂搭配使用时砂的级配非常良好且石粉含量较高，所以能与胶凝材料一起很好的填充混凝土的空隙，从而获得良好的抗渗性。而石粉也能加速C₃S的水化，并与C₃A和C₄AF反应生成结晶水化物，并能改善水泥石的结构，因此抗渗性能也能得到提高。

4 结束语

三种砂搭配使用是可以用于混凝土生产的，并且用三种砂搭配组成的混合砂相比天然砂有更好的级配，三种砂搭配可以得到不同细度模数的混合砂，可以分别用于配制不同强度等级的混凝土。高石粉机制砂与铁尾矿砂的质量相对稳定，三种砂搭配使用使混凝土的整体稳定性增强，有助于混凝土的质量控制。使用三种砂搭配的混凝土具有良好的和易性，使混凝土的流动性增强，加大混凝土的包裹性，混凝土不会产生泌水现象，而且提高了混凝土的强度，抗渗性能也非常良好。

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