CN104230223A - 一种用机制砂配制的高强、免振自密实混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机制砂配制的高强、免振自密实混凝土，主要由水、胶凝材料、机制砂和碎石组成，其特征在于，其主要技术参数如下，混凝土中水胶比为0.21~0.32，水粉比：0.65~0.83，砂率：44%~60%，单位浆体体积量：0.45~0.53。本发明机制砂配制的高强、免振自密实混凝土具有高流动性、不离析、均匀性和稳定性，浇筑时依靠其自身重量流动，无需振捣而达到密实，在施工过程中克服截面转换中开裂的问题，实现了降低劳动量、加快施工速度、减少施工噪音、节约建筑成本等一系列目标。

Description

一种用机制砂配制的高强、免振自密实混凝土

技术领域

本发明涉及一种机制砂配制的混凝土，特别涉及一种机制砂配制的高强度混凝土，尤其是机制砂配高强、免振自密实混凝土。 

背景技术

混凝土是建筑市场中最大宗的消耗性材料，其中高强混凝土更是在超高层建筑中得到广泛应用的基础建材。随着我国城市建设步伐的加快，混凝土用量、砂石的消耗量极为惊人。目前我国多数地区配制高强混凝土使用的是天然砂，然而天然砂的资源在短时间内是不可再生的。为此国务院和各地政府相继采取一系列控制措施，并出台了禁采或限采天然砂的规定，例如2001年国务院颁布了《长江河道采砂管理条例》规定从2002年开始，整个长江采砂量控制在每年5000t。湖北省恩施州的天然砂资源已经枯竭，无砂可用。随着基本建设的日益发展，天然砂短缺的状况越发的突显，严重制约了工程建设的进度和质量。 

据统计2001年发布的国家标准GB/T14684-2001《建设用砂》规定，机制砂中粒径小于75um的颗粒划入石粉范围，机制砂中石粉含量的限值按照混凝土强度分级确定。用于C60以上混凝土的机制砂，其石粉含量限制在3％以下；对于强度等级为C30～C60的混凝土及有抗冻、抗渗或其他要求的混凝土，机制砂中石粉含量限制在5％以下；对于强度等级低于C30的混凝土和建筑砂浆，机制砂中石粉含量限制在7％以下。 

但是，目前人们对机制砂研究还比较匮乏，缺少科学的认识，难以接受机制砂石粉，存在机制砂质量不如天然砂的误解。有的地区或部门唯恐石粉或机制砂影响工程质量，限制机制砂的应用范围，更有甚者在建施工招标文件规定：“C30(不含C30)以上混凝土墩高30m及以上的桥梁墩身，桥梁上部构造混凝土均不得使用机制砂，必须使用天然砂……”。种种不接受石粉乃至不接受机制砂的现象，严重制约了机制砂的研究与应用。 

虽然，中国行业标准《普通混凝土用砂石质量标准及检修方法》(JGJ52)将机制砂中的石粉含量放宽，即将强度等级放宽为5％(大于等于C60)、7％(介于C30～C60之间)、10％(小于C30)。对机制砂的应用起到了一定的促进作用，但是行业内普遍缺少对机制砂的了解，具体应用中更是无从下手。 

另外，由于机制砂含有石粉的特性，直接按照天然砂的配比，混合得到的混凝土常常会 出现泌水、离析等问题，而且机制砂对于高强混凝土的外加剂也十分敏感，导致机制砂难以应用在高强混凝土的配制中。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术对机制砂的偏见，针对应用机制砂配制的高强混凝土容易泌水、离析，对于外加剂敏感等问题，提供一种性能优越的机制砂配制的混凝土，尤其是一种机制砂配制的高强、免振自密实混凝土。并在优选情况下，确保用机制砂配制的高强混凝土具有良好的流动性、易振捣均匀性，并克服截面转换中开裂的问题。最终实现降低劳动量、加快施工速度、减少施工噪音、节约建筑成本等一系列目标。 

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案： 

一种机制砂配制的混凝土，主要由水、胶凝材料、机制砂和碎石组成，其特征在于，其主要技术参数如下， 

混凝土中水胶比为0.21～0.32， 

水粉比：0.65～0.83， 

砂率：44％～60％，优选为50％～58％， 

单位浆体体积量：0.45～0.53。单位浆体体积优选为0.47～0.49，最优选单位浆体体积为0.473～0.487之间。 

水胶比的选择对混凝土设计强度的有着极其重要的影响，水胶比越小，胶凝材料占比越大，则混凝土强度越高，相反则混凝土的强度越低。但是水胶比变小，也会使混凝土的浆料的黏度上升，凝固性加快，流动性不佳，进而不方便运输及浇筑施工，甚至可能因为凝固过快引起混凝土中空气无法有效排出，产生孔洞大大降低混凝土的强度，所以高强混凝土对于水胶比的选择尤其应当慎重，且机制砂由于圆润性低、棱角多，其配制混凝土时更是容易降低混凝土的流动性、易和性，本发明选择水胶比为0.21～0.32，可以有效的保障机制砂配混凝土凝固强度及流动性。 

进一步，优选水胶比为0.21～0.27，在此范围内混凝土的强度不但不会因为胶凝材料的占比下降导致强度降低，反而因为空气排空效果更佳，强度更高。进一步，所述胶凝材料为水泥，水胶比优选为0.21～0.24。所述胶凝材料为水泥和掺和料，所述掺和料为粉煤灰、矿粉和硅粉中的一种或多种。优选胶凝材料由水泥、粉煤灰、矿粉和硅粉配制而成，其中水泥、粉 煤灰、矿粉和硅粉的比例为74:11:11:4。特别优选水胶比为0.24，可以提高水泥的利用效率使之达到最大化，运用最少的水泥材料得到最佳的混凝土配合比，并确保混凝土的各种性能指标。 

用于高强混凝土的掺和料包括粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰、钢渣粉和磷渣粉，掺和料的合理使用，能有效提高新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的耐久性，掺和料能大大减少混凝土内部由于温度和收缩应力而产生的裂缝，提高混凝土的密实性和抗渗能力 

水粉比主要影响混凝土的自密实性，在水胶比相同的情况下，水粉比越大，混凝土的自密实性越好。进一步，水粉比优选为0.67～0.75，水粉比是检验混凝土自密实的主要指标，调整水粉比在0.67～0.75之间，在确保混凝土强度的情况下，可满足混凝土具有做最好的自密实性能。更优选水粉比0.7～0.74之间。特别优选水粉比为0.72，混凝土强度可以在最佳自密实性能和高强度之间达到完善平衡，达到更好的工作性能。 

砂率：SP＝砂的用量S/(砂的用量S+石子用量G)×100％是质量比。砂率的变动，会使骨料的总表面积有显著改变，从而对混凝土拌合物的和易性有较大影响。机制砂由于表面多菱角，表面大于天然砂，在混凝土配制过程中需要特别考虑提高砂率，从而使混凝土具有良好的工作性，提高机制砂制备的混凝土的工作性能及其它各项技术指标。进一步，优选砂率为50％～57％。砂率的选用主要与砂及碎石本身的级配有直接关系，采用机制砂时，根据机制砂本身的特点，混凝土砂率的选用适当放大。特别优选砂率：57％。进一步，优选机制砂细度模数2.5-3.0。另外，采用最大公称粒径相对较小的碎石时，砂率应适当增加。进一步，优选的机制砂的MB值小于1.4。 

进一步，所述机制砂中石粉小于10％，石粉的含量对混凝土力学性能基本上无影响，石粉可以促进混凝土的流动性，但是如果石粉的掺量过高，对混凝土的体积稳定性及耐久性会产生不利影响，所以均衡之下选用石粉含量小于10％的机制砂较为适宜。优选石粉含量为5％～9％，可以保证混凝土的稳定性和耐久性都表现较好，同时混凝土的流动性和原料成分控制也比较理想。 

单位浆体体积量主要是对混凝土的泵送性能影响较大，筛选合适的浆体体积比例可以很好的改善混凝土的抗离析性能、通过钢筋间隙等各项性能。优选的浆体体积量以0.47～0.49范围为宜。过高的范围会导致混凝土粘聚性增强，不利于混凝土的工作性，过低的量会导致高强混凝土的强度无法保证，同时会影响混凝土的包裹性。特别优选单位浆体体积量：0.487，在保证混凝土的粘聚性的同时，工作性也达到最优比，实现高、大流态、免振自密实的效果。 

进一步，综上优选一种机制砂配制的混凝土，主要由水、胶凝材料、机制砂和碎石组成，其主要技术参数如下，混凝土中水胶比为0.21～0.27，水粉比：0.67～0.75，砂率：50％～58％，单位浆体体积量：0.47～0.49。 

进一步，所述混凝土中还含有外加剂，所述外加剂为高保坍、高减水复合型外加剂。所述外加剂的用量为胶凝材料的2.5％～3.2％，优选为3.0％。选用特别的强效外加剂：减水剂、保坍剂时，也可以调整外加剂的用量为胶凝材料的1％～2.5％，优选为2.1％～2.4％。 

进一步，所述外加剂包括减水剂、保坍剂等。减水剂可以是萘系减水剂或聚羧酸系减水剂，优选为聚羧酸系减水剂。优选的，其中减水剂：保坍剂＝7～5：1～3。 

进一步，所述粉煤灰为II级F类粉煤灰、所述矿粉和硅粉分别为S95级粒化高炉矿渣和硅灰。II级F类粉煤灰经过脱硫处理，应用到高强混凝土中可以消除硫分对混凝土的老化加快作用，有效发挥出粉煤灰减少水泥用量，增强混凝土流态及强度的效果。 

S95级粒化高炉矿渣粉，是经过水淬处理的高炉矿渣，具有高细度，高活性的粉料。可有效提高混凝土的抗压强度，对抑制碱骨料反应，减少混凝土早期温度裂缝和抗侵蚀能力有明显效果。 

进一步，对外加剂的复配方案进行微调整，采用保坍型外加剂时，混凝土各性能指标良好。 

进一步，所述混凝土材料的性能指标满足以下一项或多项： 

坍落扩展度大于700mm，保证混凝土的粘聚性能和保水性，使浇筑过程中的混凝土品质始终能够很好的保持一致性。最好是大于等于720mm。 

T50流动时间检测，时间小于10秒，最好是小于等于8秒。 

V漏斗通过时间小于20秒，最好是小于等于16秒。 

U型箱试验填充高度差(隔栅型障碍为2型)(mm)小于5mm，最好是小于等于2mm。 

混凝土28d强度大于70MPAa，最好是达到了90.0MPa，耐久性满足要求。 

与现有技术相比，本发明的有益效果： 

1.本发明用机制砂制备的混凝土为高强度混凝土，性能优越，具有良好的流动性、易振捣均匀性。 

2.本发明并克服现有机制砂配制混凝土浇筑成型后，墙体截面转换中开裂的问题，提高了建筑的品质。 

3.本发明克服了天然砂原料匮乏，机制砂应用困难等问题，实现降低劳动量、加快施工速度、减少施工噪音、节约建筑成本等一系列目标。 

具体实施方式

本发明中部分专业名词解释如下：

砂率，是混凝土中砂质量比上砂质量加石材质量之和。 

水胶比，是水的质量比上胶凝材料的质量比。所述胶凝材料包括水泥和掺和料，所述掺和料为粉煤灰、矿粉和硅粉。 

单位体积浆体量占比，是指单位体积混凝土中水、外加剂及粉体的体积之和的占比。例如1立方的混凝土中水、外加剂及粉体的体积为0.512m³，则占比为0.512。 

水粉比，是指单位体积拌合水与单位体积粉体量的体积之比。如混凝土配制过程中，单方混凝土中水用量为0.16m³，粉体体积为0.23m³，则水粉比为0.70。 

一种机制砂配制的混凝土，主要由以下成分组成，水、胶凝材料、机制砂、碎石组成，其主要技术参数，该混凝土中水胶比为0.24，水粉比：0.72，砂率：57％，单位浆体体积量：0.487。 

优选的，在配制C70高强大流态混凝土时，选用石粉含量在(7±2)％的机制砂。 

优选的，在配制C70高强大流态混凝土时，使用水泥掺加II级F类粉煤灰、S95级粒化高炉矿渣和硅灰作为掺和料，各胶凝材料比例为74:11:11:4，水胶比为0.24。 

优选的，在固定水胶比的情况下，当混凝土砂率增大，混凝土强度无明显变化，当采用砂率57％，各工作性指标可满足免振混凝土的工作性要求。 

优选的，对外加剂的复配方案进行微调整，采用保坍型外加剂时，混凝土各性能指标良好。 

优选的，各性能指标为坍落扩展度720mm，T50检测结果为8s，V漏斗通过时间16s，U型箱试验填充高度差(隔栅型障碍为2型)(mm)为2mm，混凝土28d强度达到了90.0MPa，耐久性满足要求。 

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。本发明中未特别说明的比例均为重量比。 

机制砂的原料筛选及测试方法 

1.机制砂的筛分试验和细度模数计算 

按标准JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》6.1规定的方法，制取500g试样，用套筛(4.75mm、2.36mm、1.18mm、1.6mm、0.3mm、0.15mm方孔筛各一只，并附有筛底和筛盖)进行筛分，称出各号筛的筛分量，计算分计筛余百分率和累计筛余百分率，然后计算细度模数。 

2.机制砂亚甲蓝MB值得测定 

按照之(JGJ52-2006)6.11节规定的方法，制取2.36mm以下的砂样200.0g。测试试样亚甲蓝MB值。 

3.机制砂石粉含量和天然砂泥量的测定 

制取2个500g的砂样在清水中侵泡2h，按照JGJ52-2006之6.8节规定的方法测定。 

4.泥块含量的测定 

烘干冷却，筛除小于1.18mm的颗粒后，取200g试样，浸泡24h用手在水中碾碎泥块，按照JGJ52-2006之6.10节所规定的方法测定。 

5.压碎指标法坚固性试验 

按照JGJ52-2006之6.12节规定的方法筛分成4.75.0～2.36mm、2.36～1.18mm、1.18～0.6mm 和0.6～0.3mm四个粒级，每级1000g备用。取单粒级试样300g倒入受压钢模后放置压块，按该标准6.12.4规定的方法加荷至25kN后卸荷，用该粒级的下限筛对压过的试样进行筛分，按规定计算单粒级压碎值指标。取三次试验结果的算术平均值为单粒级压碎值，取四级砂样压碎值指标值的加权平均数作为砂的压碎值。 

6.表观密度的测定 

制取300g试样装入容量瓶，注入冷开水至接近500ml的刻度静置24h，按照GB/T14684-2001之6.2节规定的方法进行测定，去两次试验结果的算术平均值。 

7.堆积密度与空隙率的测定：按JGJ52-2006中6.5节规定的方法进行测定。 

8.水泥标准稠度用水量、凝结时间、安全性检验方法 

依据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安全性检验方法》(GB/T1346-2001)进行，将水泥、石粉和/或FA按设计比例混合500g，先按不变水量法(142.5ml)试验，初步测定其中一个试样的标准稠度用水量，然后用调整水量法逐个测定全部试样的标准稠度用水量。 

9.水泥胶砂流动度的测定 

依照GB/T2419《水泥胶砂流动度测定方法》，采用高60mm、上口内径70mm和下口内径100mm的截锥圆模，提模跳桌跳动30次，测砂胶底面最大扩散直径及与其垂直直径的平均值。 

10.水泥胶砂强度试验方法 

依照GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)(idt ISO 679:1989)，一锅砂胶成三条40mm*40mm*160mm棱柱试体，每锅材料需用量为水泥450g、标准砂1350g、水225g。每组6条试体，至3天龄期时取其中一锅的二条试体和另一锅的一条试体测试胶砂前度，余下三条试体在28天龄期时测试胶砂强度。三条试体测试抗折度后，折断成六个试块用于测试抗压强度。 

11.混凝土性能测试及指标 

混凝土性能包括流动性、抗离析性和填充性，主要采用以下实验进行检测：坍落扩展度试验、T50流动时间，L型仪，V漏斗试验(T50试验)和U型箱试验、全量仪进行检测，见下表1。 

表1 

实施例1 

筛选测试机制砂原料(机制砂特性分析) 

由于制砂母岩的岩性、物理力学性能千差万别，各砂厂工艺、设备也各有异同，导致生产出来的砂各指标均存在差异，以下15个砂样为随机抽样，从检测结果及图片来看，白云石母岩采用立式圆锥破工艺生产出来的砂级配基本接近JGJ52-2006中II区中砂的要求，颗粒丰满度良好，石粉含量约10.0％，孔隙率小。白云质中度风化母岩采用锤破工艺生产出来的砂超径多，0.63mm筛上颗粒均超出标准曲线，颗粒针片状偏多，石粉含量约8.5％。贵阳地区石灰石质母岩矿山岩层薄，夹层含泥的情况，生产出来的砂粒径不理想，MB值已超过限值，最高达1.5，颗粒级配出现堆积现象。三种砂石粉性能相比较，无风化白云石母岩制砂中的石粉胶砂流动度比高，吸水率低。 

表2 机制砂试样筛分结果和细度模数 

实施例2 

研究不同机制砂及其石粉对混凝土性能的影响 

结合照福、鸭冲、睿邦砂的检测结果，对比不同岩石生产机制砂及其在生产过程中产生的石粉对C60泵送混凝土工作性及强度的影响，与天然砂相比，机制砂颗粒粗糙、棱角多、级配较差，另机制砂中石粉含量越高、其砂浆流动性越小，为改善石粉含量对流动性的降低，试验中所配制的混凝土均选用聚羧酸系高性能减水剂，相关参数见表3中试验用机制砂对C60泵送混凝土工作性及强度的影响。 

表3 

从表3来看，在满足基本坍落度的要求下，砂率为44％和46％时，外加剂掺量变化不大，使用照福砂和鸭冲砂配制混凝土时外加剂掺量为胶凝材料的2.2％，因睿邦砂MB偏高，故外加剂掺量为胶凝材料的2.4％。混凝土工作性较差。当配合比设计砂率为48％时，相对44％和46％的砂率，混凝土中外加剂掺量均提高0.1％。 

工作性方面，在相同水胶比和相同砂率的情况下，使用照福砂配制的混凝土浆体包裹性相对要好，浆体饱满，混凝土流动性强，不易出现离析和泌水现象，除机制砂的砂级配原因以外，照福砂中石粉的对混凝土中离析、泌水的情况有很好的改善。这是由于机制砂中石粉增加了混凝土中粉体材料比例，保水性增强，泌水情况得到改善，石粉增加了水泥浆体含量而提高了混凝土的流动性，石粉还起到微滚珠作用，减少砂与砂之间摩擦而改善混凝土和易 性。石灰石母岩生产机制砂中石粉相对白云岩生产机制砂中的石粉，胶砂流动度比相对较小，对混凝土工作性的改善没有明显效果。故优选机制砂为石粉含量小于10％，细度模数2.9-3.4，MB值小于1.5的机制砂。 

实施例5 

确定水胶比，胶凝材料组成 

掺和料是高性能混凝土不可缺少的组分之一，利用他们的物理效应、填充效应，不但能提高新拌混凝土的工作性，而且能提高硬化混凝土的耐久性。掺和料能大大减少混凝土内部由于温度和收缩应力而产生的微裂缝，提高混凝土的密实性和抗渗能力，在该项目中选用II级F类粉煤灰、S95级粒化高炉矿渣和硅灰作为掺和料。 

根据配合比设计原则初步选定用水量为150kg，水胶比分别取0.23、0.24、0.25，暂定砂率为50％，混凝土容重假定为2520kg/m3，进行各胶凝材料不同比例对混凝土强度及工作性的影响，试验数据及工作性、强度情况见表4。 

表4 

从表4可以看出，当水胶比为0.24时，混凝土的强度早符合要求的情况下相对比较经济，故选取水胶比为0.24的4-2、4-5、4-8来对比混凝土强度及工作性，从T50流动时间试验结 果来看，各胶凝材料比例为第一组时，混凝土工作性良好，故选定试验编号4-2配合比作为为下一步研究的基准配合比，即选定各胶凝材料比例为74:11:11:4，水胶比为0.24。 

实施例3 

不同砂率对高强、大流态免振混凝土工作性及强度的影响 

根据试验中混凝土的强度情况，确定水胶比为0.24，各胶凝材料的比例为74:11:11:4，通过调整砂率及外加剂的配方，选取其余的配合比参数(水粉比、砂率、单位体积浆体量及外加价掺量)如表5所示，其测试结果见于表6。 

表5 

表6.混凝土试验结果 

实施例4(外加剂的选用及配比) 

不同外加剂对高强、大流态免振混凝土工作性的影响 

对外加剂的复配方案进行微调整，共选用四个复配方案进行试验，外加剂复配方案及相 关技术指标，见下表7。 

表7 

使用表7中四种外加剂样品对配合比进行复核确定，试验配合比及试验结果分别见表8、表9。 

表8 

表9 

水胶比：0.24，水粉比：0.72，单位体积浆体量：0.487m3，砂率：57％，经检测，坍落扩展度720mm，T50检测结果为8s，V漏斗通过时间16s，U型箱试验填充高度差(隔栅型 障碍为2型)(mm)为2mm，混凝土28d强度达到了90.0MPa，确认该配合比为施工配合比(以上各指标的选用，特别是砂率，与上述规范中提出宜选用的数值相比，均有所提高)。 

由于高效减水剂的减水率较大，石粉含量少时，出现轻微离析现象，随着石粉含量的增加、水粉比的减少，粘聚性得到改善，坍落度逐渐增大，扩展度呈增加趋势，当机制砂中石粉含量为14％时，混凝土坍落度及扩展度略微降低，强度随着机制砂中石粉含量的变化略有波动，在石粉含量为7％时强度值最高，但不存在明显差异。也就是说，在配制高强大流态混凝土时胶凝材料的用量很大，同时大比例的掺用高效减水剂，混凝土工作性及强度对机制砂中石粉含量的增减不是非常敏感，根据以上试验结果，在配制C70高强大流态混凝土时，初步选用石粉含量在5％-9％的机制砂。 

本发明最优选的配合比(水胶比：0.24，水粉比：0.72，砂率：0.57，单位浆体体积：0.487)综合性能更佳，及通过外加剂、胶凝材料和粗细骨料的认真选择、合理搭配、配合比的科学设计，使骨料悬浮于混凝土浆体中，不离析、不泌水，并能在自重作用下自由流淌、填充模内空间，达到自行密实。 

Claims (9)

1.一种机制砂配制的混凝土，主要由水、胶凝材料、机制砂和碎石组成，其特征在于，其主要技术参数如下，混凝土中水胶比为0.21~0.32，水粉比：0.65~0.83，砂率：44%~60%，单位浆体体积量：0.45~0.53。

2.根据权利要求1所述机制砂配制的混凝土，其特征在于，所述机制砂中石粉小于10%。

3.根据权利要求1或2所述机制砂配制的混凝土，其特征在于，水胶比为0.21~0.24，特别优选水胶比为0.24。

4.根据权利要求1或2所述机制砂配制的混凝土，其特征在于，水粉比为0.7~0.74，特别优选水粉比为0.72。

5.根据权利要求1或2所述机制砂配制的混凝土，其特征在于，砂率为50%~57%，特别优选砂率：57%。

6.根据权利要求1或2所述机制砂配制的混凝土，其特征在于，单位浆体体积量：0.473~0.487。

7.根据权利要求1或2所述机制砂配制的混凝土，其特征在于，所述胶凝材料包括水泥和掺和料，所述掺和料为粉煤灰、矿渣和硅灰。

8.根据权利要求7所述机制砂配制的混凝土，其特征在于，胶凝材料中水泥、粉煤灰、矿渣和硅灰的比例为74：11：11：4，水胶比为0.24。

9.根据权利要求1所述混凝土，其特征在于，所述混凝土中还含有外加剂。