人工砂高性能混凝土抗渗性与抗冻性研究

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人工砂高性能混凝土抗渗性与抗冻性研究

宋少民　耿　雷

(北京建筑工程学院土木工程系　北京　100044)

　　摘　要:通过大量试验,系统研究了人工砂高性能混凝土的耐久性,对抗渗性、抗冻性、氯离子扩散系数等项目进行了测试。在此基础上,探讨了相关机理。试验结果表明,人工砂高性能混凝土具有优异的耐久性,可以替代天然砂生产高性能混凝土。

　　关键词:人工砂　高性能混凝土　抗渗性　抗冻性

THESTUDYONIMPERMEABILITYANDFREEZINGRESISTANCEOFHIGHPERFORMANCECONCRETEWITHARTIFICIALSAND

SongShaomin　GengLei(DepartmentofCivilEngineering,BeijingInstituteofCivilEngineeringandArchitecture　Beijing　100044)Abstract:Throughagreatdealofexperiments,thedurabilityofHPCwithartificialsandarestudiedsystematically.Impermeability,freezingresistanceandchlorideiondiffusionaretested.Onthebasisofthesetests,thecorrelativemechanismsarediscussed.TheresultshowsthatartificialsandHPChasexcellentdurability,artificialsandcanreplacenaturalsandinproductingHPC.

Keywords:artificialsand　highperformanceconcrete(HPC)　impermeability　freezingresistance

　　近10年,我国城市建设进入一个高速发展的时

期。混凝土工业资源消耗巨大,尤其是优质天然砂资源,已出现短缺的情况,特别是在北京、上海等大都市。在此背景下,人工砂已经越来越多地进入建筑市场,部分取代天然砂,成为重要的砂源。在同等

[1]

情况下,人工砂混凝土的强度比天然砂混凝土高,这主要是由于粒形不规则,机械咬合力强以及石粉的微集料效应。至今,对人工砂混凝土的耐久性的研究还不多,本文依据黄兆龙教授高密实混凝土配

[2]

合比设计方法和国内最新高性能混凝土配制理念,配制了若干组人工砂高性能混凝土,对其耐久性进行了较全面的研究。1　试验与配合比

111　原材料

1)水泥:北京兴发水泥厂生产的普通硅酸盐水

表2　粉煤灰的主要性能

需水量比

SO3含量

细度

烧失量

2.1

合格

　　3)人工砂:北京市门头沟砂石厂生产的人工砂。

试验所用人工砂和天然砂的主要物理性能如表3、表4所列。

表3　人工砂主要物理性能

堆积密度Π

(kg・m-3)

表观密度Π细度石粉含量Π吸水率Π

(kg・模数%%m-3)

2730

2.9

11.1

2.04

评定

II区中砂表4　天然砂主要物理性能

堆积密度Π

(kg・m-3)

1530

表观密度Π细度石粉含量Π吸水率Π

(kg・模数%%m-3)

2650

2.7

1.58

评定

II区中砂

泥,强度等级4215,主要物理性能指标如表1所列。

表1　水泥主要性能

凝结时间Πmin初凝

167

　　4)石:碎石,最大粒径为20mm(见表5)。

5)外加剂:泵送剂,由北京瑞博商品混凝土搅拌站复配,减水率21%。

抗压强度ΠMPa

3d23.5

28d49.7

抗折强度ΠMPa细度Π标准稠度

3d4.8

28d8.9

%0.8

终凝

300

用水量Π%

27.0

第一作者:宋少民　男　1965年9月出生　硕士　副教授

E-mail:john.song65@163.com

　　2)粉煤灰:石景山电厂二级灰(见表2)。

　68　IndustrialConstructionVol136,No17,2006

收稿日期:2005-06-25

工业建筑　2006年第36卷第7期

表5　碎石的基本物理性能

针片状颗粒

压碎指标

含量Π%

7.5

9.1

9所列。

孔隙率Π%

43.3

堆积密度Π(kg・m-3)

1560

表观密度Π

(kg・m-3)

2750

表9　混凝土的渗水高度

编号渗水高度

R31130

R32130

R33120

R34115

T31130

T32130

T33125

T34120

112　人工砂高性能混凝土与天然砂混凝土试验配

合比(表6、表7)

表6　人工砂高性能混凝土配合比

编号

R21R22R23R24R31R32R33R34

　　由试验结果可知,人工砂混凝土和天然砂混凝

kgΠm

土抗渗性能都达到了较高的水平,而且渗水高度差不大。这是由于高密实混凝土用水量少,水泥用量低,颗粒结构堆积致密,孔隙小,孔隙率低,接触点

多,更加密实的特点提高了其抗渗性。212　抗氯离子渗透能力

λ=WΠB

0.450.400.350.300.450.400.350.30

CFAS

1214243276213240271306

166166166166162162162162

9819819819819579579579579333315915915915163155146135174166156144氯离子渗透性能反映了混凝土的密实程度以及抵抗外部介质向内侵入的能力,是耐久性的重要性能指标之一。高性能混凝土的氯离子扩散系数与渗透性和耐久性之间有着很好的关系。用氯离子扩散系数评价高性能混凝土耐久性和渗透性是一种简单、快速、可行的方法

[3]

　　注:R代表人工砂;λ代表水胶比;W代表水;B代表胶凝材料(水泥+粉煤灰);C代表水泥;FA代表粉煤灰;S代表砂子;

G代表石子。。

表7　天然砂高性能混凝土配合比

编号

T31T32T33T34

kgΠm

本试验采用的测定氯离子渗透性的仪器为NEL-VJ型混凝土真空饱水饱盐设备和NEL-PD型混

λ=WΠB

0.450.400.350.30

CFAS

213240271306

162162162162

957957957957

915915915915

174166156144

凝土渗透性电测仪。采用规格100mm×100mm×100mm的试块,标准养护28d,切割成约5cm厚的试件,用氯离子渗透性电测仪测定混凝土中氯离子的扩散系数,依据渗透性评价标准评定混凝土的抗渗透性。试验结果见表10。

表10　混凝土的氯离子渗透结果

编号

氯离子扩散系数Π混凝土

(10

-14

[4]

　　注:T为天然砂。

113　人工砂高性能混凝土和易性及抗压强度(表8)

表8　人工砂高性能混凝土和易性及抗压强度

编号

R21R22R23R24R31T31R32T32R33T33R34T34

坍落度Π扩展度Π

mm230210190130240245230240200210200205

mm499039527550555045555044704345

7d19.019.220.129.421.720.323.523.933.925.139.738.0

抗压强度ΠMPa

14d23.927.839.348.727.325.531.126.138.928.252.141.5

28d33.539.447.353.234.631.436.528.348.533.850.147.8

56d37.3.448.860.838.839.342.0.457.141.7.455.7

m・s)

2-1

渗透性Ⅲ(中)

Ⅲ(中)Ⅲ(中)Ⅲ(中)Ⅲ(中)Ⅲ(中)Ⅲ(中)Ⅲ(中)

编号

T31T32T33T34R41R42R43R44

氯离子扩散系数Π混凝土

(10-14m2・s-1)

148215224173175174198171

渗透性Ⅲ(中)

Ⅲ(中)Ⅲ(中)Ⅲ(中)Ⅲ(中)Ⅲ(中)Ⅲ(中)Ⅲ(中)

R31R32R33R34R21R22R23R24

1751461761391146195161

　　从试验结果看,人工砂和天然砂混凝土的氯离子扩散系数均为Ⅲ(中),人工砂高性能混凝土的氯离子扩散系数低于200×10

-14

mΠs,氯离子渗透性较

同条件下的天然砂混凝土低(如图1所示),可以认

2　试验结果与分析211　抗渗性能

为,混凝土抗氯离子渗透能力良好。213　抗冻性能

每组3个试件,试验从水压为110MPa开始,以后每隔8h增加水压011MPa。直至214MPa,也未出

现渗水现象,说明混凝土的抗渗性能良好。

测得各组试件214MPa水压时的渗水高度如表

人工砂高性能混凝土抗渗性与抗冻性研究———宋少民,等

抗冻性是评价混凝土耐久性能的重要指标,目前快冻法被越来越多的采用,并将成为测试抗冻性的主流方法。冻融达到以下3种情况之一即可停止

试验:

1)冻融循环次数已达到300次;2)动弹性模量

R22、R33三组满足要求。其中,R22耐久性系数为1131,此配比中水泥用量为214kgΠm,用水量为155kgΠm,混凝土28d的抗压强度仅为3914MPa。

从表12中可以看到,试件R34在275次循环时破坏,可能是因为该混凝土用水量太少,混凝土拌合物和易性差,在成型过程中不够均匀密实,产生很多孔隙缺陷,使混凝土抗冻融性能下降。

1-天然砂;2-人工砂

图1　人工砂和天然砂高密实混凝土的氯离子渗透对比

3　问题讨论

311　石粉对人工砂混凝土耐久性的影响

下降至初始动弹性模量60%以下;3)质量损失率大于等于5%。

本试验为考查人工砂高性能混凝土抗冻性,试验在弹性模量下降至初始动弹性模量60%以下时停止。

混凝土耐久性系数应按下式计算:Kn=P×NΠ300式中　Kn———混凝土耐久性系数;

N———达到要求时的冻融循环次数;P———经N次冻融循环后试件的相对动弹

一些砂石企业在出售人工砂前将石粉清洗掉,

这是错误的做法。因为石粉作为粉体,可以有效地改善、克服人工砂混凝土和易性不好的缺点,减少离析和泌水,使混凝土拌合物均匀,这样的混凝土硬化后结构缺陷少。同时石粉作为微细集料填充了许多孔隙,提高了混凝土的密实度,石粉含量为11%的人工砂高性能混凝土2000倍扫描电镜照片(图2)也证明了这一观点。

性模量。

人工砂高性能混凝土相对动弹性模量与质量损失试验数据分别如表11、表12所列。

表11　混凝土相对动弹性模量的变化

编号

R21R22R23R24R31R32R33R34

550

循环次数

12597.2697.3698.0797.2596.5796.3374.3394.53

27591.0793.52.60.4290.0693.0790.7853.90

30090.4193.32.73.31.22.90.19

40084.58.8484.8877.5869.5680.2282.20

45077.0786.80.9852.5558.4475.3082.30

50069.2660.3681.8071.3571.5765.42

△

△△△

74.6265.5876.4965.46

△△△△△a-石粉清洗前;b-石粉清洗后

　　注“:△”表示质量增加。

表12　混凝土质量损失情况

编号

R21R22R23R24R31R32R33R34

5000.932.331.78--4.421.62-5501.653.813.56--5.242.95-

图2　R22人工砂混凝土微结构SEM照片

循环次数

125-0.070.05-0.020.080.040.47-0.050.31

2750.280.670.520.691.232.120.471.

3000.250.720.610.921.3.300.66-4000.590.491.080.852.173.1.17-4500.741.761.290.912.744.051.22-

312　水胶比是决定人工砂混凝土耐久性的关键

一般来说,只要混凝土渗透性很低,就可以有较好地抵抗水和侵蚀性介质浸入的能力。高性能混凝

土由于其低水胶比而具有较低的渗透性,因而是高耐久性的。中国水利水电科学研究院的试验结果表[5]

明,水灰比为0126的无细掺料高强混凝土经600次冻融循环后,其动弹性模量较初始弹性模量只下降515%,抗压强度只损失1414%,抗折强度只损失2519%。用于对比的水灰比为0165的普通混凝土,冻融循环17次后,动弹性模量较初始弹性模量就下降了6919%,抗压强度损失2718%,抗折强度降

(下转第99页)　　

工业建筑　2006年第36卷第7期

　　注“:-”表示试验结束。

　　从试验结果可以看到,人工砂高性能混凝土表

现出优异的抗冻性,除R34外都可以满足400次冻融循环(F400)的要求。550次循环后,仍有R21、70

在一个强调可持续发展的工业园区中,道路交通与功能空间之间的组织除了要满足工业生产的要求外,也应充分体现生态与人性化的要求。

本次规划中,首先,道路系统的设计采用方格网形式,一方面适应于产业用地的要求、有利于厂房建筑的布置;另一方面,相对完整的地块也便于土地的出让。其次,园区内道路结合绿地系统,创造丰富的道路景观。如连接虎门大道的两条南北向道路是工业园的交通主干道,也是由城区虎门大道北望工业园的视线通廊和景观绿轴。另外,部分道路结合自然地形,沿山形地势自由布置以减少对生态环境的破坏;同时,结合道路设置公共绿地,适当降低设计车速,相对扩大人行道空间,规划发达的步行交通和快速公共交通体系,满足人性化要求。最后,非定位路网的设置,使地块的出让具有相当的灵活性与弹性(见图3)。

以加强物质生产循环,减少物品运输所造成的能源消耗。同时,考虑到基础设施的共建、共享以及企业的协作便利,其空间布局规划位于主导产业区旁。

4　结　语

当前中国快速的城市化进程与工业的规模性发展带来了大批工业园区的建设,在为国内和全球经济带来巨大利益的同时,也给规划师带来了极大的挑战:如何用一种高效的、可持续的方式来规划与管理因工业发展而导致的不断的土地需求与城市发展。贯穿于本次规划的主旨就是通过合理的功能空间布局,以生态友好的方式建构生产与生活环境,使园区的工业生产更高效、资源损耗更低、更加有利环境的可持续发展。目前,中国正在寻找具有自身特色的方法管理城市建设、工业的发展与土地的利用,希望通过本次规划的经验能为发展中的中国城市贡献一份力量(见图4)。

图3　非定位路网示意

315　立足发展的产业协作空间预设

图4　工业园鸟瞰示意

在全球基础上的投资决策越来越多的情况下,一个能吸引并维持投资的可持续性规划变得格外重要。在本次规划中,工业园的产业选择,一方面注意发展不同专业领域的经济集群,加强商业的聚合力,因为,他们能够从经济集群提供的相互间的支持结构中获利;另一方面,规划预留产业协作空间,促进园区内工业共生。产业协作空间是工业园内为主要企业进行协作、配套生产的辅助性企业所需要的空间。规划建议通过有针对性招募、倾斜等手段引导协作产业进入园区,充分利用主导企业废弃物作为原料进行生产活动,　　(上接第70页)

参考文献

1　周欣华.西方生态工业园的发展及对我国的启示.城市规划汇

刊,2001(2):28-302　杨培峰.工业区生态规划浅析.工业建筑,2004,34(3):19-213　张春艳,严　亮.四川广安市思源工业园区规划设计与思考.规划师,2004(2):25-2　曹亮功.工业园区与生态观念.新建筑,2004(3):31-335　RobinThompson.管理中国城市的增长———规划具有竞争力、高效率和可持续发展的城市.国外城市规划,2005(1):1-46　PryorEG.关于中国大城市土地和生态规划的思考.国外城市规划,2005(1):9-18

低82%。人工砂混凝土同理,本试验混凝土水胶比都在0145以下,在较低的水胶比时,人工砂混凝土表现出优异的抗渗性和抗冻性。

313　粉煤灰对人工砂混凝土耐久性的作用

压时不透水,抗渗性与天然砂混凝土相同。

2)人工砂高性能混凝土具有较低的氯离子扩散系数,抗

氯离子渗透性高于天然砂混凝土。

3)人工砂高性能混凝土抗冻性优异,属于高抗冻混凝

粉煤灰在现代混凝土技术中是不可缺少的组分,这是因为它对混凝土性能有着重要的影响,在人工砂混凝土中就显得更为重要。这是因为人工砂的颗粒都为不规则形状,拌合物要想达到很好的和易性,需要更多的浆体包裹在人工砂表面。粉煤灰的形态效应和石粉协同作用很大程度上改善了人工砂混凝土的和易性,使混凝土均匀密实;微集料效应和活性效应强化了混凝土结构和界面,所以较高的粉煤灰掺入比进一步保证了人工砂混凝土的耐久性。

4　结　论

1)人工砂高性能混凝土具有高抗渗性能,在214MPa水

土,可以满足F400以上的抗冻要求。

4)人工砂替代天然砂配制混凝土,不仅能够满足和易性

与强度要求,且可以配制出高性能混凝土。

1　陈家珑,宋少民.尾矿配制商品混凝土的应用研究.建筑技术,

2004(1)2　黄兆龙.混凝土性质与行为.台北:詹氏书局,19963　冷发光,冯乃谦.高性能混凝土渗透性和耐久性及评价方法研究.低温建筑技术,2000(4)4　陈肇元.混凝土结构耐久性指南.北京:中国建筑工业出版社,20045　李金玉,曹建国,徐文雨,等.混凝土冻融破坏机理的研究ΠΠ中国硅

参考文献

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基于可持续发展的现代工业园规划设计———吴　薇,等

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