机制砂泵送纤维混凝土在地下超长结构中的应用

宿晓亮 马 静 于 超 周华新

1青岛北苑混凝土有限公司（266000） 2江苏博特新材料有限公司（210000）

0 前言

现代地下工程用水泥混凝土向高强、高性能方向发展，但同时收缩开裂也已经成为地下工程超长结构、超大面积混凝土劣化的主要因素，一般认为限制收缩是混凝土开裂的主要原因[1-2]。边界条件的约束变形会产生拉应力，一旦拉应力超过相应龄期的抗拉强度，混凝土就会发生开裂。水泥基材料早期收缩开裂的机理比较复杂,从能量角度来看，原始裂缝的扩展比生成新的裂缝更容易，早期可见与不可见裂缝是裂缝扩展导致开裂的源头[3-4]。控制水泥基材料在约束条件下产生早期开裂是一个最本质、最敏感的问题。混凝土作为传统建筑材料已有上百年的历史,但在工程应用过程中由于配合比设计、配筋设计、施工及养护不当常常会引起混凝土开裂,严重影响地下工程超长结构、超大面积混凝土的抗渗防腐等耐久性能。

随着我国基础设施建设的日益发展，我国不少地区天然砂资源逐步短缺，甚至出现无砂可用的状况，混凝土用砂供需矛盾尤为突出，使用机制砂已成为必然趋势[5]。在采矿和加工过程中会伴随产生约20%的尾矿，相当多的尾矿没有得到合理利用，占用土地，造成环境污染[6]。如果把这些资源变成机制沙，会得到很好的经济和社会效益，大力发展机制沙可以保护环境，有利于生态平衡。结合尾矿机制砂的特性及地下工程超长、超大面积混凝土抗裂要求，开展了利用机尾矿机制砂配制合成纤维混凝土应用技术研究，旨在更好地指导尾矿机制砂在纤维泵送混凝土中的应用。

1 工程概况

裕龙润邦小区位于平度市城区东南部香店街道办事处，三城路以北，规划长春路以南，杭州路以东，泰州路以西，所处区位交通优势突出。小区建成后，将改善市民居住条件，提高城市整体形象，引领平度市高层住宅建设潮流，促进当地房地产向高层住宅方向发展,对促进当地经济发展、加快城市化建设具有积极的推动作用。项目总占地面积为15.38万m2,总建筑面积为49.17万m2，车库总面积达13.89万m2，地下长墙车库和大面积车库顶板采用一次性浇筑，防止混凝土开裂是难点与重点。因此地下车库和地下2层全部采用防渗抗裂纤维混凝土。

2 试验原材料及试验方法

2.1 试验原材料

水泥为青岛平度山水水泥有限公司生产，普通42.5级,其性能见表1；矿粉∶潍坊钢铁厂生产的S95级矿粉；粉煤灰∶潍坊电厂粉煤灰Ⅱ级灰；尾矿机制砂∶平度市灰埠信诚砂石加工厂生产的尾矿机制砂，其主要性能见表2；天然河砂∶平度崮山天然河砂，其主要性能见表3；粗骨料∶5～25 mm连续级配石灰石碎石。减水剂∶聚羧酸高性能减水剂；抗裂纤维∶江苏博特新材料有限公司生产的润强丝聚丙烯纤维（PP），长度分别为15 mm，其性能指标见表4。

表1 水泥主要物理性能

表2 尾矿机制砂的主要性能

表3 天然河砂的主要性能

表4 试验用聚丙烯抗裂纤维性能

2.2 试验方法

1）拌合物新拌及力学性能∶混凝土拌合物性能按《普通混凝土拌合物性能试验方法》GB/T 50080-2002进行。力学性能按《普通混凝土力学性能试验方法》GBJ81-85进行，用于立方体抗压强度试验的试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。所有力学性能测试值均按相关规范换算成标准值。

2）收缩试验∶试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082-2009)进行测试。收缩试验试件采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件，一端端埋设金属测头，测长采用千分表测量。试件成型标准养护1 d后移入干燥恒温室立即测定基准长度，试件的干缩龄期以测基准长度后算起。

3）抗渗试验∶依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB 50082-2009)中抗水渗透试验渗水高度法进行混凝土抗渗试验,测定硬化混凝土在恒定压力下的平均渗水高度来表征混凝土抗渗性能。

2.3 试验方案及配合比

研究过程中主要对比天然河砂与尾矿机制砂的不同比例对混凝土性能、力学性能及抗渗性能产生的影响,混凝土中纤维的掺量为为0.8 kg/m3，纤维长度为15 mm配合比设计时为避免纤维对混凝土工作性能的影响，采用较高砂率和较高掺合料掺量。 尾矿机制砂与天然河砂比例分别为∶9∶1、8∶2、7∶3、6∶4，混凝土试验配合比如表 5所示。

表5 基准混凝土配合比

3 试验结果及分析

3.1 工作性能及力学性能

研究过程中通过测定新拌混凝土拌和物的坍落度、扩展度，辅以直观经验评定粘聚性和保水性来评价纤维混凝土工作性能，研究了天然河砂与尾矿机制砂的不同比例对低强度等级C30泵送纤维混凝土工作性能的影响，试验结果见表6。

表6 纤维混凝土新拌性能及力学性能试验结果

试验结果表明尾矿机制砂对纤维混凝土新拌性能有一定的负面影响，尾矿机制砂掺量越高时新拌纤维混凝土坍落度和扩展度值越小,尾矿机制砂会是混凝土坍落度经时损失加大,流动性变差，可泵送性变差，施工时所需要的泵送压力增大。这主要是因为尾矿机制砂石的表面比河砂粗糙，有尖锐棱角，和同等级天然砂混凝土相比在水灰比相同的条件下，其流动性比普通混凝土要差。此外尾矿机制砂中含有5%的石粉,会导致混凝土的用水要适量增大和坍落度经时损失增大。

3.2 收缩性能

混凝土收缩是导致混凝土开裂的重要原因，这主要是因为硬化成型后的混凝土在水泥继续水化、水分的迁移等作用下要产生收缩。在实际工程应用中，混凝土构件要受到各种约束，因此限制了混凝土的收缩，在混凝土内部就会产生应力，当应力超过混凝土材料本身的极限应力时，混凝土就会产生裂缝。为了解决混凝土的收缩开裂问题，国内外众多学者均采用在混凝土中掺入纤维来改善其收缩性能[7],同样研究过程中以聚丙烯纤维混凝土为研究对象，对比分析了天然河砂与尾矿机制砂不同比例对混凝土收缩的影响,试验结果如图1和图2所示。

试验结果显示在纤维混凝土中，随着尾矿机制砂用量的增加，纤维混凝土干燥收缩和自收缩都有增大的趋势；从试验结果可得出，在聚丙烯纤维掺量为0.8 kg/m3的条件下,采用尾矿机制砂配制的纤维混凝土收缩值基本在可接受的范围。

3.3 抗渗性能试验

抗渗性试验是衡量普通混凝土水压渗透的一项试验方法，有渗透高度法和逐级加压法两种方法。渗透高度法是采用恒定水压力在规定时间内测试混凝土的平均渗水高度来评价混凝土的抗渗性，试验结果如图3所示。

从图中可以看出,随着机制砂比例的逐渐升高，通过以上试验方法测得的混凝土渗水高度有下降的趋势，也就是说，混凝土的抗渗性能有所提高。这主要是由于机制砂掺量的增大，混凝土用砂中石粉含量有所提高,一定程度上提高了混凝土的密实度，使混凝土抗压强度有所增长，同时也提高了混凝土的抗渗性能。但随着机制砂比例的提高，混凝土抗渗性能提高的幅度越来越小。当机制砂∶天然砂=8∶2时，混凝土抗渗性能表现最优。

4 工程应用情况

尾矿机制砂石的表面比河砂粗糙,有尖锐棱角，和同等级天然砂混凝土相比在水灰比相同的条件下，其流动性比普通混凝土要差，但只要添加适当比例的天然细河砂就会有效改善这一问题。由于石粉砂中含有5%的石粉,导致混凝土的用水要适量增大,但比普通混凝土的保水性好、粘聚性强、泌水少，即和易性好。综合考虑尾矿机制砂和河砂的性能，通过试配得出在减水剂掺量相同的条件下，河砂与机制砂的比例为2∶8,聚丙烯抗裂纤维的掺量为0.8 kg/m3，混凝土状态和坍落度保持性能较好。最终确定的用机制砂配制的纤维混凝土配合比如表7所示。

青岛平度市裕龙润邦小区车库总面积达13.89万平方米，地下长墙车库和大面积车库顶板采用一次性浇筑，该工程用尾矿机制砂配制的纤维混凝土外墙浇筑拆模后，混凝土色泽均匀、无明显气泡，外观质量较好，而且没有发现任何有害裂缝。

5 结语

1）与河砂相比，尾矿机制砂对纤维混凝土新拌性能有一定的负面影响，会增大混凝土坍落度经时损失，河砂与机制砂复合使用时可明显改善尾矿机制砂对混凝土新拌性能的影响。

2）河砂与尾矿机制砂复合时,机制砂用量最高，这是由于机制砂含有石粉对抗收缩性能有一定负面影响,纤维混凝土干燥收缩和自收缩都有增大的趋势，但混凝土强度和抗渗性能能得到改善。

3）综合考虑混凝土性能的经济性，则发现河砂与尾矿机制砂的比例为2∶8时比较合适。应用实践表明，用尾矿机制砂配制的泵送纤维混凝土具有良好的防渗抗裂效果，适合用于地下车库及地下建筑群等超长混凝土结构。

表7 尾矿机制砂泵送纤维混凝土试验配合比

[1]田倩,孙伟,缪昌文.高性能混凝土自收缩测试方法探讨[J].建筑材料学报,2005,8(1):82~89.

[2]王迎飞,黄雁飞,王胜年.工程裂缝影响因素探讨及混凝土收缩开裂研究方法表征[J].混凝土,2005(10):20~24.

[3]王善拔,刘运江,罗云峰.混凝土的早期开裂和改善途径[J].建筑监督检测与造价,2009,2(2):39~42.

[4]曾京生,高小建,郑俊,费成欣.高性能混凝土早期收缩开裂问题研究[J].低温建筑技术,2009(10):10~14.

[5]朱俊利,郎学刚,贾希娥.机制砂生产现状与发展[J].矿冶,2001,4(10):38~42.

[6]马茂君,陈家垅,郭林华.铁矿山废料再利用实验研究与实践[J].中国资源综合利用,2007,3:3~7.

[7]陈润锋,张国防,顾国芳.我国合成纤维混凝土研究与应用现状[J].建筑材料学报,2001,4(2):167~173.