蘭新鐵路第二雙線鄯善至烏魯木齊段骨料性能試驗研究

于本田,劉樹紅,王起才,任 高

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070；2.蘭新鐵路新疆有限公司安全質(zhì)量部,烏魯木齊 830011)

蘭新鐵路第二雙線跨甘肅、青海、新疆三省區(qū),經(jīng)過西寧、蘭州、烏魯木齊三省會城市及海東、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)、吐魯番、哈密等六個地級市。建成后將是沿線地區(qū)的骨干鐵路線,是亞歐大陸橋鐵路通道的重要組成部分,在國民經(jīng)濟與路網(wǎng)中均具有非常重要的意義和作用。線路建筑長度1 776.885 km,其中甘肅境內(nèi)正線長795.727 km,青海境內(nèi)正線長267.758 km,新疆境內(nèi)正線長713.400 km[1～2]。

蘭新鐵路第二雙線(新疆段)沿線為干旱少水、大風(fēng)、夏季高溫、冬季低溫、晝夜和季節(jié)溫差大的惡劣戈壁環(huán)境條件,加之沿線碳化環(huán)境等級、氯鹽環(huán)境等級、化學(xué)侵蝕環(huán)境等級、凍融破壞等級、磨蝕等級均較高,因此對混凝土的和易性、強度和耐久性要求較高,混凝土性能的好壞決定了混凝土結(jié)構(gòu)物是否能滿足100年的設(shè)計使用壽命要求。我國混凝土中的水泥用量和拌和用水比發(fā)達國家至少多用20%,不僅資源浪費嚴重,且使硬化后的混凝土開裂敏感性大,威脅結(jié)構(gòu)物的耐久性,其主要原因就是砂石質(zhì)量太差[3]。砂石原材料作為混凝土的主要組成,其性能對高性能混凝土的性能影響巨大[4],雖然我國也有關(guān)于骨料產(chǎn)品質(zhì)量的強制性標準,由于骨料質(zhì)量有區(qū)域性,就一個特定的地區(qū)而言,現(xiàn)場生產(chǎn)供應(yīng)的骨料少有完全真正符合標準的,多數(shù)要因地制宜地進行級配調(diào)整[5]。通過對鄯善至烏魯木齊段內(nèi)骨料性能試驗研究,分析沿線骨料的性能對混凝土性能的影響,并提出相應(yīng)的解決建議,對優(yōu)化沿線高性能混凝土的配合比設(shè)計具有重要意義。

1 試驗方案

1.1 試驗研究對象

在鄯善至烏魯木齊區(qū)段內(nèi)35個砂石料場內(nèi),抽取了27個砂試樣,其中天然砂25個,人工砂2個；抽取了35個石子試樣,其中碎石9個,破碎礫石8個,礫石18個作為試驗研究對象。

1.2 試驗方法及內(nèi)容

按普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準(JGJ52)[6]對抽取的砂、石試樣的含泥量、泥塊含量,砂的細度模數(shù)、顆粒級配和石子的針片狀顆粒含量、緊密空隙率進行了測試。依據(jù)鐵路混凝土用骨料堿活性試驗方法(TB/T2922)[7]對砂、石進行堿活性指標測試。

2 試驗結(jié)果與分析

表1和表2為沿線砂、石性能指標測試結(jié)果,依據(jù)鐵建設(shè)[2009]152號文《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補充標準》混凝土分項工程原材料標準局部修訂條文(下簡稱152號文)對各項性能進行分析。

表1 砂性能測試結(jié)果

表2 石子性能測試結(jié)果

2.1 砂含泥量和石子泥塊含量高

鐵建設(shè)[2009]152號文規(guī)定：配制C30及以下強度等級的混凝土,砂中含泥量不得超過3.0%,石子含泥量不得超過1.0%；配制C30～C45之間強度等級的混凝土,砂中含泥量不得超過2.5%,石子含泥量不得超過1.0%；配制C50及以上強度等級的混凝土,砂中含泥量不得超過2.0%,石子含泥量不得超過0.5%。砂中泥塊含量不大于0.5%,石子中泥塊含量不大于0.2%。

圖1為所抽取砂、石試樣含泥量分布。由圖1(a)可看出,在抽取的27個砂試樣中,含泥量超過3.0%的有3個,占總數(shù)的11.11%；含泥量在2.5%～3.0%的有3個,同樣占總數(shù)的11.11%；含泥量在2.0%～2.5%的有6個,占總數(shù)的22.22%；含泥量在2.0%以上的共有12個,占總數(shù)的44.44%。由圖1(b)可知,在抽取的35個石子試樣中,含泥量超過1.0%的有3個,在0.5%～1.0%的有5個,分別占總數(shù)的8.57%和14.29%,而含泥量小于0.5%的共有27個,占總數(shù)的77.14%。

圖1 砂、石試樣含泥量分布

圖2為所抽取砂、石試樣泥塊含量分布。由圖2(a)可看出,在抽取的27個砂試樣中,泥塊含量超過0.5%的有11個,占總數(shù)的40.74%。由圖2(b)可知,在抽取的35個石子試樣中,18個礫石試樣有13個泥塊含量超過0.2%；8個破碎礫石試樣有2個泥塊含量超過0.2%；9個碎石試樣中有4個泥塊含量超過0.2%,分別占各類型石子總數(shù)的83.33%、25.00%和44.44%,而泥塊含量超過0.2%的石子占總試樣數(shù)的60.00%。

圖2 砂、石試樣泥塊含量分布

由圖1、圖2分析可知,抽取的砂樣含泥量較高,而石中泥塊含量較高。由于泥和泥塊的含量較高,會引起混凝土拌和需水量增加、減弱混凝土性能或使混凝土更容易被風(fēng)化、阻礙水泥與骨料膠結(jié)的充分發(fā)展、妨礙水泥的正常水化或與水泥中成分進行化學(xué)反應(yīng),對混凝土的強度、收縮、徐變、抗?jié)B、抗凍、耐磨等性能往往都會產(chǎn)生不利的影響[8]。

2.2 砂、石堿活性含量高

采用巖相法測試抽取的石試樣是否會發(fā)生堿-碳酸反應(yīng)。試驗結(jié)果表明，所有石試樣不會發(fā)生堿-碳酸反應(yīng)。采用快速砂漿棒法測試砂、石試樣是否會發(fā)生堿-硅酸反應(yīng),圖3為14 d的砂漿棒膨脹率值,膨脹率在0.10%～0.20%的砂子試樣有15個,占試樣總數(shù)的55.56%；石子試樣有21個,占試樣總數(shù)的60.0%,說明鄯善至烏魯木齊區(qū)段內(nèi)砂、石試樣的活性二氧化硅含量較高。這是因為新疆砂石骨料屬于天山系水域形成的巖石,巖石含有50%以上凝灰?guī)r,而這種巖性骨料是具有發(fā)生堿-硅酸反應(yīng)的潛在堿活性骨料[9]。由于鄯善至烏魯木齊區(qū)段內(nèi)砂、石試樣的活性二氧化硅含量普遍較高,因此在該地區(qū)進行混凝土配合比設(shè)計時,若水泥、外加劑和礦物摻和料中堿含量較高時,混凝土極易發(fā)生堿骨料反應(yīng),影響混凝土耐久性。

圖3 砂、石試樣堿活性指標值分布

2.3 砂顆粒偏粗、級配差

在抽取的27個砂試樣中,其中Ⅰ區(qū)砂級配不合格的有6個,Ⅱ區(qū)砂級配不合格有9個,共有15個顆粒級配不合格,占抽樣總數(shù)量的55.56%。表3、表4為顆粒級配不合格的砂的篩分測試結(jié)果。

表3 級配不合格的Ⅰ區(qū)砂篩分結(jié)果 %

表4 級配不合格的Ⅱ區(qū)砂篩分結(jié)果 %

由表3、表4可以看出,抽取砂樣的顆粒級配不合格主要是因為粗顆粒偏多,相應(yīng)的累計篩余值超出規(guī)范要求。造成這一現(xiàn)象的主要原因是新疆地區(qū)砂的含泥量較大,砂場為降低含泥量,對砂進行了水洗,在水洗過程中,砂中細小顆粒也隨泥被水帶走,致使細顆粒流失,導(dǎo)致粗顆粒所占比例升高,并最終使得砂的顆粒級配無法滿足要求。級配不合格的砂在拌制混凝土?xí)r,由于粗顆粒較多,空隙率較大,需要填充空隙的水泥漿就多,并易導(dǎo)致形成的混凝土和易性、強度和耐久性差。

2.4 石緊密空隙率大、針片狀顆粒含量高

鐵建設(shè)[2009]152號文規(guī)定：配制C30及以下強度等級的混凝土,石子中針片狀顆?？偤坎坏贸^10%；配制C30～C45之間強度等級的混凝土,石子中針片狀顆?？偤坎坏贸^8%；配制C50及以上強度等級的混凝土,石子中針片狀顆?？偤坎坏贸^5%。由表2可知,在抽取的石子試樣中針片狀顆粒含量在10%以上的有2個,針片狀顆粒含量在8%～10%的有1個,針片狀顆粒含量在5%～8%的有7個。由于針片狀顆粒與接近立方體或球體的粒徑相比,影響混凝土拌和物的和易性,且由于應(yīng)力集中的程度較高,會導(dǎo)致凝結(jié)硬化后的混凝土強度較低。

由表2可知,緊密空隙率大于40%的有12個,其中最大達到了52%。而鐵建設(shè)[2009]152號文規(guī)定：石子的緊密空隙率應(yīng)小于40%。石子的空隙率越大,拌和的混凝土和易性越差,會導(dǎo)致膠凝材料用量增加,且凝結(jié)硬化的混凝土內(nèi)部容易出現(xiàn)較多孔隙,影響混凝土的強度和耐久性[10]。

3 結(jié)論及建議

通過對抽取的27個砂試樣和35個石子試樣的性能試驗結(jié)果分析可知,新建蘭新鐵路鄯善至烏魯木齊段砂石原材料存在砂含泥量和石泥塊含量高,砂、石堿活性含量高,砂顆粒偏粗、級配差及石子緊密空隙率大、針片狀顆粒含量高等問題,將嚴重影響混凝土和易性、強度和耐久性。針對沿線原材料存在的問題,在進行高性能混凝土的配合比設(shè)計時有以下建議。

(1)針對沿線含泥量和泥塊含量不合格的砂石,建議采用水洗的方法降低其含泥量和泥塊含量,但考慮到由于采用水洗,會使砂中細小顆粒也會隨之減少,并導(dǎo)致砂顆粒偏粗、級配不符合規(guī)范要求的問題出現(xiàn),可將沖洗砂子的水過0.16 mm的篩子,對被水帶走的砂中細小顆粒進行“反撈”,保證砂的顆粒級配。另外,也可通過在水洗后的砂中添加細顆粒的機制砂，以使其滿足顆粒級配要求。

(2)砂石骨料砂漿膨脹率0.10%～0.20%時,為具有潛在活性骨料,在混凝土的使用中必須控制混凝土的總堿含量。因此在進行混凝土配合比設(shè)計時可通過采用低堿水泥和優(yōu)化礦物摻和料的摻量,減少水泥用量的方法降低混凝土中的總堿含量。控制水泥細度、選取合理的水膠比、使用高效減水劑、控制混凝土的含氣量,也能防止混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

(3)緊密空隙率大、針片狀顆粒含量超標的石子不能用來配制高性能混凝土,要解決這一問題主要應(yīng)從破碎設(shè)備和破碎工藝著手。石子的破碎應(yīng)采用反擊式破碎機,不應(yīng)采用顎式破碎機和錘式破碎機進行石子的破碎。在進行礫石的破碎時,應(yīng)嚴格控制破碎母體的尺寸,對于尺寸過小的卵石,在破碎時極易形成針片狀顆粒,且破碎面達不到要求,影響?zhàn)そY(jié)強度。

[1]中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線初步設(shè)計總說明書[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2009.

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