淺談人工砂混凝土特點(diǎn)及其在水利工程中的應(yīng)用

周立新，陳建國

（廣西水利科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023）

水庫是江河防洪體系的重要組成部分，水庫出現(xiàn)病險，不僅是江河防洪體系的削弱，更重要的是水庫本身變成了巨大的隱患和威脅。病險水庫除險加固在保證防洪安全上一舉兩得，一方面解除了水庫自身的安全隱患，另一方面完善了江河防洪體系，增強(qiáng)了江河防洪的綜合能力[1]。隨著水庫除險加固工程建設(shè)增多，河砂已開始變得稀缺，且河砂質(zhì)量也在下降，人工砂作為河砂的替代資源，綜合成本比河砂低，人工砂在水電站工程早已成熟應(yīng)用，在我區(qū)部分地區(qū)的水庫除險加固工程中也經(jīng)常用到人工砂，但是人工砂如果使用不當(dāng)，會造成混凝土密實性下降、強(qiáng)度降低、耐久性不良，給水庫除險加固工程帶來不利后果。正確采用人工砂配制混凝土，對提高水庫除險加固工程的質(zhì)量有重要意義。

1 人工砂的特點(diǎn)

混凝土的骨料一般不按其礦物成分分類，只需要具有足夠高的硬度和強(qiáng)度、良好的級配和粒形, 不含有害物和粘土等雜質(zhì)，穩(wěn)定性好。因此，國標(biāo)GB/T14684—2001 中把人工砂定義為經(jīng)除土處理的機(jī)制砂、混合砂的統(tǒng)稱。機(jī)制砂: 由機(jī)械破碎、篩分制成的, 粒徑小于4.75 mm 的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖石的顆粒?；旌仙埃河蓹C(jī)制砂和天然砂混合制成的砂。

目前，人工制砂工藝主要可分為濕法和干法兩種，而濕法制砂通過水洗，不僅使石粉含量很難控制，而且洗走的并非只是75μm 以下的顆粒，同時，還洗走了包括150μm、300μm，600μm 的顆粒。所以說，水洗的結(jié)果造成浪費(fèi)而且還破壞了人工砂的自然級配，不利于達(dá)到混凝土的最大密實。而干法制砂不僅節(jié)約了水資源，而且通過選粉機(jī)對砂進(jìn)行分選，能有效控制石粉的含量，并且使砂的顆粒級配及細(xì)度模數(shù)達(dá)到最佳狀況。人工砂顆粒級配一般粗、細(xì)顆粒較多，中間顆粒較少，粒型呈不規(guī)則多邊體、表面粗糙、棱角尖銳、部分針片狀顆粒較多、細(xì)度模數(shù)在2.0 ～3.5 之間、大多偏粗，含有4%～20%的石粉。

人工砂按母巖礦物成分來分主要有：石灰?guī)r，花崗巖、砂巖、石英巖、玄武巖、閃長巖、片麻巖、輝綠巖等。常用的為石灰?guī)r人工砂。由于人工砂母巖礦物成分、加工方式和使用途徑的不同，就不能把人工砂當(dāng)成天然砂的代替品來認(rèn)識和利用。與天然砂相比，人工砂的優(yōu)勢在于：可利用各種廢棄資源，符合廢物利用型及環(huán)境友好型材料；有固定的加工場地和經(jīng)營場所；料源穩(wěn)定，機(jī)械化的生產(chǎn)方式保證了產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定、可控；多種礦物成分可選擇，顆粒級配穩(wěn)定、可調(diào)整、粒形可以改善；結(jié)合工程情況，就近選擇料場，節(jié)約運(yùn)輸成本。

2 人工砂生產(chǎn)存在的問題

由于觀念問題，人們對砂石的認(rèn)識存在著偏差，認(rèn)為混凝土中水泥及其他膠凝材料起主要作用，往往忽視了砂石料的作用，一般認(rèn)為砂石在混凝土中僅起填充作用。同時，由于過去天然砂、石資源較為豐富，即使有人認(rèn)識到砂石料的重要性，也改變不了其現(xiàn)狀，只能采取順其自然的態(tài)度，對砂石不能提出太高的要求，久而久之，砂石的質(zhì)量得不到應(yīng)有的重視和控制。明明是重要的產(chǎn)品，生產(chǎn)、使用單位和管理部門卻都不把其作為產(chǎn)品來對待，甚至有些科技人員，也認(rèn)為砂石無技術(shù)研究的價值，對砂石的認(rèn)識還停留在農(nóng)民挖砂的階段。就目前而言，人工砂的使用存在著如下主要問題[2-4]。

（1）粒形不佳，針片狀顆粒過多。這與母材巖分及材質(zhì)有關(guān)，同時也與選用的設(shè)備有關(guān)。與顎式破碎機(jī)相比，選用專門的制砂機(jī)，粒形不佳，針片狀顆粒過多問題基本可以解決。

（2）不注重砂子的顆粒級配，細(xì)度模數(shù)存在偏大或偏小。有些人工砂加工企業(yè)連顆粒級配、細(xì)度模數(shù)等基本概念都不懂，有些企業(yè)為降低機(jī)械磨損，降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)的人工砂細(xì)度模數(shù)多為3.0 以上。

（3）泥粉與石粉。泥粉對混凝土是有害的，必須嚴(yán)格控制含泥量，人工砂生產(chǎn)過程中要除去山體表層皮土和夾層土。除土工序一定要放在原料處理前，不能放在最后，這樣既避免了泥土的摻入，又為石粉保留合理的級配創(chuàng)造條件。

（4）風(fēng)化的山砂經(jīng)水洗或簡單加工作為人工砂。這種砂粒形，級配，細(xì)度模數(shù)一般都在中砂范圍內(nèi)。實際上，其強(qiáng)度低，配制的混凝土不僅強(qiáng)度、耐久性不行，就連配制的砂漿也不耐磨。

3 人工砂對混凝土的影響

由于人工砂顆粒表面粗糙、多棱角，流動性較差，人工砂在混凝土中攪拌不易均勻；人工砂顆粒級配較差，混凝土容易產(chǎn)生離析、泌水現(xiàn)象；人工砂的含粉量不易控制，易導(dǎo)致人工砂的比表面積波動較大，有時會出現(xiàn)水泥砂漿無法完全包裹粗骨料的狀況發(fā)生，從而出現(xiàn)混凝土離析，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低；人工砂混凝土流動性較天然砂差，在泵送過程中，人工砂混凝土的入泵坍落度過小時，在泵送壓力下易造成堵管、泌水；人工砂混凝土表面易出現(xiàn)泌水和浮漿，且在風(fēng)速大，氣溫高等情況下易出現(xiàn)塑性收縮裂縫。

李興貴[5]認(rèn)為：當(dāng)石粉含量增大到21%以上時，由于石粉含量太高，顆粒級配不合理，使混凝土密實性降低，和易性變差，粗顆粒偏少，減弱了骨架作用，非活性石粉不具有水化及膠結(jié)作用，在水泥含量不變時，過多的石粉使水泥漿強(qiáng)度降低，并使混凝土強(qiáng)度減小。

人工砂混凝土的彈模高于普通混凝土。彈模提高的原因可能是：人工砂粗顆粒較多，在砂漿中起著骨架作用，限制了水泥砂漿的變形及細(xì)骨料顆粒之間的滑動，同時人工砂與水泥石之間的良好界面粘結(jié)，使得人工砂混凝土界面薄弱區(qū)孔隙率下降，減少了人工砂混凝土局部應(yīng)力集中。

混凝土的干縮性能直接影響混凝土的裂縫，進(jìn)而影響混凝土的耐久性。李興貴等人的研究結(jié)果顯示：與常規(guī)細(xì)骨料(石粉含量3%)相比，石粉含量為16%和12%的混凝土干縮率分別增大12.8%和4.8%。其中，石粉含量在12%以下時，干縮率增大緩慢，石粉含量大于12% 時，干縮率迅速增大。并認(rèn)為干縮率隨石粉含量增加而增大,這是由于石粉中小于0.08 mm的極細(xì)顆粒隨石粉含量的增加而增多，這種極細(xì)顆粒在混凝土拌合物中起到增加水泥漿含量的作用，混凝土的干縮正是來源于水泥漿的干縮，顯然，單位體積水泥漿多，導(dǎo)致干縮率增大。

混凝土的抗?jié)B性主要與其孔結(jié)構(gòu)分布及孔隙率有關(guān)，因此大多數(shù)人認(rèn)為人工砂中的石粉是提高混凝土抗?jié)B性的主要原因。同時有研究者認(rèn)為: 人工砂中的石粉只是一種有效的填料，雖然不具有活性，但提高了混凝土的密實性，增強(qiáng)了水泥砂漿與粗骨料界面粘結(jié)。 而有人則認(rèn)為石粉能加速C3S 的水化，并與C3A、C4AF 反應(yīng)生成結(jié)晶水化物，并能改善水泥石的孔隙結(jié)構(gòu), 因此抗?jié)B性能得到提高。

4 人工砂水工混凝土質(zhì)量控制

4.1 嚴(yán)格控制人工砂質(zhì)量

人工砂質(zhì)量的控制指標(biāo)應(yīng)符合SDJ207-82、DL/T5144-2001 水工混凝土施工規(guī)范要求。

4.2 人工砂混凝土配合比設(shè)計應(yīng)注意的事項

依據(jù)水工混凝土配合比設(shè)計三參數(shù)原則，采用人工砂時，應(yīng)對單位用水量和砂率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整：1）采用人工砂時，單位用水量應(yīng)該提高5 ～10kg/m3；2）采用人工砂時，砂率應(yīng)增加2%～3%；3）適當(dāng)?shù)膿郊痈咝p水劑。

4.3 施工時應(yīng)注意的事項

（1）施工前，必須根據(jù)原材料及工程的實際情況，進(jìn)行人工砂混凝土施工配合比試驗。施工時，應(yīng)按已確認(rèn)的施工配合比進(jìn)行配料、施工。

（2）經(jīng)常性地檢測人工砂的品質(zhì)，尤其是含粉量。如含粉量比原先做施工配合比時少，可根據(jù)施工現(xiàn)場原材料的實際情況，保證水灰比不變，適當(dāng)減少配合比單位用水量；如含粉量比原先做施工配合比時多，可根據(jù)現(xiàn)場原材料的實際情況，保證水灰比不變，適當(dāng)增加配合比單位用水量。杜絕不經(jīng)施工技術(shù)人員批準(zhǔn)，私自增加配合比單位用水量。

（3）人工砂混凝土現(xiàn)場攪拌時間應(yīng)比天然砂混凝土增加30s。

（4）人工砂混凝土澆筑時應(yīng)均勻布料，對坍落度較小的人工砂混凝土，應(yīng)加強(qiáng)振搗，避免漏振。對坍落度較大的人工砂混凝土應(yīng)避免過振，并加大振搗半徑。

（5）人工砂混凝土采用泵送方法施工時，針對不同泵送高度，入泵混凝土坍落度值宜較天然砂混凝土增加30mm。

（6）人工砂混凝土初凝前，應(yīng)及時對其表面進(jìn)行壓光抹面處理，并應(yīng)加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)。

5 工程實例

某水庫除險加固工程溢洪道混凝土采用人工砂混凝土，強(qiáng)度等級為C25。該分部混凝土完工后，分別在溢洪道進(jìn)口段左邊墻貼坡、底板及泄槽段底板采用鉆芯法各鉆取2 組，進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度檢測。檢測結(jié)果顯示：溢洪道進(jìn)口段左邊墻貼坡混凝土強(qiáng)度分別為16.2MPa，15.6MPa；溢洪道底板混凝土強(qiáng)度分別為19.1MPa，17.5MPa；溢洪道泄槽段底板混凝土強(qiáng)度分別為17.5MPa，18.5MPa，均未達(dá)到設(shè)計要求。通過分析壓碎后的混凝土樣品，發(fā)現(xiàn)人工砂中含泥量或含粉量較高，針對這些問題，通過控制人工砂的顆粒級配、含粉量及含泥量，調(diào)整混凝土施工配合比，整改后，溢洪道進(jìn)口段左邊墻貼坡混凝土強(qiáng)度分別為46.6MPa，36.7MPa；溢洪道底板混凝土強(qiáng)度分別為35.1MPa，40.8MPa；溢洪道泄槽段底板混凝土強(qiáng)度分別為35.1MPa，41.6MPa，均遠(yuǎn)超設(shè)計要求。

6 結(jié)語

本文對人工砂在生產(chǎn)、應(yīng)用過程中可能存在的問題進(jìn)行了論述和總結(jié)。實際工程應(yīng)用實例也驗證了：嚴(yán)格按照規(guī)范要求，通過改進(jìn)人工砂生產(chǎn)工藝，嚴(yán)管人工砂的質(zhì)量；施工前，做好施工混凝土配合比試驗，施工時，嚴(yán)格按照規(guī)范及原材料的情況進(jìn)行混凝土配合比的適當(dāng)調(diào)整，人工砂也能配制出高強(qiáng)、高耐久性混凝土?？梢詰?yīng)用于水庫除險加固工程。

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