貴州地區(qū)機制砂配制中低強度混凝土的應用研究

柯俊濤

(葛洲壩集團第二工程有限公司，成都，610091)

1 概述

貴州六盤水機場高速公路工程，地處貴州山區(qū)，混凝土澆筑以泵送為主，按設(shè)計要求，C20、C25和C30等中低強度混凝土主要使用在橋梁樁基、墩柱、蓋梁及涵洞等位置，需用量約10萬m3左右，施工和易性要求好同時對混凝土外觀也有很高要求。項目部初始計劃兩種方案:一種是用河沙作為混凝土細集料;一種是全部采用機制砂，粗集料、水泥和外加劑均采用相同型號。結(jié)合本工程特點，對這兩種方案進行技術(shù)經(jīng)濟分析。河沙配置的混凝土施工工藝成熟，流動性好，泵送方便，易于施工，強度和工作性都容易滿足現(xiàn)場要求，但是當?shù)責o合格的河沙，采用此方案缺點是運距遠，運輸成本大，到場價格高(每m3280元)，且貨源不穩(wěn)定。機制砂本地料源豐富，機制砂場密布，價格低(每m3僅60元)，且質(zhì)量易控制，缺點是級配差，棱角多，石粉多，比表面積大，導致水泥漿需求多。綜合考慮質(zhì)量及進度成本要求，項目部選用機制砂配制混凝土，針對其缺點采用技術(shù)措施解決。

2 機制砂混凝土實驗

2.1 實驗用原材料

本次實驗以配制C25機制砂混凝土為例，設(shè)計坍落度140mm～180mm。

水泥:貴州博宏實業(yè)有限公司水泥分公司生產(chǎn)的“水鋼”P.O42.5普通硅酸鹽水泥，28d實測強度45.0MPa;

外加劑:KDSP緩凝減水劑;

粗集料:石灰石，采用2種碎石混合成5～31.5連續(xù)級配碎石;

細集料:母巖為石灰石，干法生產(chǎn)，細度模數(shù)3.2，原狀石粉含量14%?？紤]本次實驗用石粉含量不同的細集料，將原狀砂水洗烘干得水洗砂，再用水洗砂和石粉按比例配制出不同石粉含量的試驗用機制砂。

2.2 水灰比選擇

貴州省建設(shè)廳規(guī)程編制組在廣泛調(diào)研認真總結(jié)實踐經(jīng)驗，參考國內(nèi)有關(guān)標準，并廣泛征求意見的基礎(chǔ)上，出臺了地方標準《山砂混凝土技術(shù)規(guī)程》(DB24/016－2010)。本文參考此規(guī)程進行水灰比的初步選定，山砂混凝土的配制強度(fcu，0)應按式(1)計算:

式中:fcu，0——混凝土配制強度(MPa);

fcu，k——混凝土立方體抗壓強度標準值(MPa);

σ——混凝土立方體抗壓強度標準差(MPa)。

山砂混凝土的水灰比(w/c)按式(2)計算:

式中:w/c——水灰比;

αa、αb——回歸系數(shù);

fce——水泥28d抗壓強度實測值(MPa)。

其中，σ取4，回歸系數(shù)αa、αb分別取0.46、0.30。貴州山砂混凝土的最大水灰比應符合現(xiàn)行標準《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ55－2011的規(guī)定。通過計算，得出C25理論水灰比為0.55。其試驗配合比如表1所示。

表1 C25機制砂混凝土試驗配合比

圖1 灰水比與實測機制砂混凝土強度對應關(guān)系

從圖1可以看出，機制砂配制出的混凝土的灰水比與實測抗壓強度同樣存在良好的對應關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.98。此次實驗C25的配制強度為31.6，理論計算得出的水灰比為0.53，結(jié)合實驗實測的強度，考慮工程實際施工水平，選擇28d實測強度在33MPa左右比較合適，結(jié)合圖1，確定C25水灰比為0.53。

2.3 砂率的確定

砂率的變動會使骨料的空隙率和表面積顯著改變，在混凝土配制中，砂率過大，水泥漿不能充分包裹砂粒表面，砂粒之間的摩擦阻力加大使混凝土拌合物流動性減小，且會增大混凝土的干縮現(xiàn)象;砂率過小，砂漿量不足，不能充分包裹石子，使混凝土拌合物流動性減小，并易于離析、泌水。最優(yōu)砂率是在用水量和水泥用量一定的情況下，能使混凝土拌合物獲得最大流動性，并保持黏聚性、保水性良好。根據(jù)貴州當?shù)睾芏嗍褂脵C制砂的工程經(jīng)驗，機制砂混凝土的砂率一般較天然砂混凝土高3%～7%，具體以實際試驗而定。本次實驗在恒定水泥用量、用水量及外加劑用量條件下，按“五點法”進行砂率的優(yōu)選，在砂率40%～48%范圍內(nèi)每隔2%選取一個砂率進行混凝土拌合物和易性試驗，以混凝土坍落度最大時為最優(yōu)砂率，同時對比混凝土試件強度。試驗用配合比如表2所示。

表2 砂率變化實驗用配合比

對上述配合比進行試拌，并測其坍落度和試件強度。砂率對混凝土坍落度影響如圖2所示。

圖2 砂率與混凝土坍落度的關(guān)系

同時，對上述不同砂率的配合比成型混凝土試件，測得混凝土強度與砂率關(guān)系如圖3所示。

圖3 砂率與混凝土強度的關(guān)系

從圖2和圖3可以看出，砂率在46%時，坍落度和強度達到最大值，可以定義為最優(yōu)砂率。砂率對工作性尤其是坍落度影響較大，在最優(yōu)砂率46%時，流動性和保水性最好，對強度的影響與坍落度相比，變化不顯著但在最優(yōu)砂率時強度仍為最高值。綜上所述，機制砂混凝土的砂率一般較大，不能簡單套用天然砂混凝土推薦的砂率，配合比設(shè)計時必須通過試驗確定出最優(yōu)砂率。

2.4 石粉含量對坍落度及抗壓強度的影響

機制砂是巖石經(jīng)除土開采破碎和篩分制成，不可避免產(chǎn)生石粉，其礦物成分和化學成分與母巖相同，含量較高通常在10%以上。在實際應用時很多項目“談粉色變”，高價選用天然砂或高成本增加水洗設(shè)備除去石粉。按照《公路工程水泥混凝土用機制砂》(JT/T819－2011)規(guī)定，≤C30的混凝土用的機制砂當MB＜1.4時，石粉含量應≤10.0，這和武漢理工大學編寫的《機制砂在混凝土中的應用》要求一樣。本文結(jié)合現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范，通過配制不同的石粉含量機制砂混凝土，研究石粉含量對低標號混凝土的工作性及抗壓強度的影響。

參考以上的水灰比及砂率，固定水灰比為0.53，砂率46%，用水量150kg，外加劑摻量不變，選用石粉含量為8%、10%、12%、14%、16%、18%進行配合比試驗，研究混凝土的工作性能和力學性能(如圖4、圖5所示)。

圖4 石粉含量與坍落度的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著石粉含量的增加，坍落度先增加后減小，在石粉含量達14%時最大，同時在拌合時發(fā)現(xiàn)此時保水性、粘聚性也是在最佳狀態(tài)。對比這幾組石粉含量不同的混凝土，可明顯看出拌合物的粘聚性隨著石粉含量的增加而增加，離析現(xiàn)象也隨石粉含量增加明顯改善，可能是因為機制砂中的石粉增加了混凝土中漿體的比例，從而提高了混凝土的流動性，同時石粉還起到了微滾珠的作用，減少砂與砂之間摩擦而改善混凝土的和易性〔1〕。但石粉含量過高時，漿體過粘，流動性也不足。從此低標號C25混凝土來看，石粉含量在8%～16%之間，坍落度均可滿足要求。

同時，制作混凝土試件測得試塊抗壓強度(如圖5所示)。

圖5 石粉含量與抗壓強度的關(guān)系

從圖5可以看出，隨著石粉含量的增加強度先增加后減小，在12%～14%時達到最大值。結(jié)合工作性試驗，這時坍落度最大，和易性也最好，試件成型容易，密實度好，破型后發(fā)現(xiàn)氣泡也較少。原因可能是石粉在水泥水化過程中起到晶核作用，誘導水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化;石粉還對鈣礬石向單硫型轉(zhuǎn)化有阻止作用，從而提高了混凝土強度。

3 機制砂質(zhì)量控制

施工現(xiàn)場嚴格控制機制砂的質(zhì)量。用于加工機制砂的母巖，抗壓強度不低于75MPa，檢驗方法和結(jié)果處理按現(xiàn)行標準《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》執(zhí)行。機制砂生產(chǎn)料場選定前，對母巖的種類、成分進行鑒定，檢驗骨料中活性成分的品種和含量。

開采前，清除干凈表層覆蓋土和夾層土，并剝離風化層，強風化的碳酸鹽類巖石堅決不能用于生產(chǎn)。通過現(xiàn)場高頻率檢測，確定生產(chǎn)工藝參數(shù)，按設(shè)備的特性進行優(yōu)化，加強設(shè)備的維護，及時更換易磨損配件，穩(wěn)定山砂的質(zhì)量。成品機制砂干料堆料高度不宜超過5m，堆存的地面硬化，并設(shè)置防雨篷，堆場四周排水良好。

通過對料場取樣發(fā)現(xiàn)，雖然隨母巖的變化不可避免地出現(xiàn)石粉含量波動，但主要集中在10%～16%之間，結(jié)合工程實際發(fā)現(xiàn)仍然能滿足其工作性和強度的要求，無需刻意增加水洗設(shè)備，無謂增加成本。通過實踐證明，該工程澆筑的中低標號混凝土，工作性好，強度高，且結(jié)構(gòu)物外觀平整，罕見氣泡孔洞，在質(zhì)量保證的同時，也節(jié)約了工程成本，為項目部創(chuàng)造了經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

貴州地區(qū)機制砂資源豐富，級配較差，石粉含量也高，配制中低強度混凝土時，水灰比大，水泥用量少，混凝土容易離析泌水。適當提高砂率且有適當比例的石粉存在，可以很好地解決上述問題，使其工作性能大為改善的同時，強度也能很好保證。從該工程實踐可看出，配制中低強度的混凝土，含適當比例石粉的機制砂作為細集料完全沒問題，這對缺少天然砂的貴州地區(qū)來說，既可以充分利用現(xiàn)有資源、節(jié)約運輸成本、創(chuàng)造經(jīng)濟效益，又解決了洗砂生產(chǎn)中產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，同時也切實貫徹了“因地制宜，就地取材，節(jié)約資源，保護環(huán)境”的原則。

〔1〕蔡基偉，李北星，周明凱，胡曉曼．石粉對中低強度機制砂混凝土性能的影響．武漢理工大學學報，2006，(4):27～30．