機(jī)制砂摻河砂混凝土的配制及性能研究

陳立兵 陳 攀*

(中交二航局六分公司，湖北 武漢 430017)

機(jī)制砂摻河砂混凝土的配制及性能研究

陳立兵 陳 攀*

(中交二航局六分公司，湖北 武漢 430017)

通過對(duì)中交二航局武深高速TJ-5標(biāo)機(jī)制砂摻河砂混凝土的研究，闡述了機(jī)制砂與天然河砂的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)制砂摻河砂混凝土的級(jí)配情況進(jìn)行了分析，指出機(jī)制砂摻河砂混凝土具有更好的經(jīng)濟(jì)性和適用性。

機(jī)制砂，河砂，混凝土，性能，適用性

1 研究背景及意義

近年來，各類建設(shè)項(xiàng)目與日俱增，混凝土的需求量不斷增加；砂是混凝土重要組成部分之一，其需求量也不斷增加。由于優(yōu)質(zhì)天然砂屬于不可再生資源，并且隨著近年來環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，一些地區(qū)天然砂的開采受到限制，優(yōu)質(zhì)天然砂面臨供不應(yīng)求的局面。為了解決天然河砂不足，項(xiàng)目所在地河砂級(jí)配差且偏細(xì)的矛盾，機(jī)制砂得到了越來越廣泛的應(yīng)用。單純用機(jī)制砂配制混凝土其和易性較差，增加泵送難度。而機(jī)制砂摻偏細(xì)河砂混凝土不僅具有較高的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性，且機(jī)制砂的生產(chǎn)受氣候、季節(jié)影響小，料源穩(wěn)定充足，成本低，在生產(chǎn)工藝上能有效控制，其品質(zhì)指標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定。而偏細(xì)河砂本身級(jí)配不良，很多區(qū)域不準(zhǔn)使用，兩者結(jié)合使用有利于提高工程質(zhì)量，確保生產(chǎn)進(jìn)度，降低工程成本。

2 工程概況

本項(xiàng)目位于咸寧市崇陽縣境內(nèi)，因受制于當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)特點(diǎn)，天然河砂資源匱乏，大多從外地調(diào)運(yùn)，其料源不穩(wěn)定級(jí)配差且偏細(xì)，價(jià)格昂貴，隨著施工進(jìn)入高峰期，混凝土需求量急增，當(dāng)?shù)靥烊缓由斑h(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的需求。本項(xiàng)目線路全長(zhǎng)14.593 km。按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)修建，設(shè)計(jì)速度為100 km/h。合同段內(nèi)共有隧道2座，主線橋梁15座，30 m預(yù)制箱梁1 098榀；涵洞、通道共40道?；炷练搅抗灿?jì)約為24萬m3。

3 工程面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)

結(jié)合常規(guī)混凝土施工應(yīng)用于本工程中，存在以下問題：1)當(dāng)?shù)睾由百Y源匱乏，河砂價(jià)格較高，運(yùn)距遠(yuǎn)，不利于成本控制，其料源不穩(wěn)定，級(jí)配差且偏細(xì)，混凝土施工難以控制；2)單一使用機(jī)制砂作為細(xì)集料用于混凝土中，混凝土坍落度損失較大，和易性較差，泵送難，在運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)的情況下，不利于現(xiàn)場(chǎng)施工。為了解決以上問題，本項(xiàng)目根據(jù)機(jī)制砂和河砂的特點(diǎn)，提出使用本項(xiàng)目隧道中開采出來的巖石資源生產(chǎn)的機(jī)制砂與河砂混摻用做混凝土細(xì)集料，并進(jìn)行了混凝土配合比的試驗(yàn)研究工作。

4 機(jī)制砂與天然河砂特點(diǎn)

4.1 本項(xiàng)目機(jī)制砂與天然河砂簡(jiǎn)介

機(jī)制砂顆粒形呈三角形或方矩體，表面粗糙，棱角尖銳，有的片狀顆粒較多。本項(xiàng)目生產(chǎn)的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在3.2～3.6之間，大多偏粗，級(jí)配不良，致使機(jī)制砂混凝土存在和易性差，易離析等問題，這就勢(shì)必使得在配制機(jī)制砂過程中加大水泥用量，增加混凝土的成本。

因本項(xiàng)目地處山區(qū)受地理?xiàng)l件的限制，天然河砂級(jí)配較差，大多偏細(xì)，細(xì)度模數(shù)基本在1.9～2.3之間，無優(yōu)質(zhì)河砂資源供應(yīng)。

根據(jù)機(jī)制砂和河砂的特點(diǎn)，機(jī)制砂普遍較粗，篩余 0.3 mm以下所占的比例較小，而當(dāng)?shù)靥烊缓由暗牧?.3 mm以下細(xì)顆粒所占比例較多，與機(jī)制砂復(fù)合正好可填補(bǔ)0.3 mm以下的累計(jì)篩余，使細(xì)骨料具有良好的級(jí)配。與此同時(shí)，天然河砂可減小機(jī)制砂之間的內(nèi)摩擦力，從而使混凝土獲得良好的施工性能，因此，混合砂混凝土的和易性與流動(dòng)度接近優(yōu)質(zhì)天然中砂混凝土，甚至工作性能更好。將機(jī)制砂和天然河砂按一定比例配合而成的混合砂，用于混凝土中，不僅能節(jié)約成本，而且能大大改善混凝土的工作性能。

4.2 本項(xiàng)目機(jī)制砂與天然河砂級(jí)配情況

取用于本項(xiàng)目施工中具有代表性的機(jī)制砂和河砂進(jìn)行篩分試驗(yàn)，其結(jié)果見表1。

表1 機(jī)制砂與河砂的篩分試驗(yàn)結(jié)果

由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，該機(jī)制砂級(jí)配區(qū)屬Ⅰ區(qū)，級(jí)配不良，細(xì)度模數(shù)Mx=3.4，為粗砂，而天然河砂細(xì)度模數(shù)Mx=2.3，為中砂且偏細(xì)。因此，在機(jī)制砂中摻入一定比例的天然河砂調(diào)整機(jī)制砂的顆粒級(jí)配，以達(dá)到Ⅱ區(qū)中砂的級(jí)配要求。結(jié)合機(jī)制砂、河砂原材料價(jià)格，通過試驗(yàn)計(jì)算分析可得出，當(dāng)混合砂中機(jī)制砂與河砂摻配比例為60%∶40%時(shí)，其所配得混合砂的細(xì)度模數(shù)為2.9，級(jí)配區(qū)間為Ⅱ區(qū)，且具有較好的經(jīng)濟(jì)性，因此本研究?jī)?yōu)選機(jī)制砂與河砂摻配比例60%∶40%?；旌仙昂铣稍囼?yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 60%機(jī)制砂與40%河砂的合成試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 機(jī)制砂摻河砂混凝土配合比的研究

結(jié)合本項(xiàng)目原材料特點(diǎn)，通過試驗(yàn)分析確定了混合砂的摻配比例，然后進(jìn)行機(jī)制砂配合比、河砂配合比和混合砂配合比的設(shè)計(jì)與試配比對(duì)試驗(yàn)，并對(duì)其力學(xué)性能和工作性能進(jìn)行研究分析。

5.1 原材料的選擇

細(xì)集料為武漢鴻業(yè)成建筑工程有限公司生產(chǎn)的機(jī)制砂(細(xì)度模數(shù)3.4)和崇陽縣肖嶺公路局生產(chǎn)的天然河砂(細(xì)度模數(shù)2.3)；粗集料為崇陽縣昌盛采石場(chǎng)碎石5 mm～20 mm∶16 mm～31.5 mm=60%∶40%比例摻配，合成5 mm～31.5 mm連續(xù)級(jí)配；水泥為華新牌P.O42.5；粉煤灰為岳電廠F類Ⅱ級(jí)；減水劑為中交二航武漢港灣新材料有限公司生產(chǎn)的LS-SP聚羧酸系高效減水劑，減水率29%。

5.2 機(jī)制砂摻河砂混凝土配合比的研究與分析

本項(xiàng)目的混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)為C15～C50六個(gè)等級(jí)，本試驗(yàn)以C30墩柱混凝土為研究對(duì)象，進(jìn)行單一砂和混合砂混凝土配合比的設(shè)計(jì)與試配研究，并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析探討。C30墩柱混凝土設(shè)計(jì)要求：坍落度160 mm～200 mm。

5.2.1 配合比設(shè)計(jì)

按照常規(guī)配合比設(shè)計(jì)方法，根據(jù)設(shè)計(jì)文件和JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程要求對(duì)單一河砂混凝土配合比進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計(jì)工作，混凝土配合比的計(jì)算采用質(zhì)量法。得出其配合比見表3。

表3 C30河砂混凝土配合比表

5.2.2 配合比試配比對(duì)試驗(yàn)成果

在得出河砂混凝土配合比后，為了使試驗(yàn)具有可比性，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)保證混凝土設(shè)計(jì)容重、水膠比、膠材用量不變及混凝土工作性能接近的情況下，按規(guī)范要求依次對(duì)混合砂混凝土和機(jī)制砂混凝土進(jìn)行配比設(shè)計(jì)與試拌試驗(yàn)，因本項(xiàng)目采用偏細(xì)河砂和機(jī)制砂混摻制得中砂，以滿足混凝土用砂的要求，提高混凝土性能。根據(jù)JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范第6.3.4條中關(guān)于Ⅱ區(qū)中砂級(jí)配要求，高性能、高強(qiáng)度、泵送混凝土用砂宜選用細(xì)度模數(shù)為2.6～2.9的中砂，結(jié)合機(jī)制砂和河砂的顆粒級(jí)配情況和前期試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮到機(jī)制砂供給充足，生產(chǎn)成本低且質(zhì)量可以人為控制，提高機(jī)制砂的摻配比例符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求，因此本項(xiàng)目混合砂混凝土選用 60%的機(jī)制砂與 40%的河砂作為研究對(duì)象來配制混凝土。根據(jù)配合比設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)可得出表4，表5的試驗(yàn)結(jié)果，通過大量對(duì)河砂混凝土(A組)，機(jī)制砂混凝土(B組)，混合砂混凝土(C組)配合比的試配比對(duì)試驗(yàn)可以得出機(jī)制砂與河砂混凝土具有如下特點(diǎn)：

1)因機(jī)制砂的形狀粗糙尖銳不規(guī)則，多棱角，顆粒之間的咬合作用導(dǎo)致新拌混凝土流動(dòng)阻力大，工作性能差，容易離析。

2)機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土相比，在相同水膠比和同樣的膠材用量時(shí)，要滿足混凝土良好的工作性，機(jī)制砂采用的砂率比河砂明顯要大，這是因機(jī)制砂表面粗糙，多棱角，粗顆粒較多，故機(jī)制砂混凝土的砂率不宜按天然河砂混凝土砂率選取的方法直接選取，而應(yīng)根據(jù)機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)，顆粒級(jí)配，石粉含量等特點(diǎn)進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，通過合理利用機(jī)制砂的特點(diǎn)，調(diào)整機(jī)制砂的砂率，可以配制出工作性良好的混凝土。在配制混凝土過程中砂率過大會(huì)使混凝土變得粘稠而達(dá)不到預(yù)期的流動(dòng)性；砂率過小會(huì)使混凝土變得干硬易于離析。因此根據(jù)機(jī)制砂的特點(diǎn)選取合適的砂率，以保證混凝土拌合物具有良好的和易性與較高的抗壓強(qiáng)度是非常重要的。

3)機(jī)制砂的生產(chǎn)必然會(huì)產(chǎn)生石粉，而石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土各方面都有著十分顯著的影響，過多的石粉對(duì)混凝土的流動(dòng)性和強(qiáng)度等有不利的影響，但是機(jī)制砂中含有適量的石粉卻能彌補(bǔ)機(jī)制砂混凝土工作性差的缺點(diǎn)，起到填充顆粒間空隙的作用，能提高混凝土密實(shí)度，混凝土的粘聚性和保水性有所改善。同時(shí)細(xì)分散的石粉對(duì)C3S的水化起明顯的晶核作用，早期能與水泥熟料中的C3A和C4AF發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成具有一定強(qiáng)度的結(jié)晶水化物，且石粉具有填充作用，使混凝土更加密實(shí)，機(jī)械強(qiáng)度提高[1]。因此在生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)機(jī)制砂石粉含量的控制。

表5 C30混凝土工作性能與力學(xué)性能

5.2.3 工作性能分析

由試拌結(jié)果和表4，表5中所得數(shù)據(jù)可知，A組混凝土保水性較差，B組混凝土的坍落度損失較大，在混凝土試配強(qiáng)度都滿足要求的前提下，混合砂混凝土(C組)其出機(jī)狀態(tài)比河砂混凝土(A組)、機(jī)制砂混凝土(B組)明顯要好，坍落度損失較小。

因本項(xiàng)目地處山區(qū)，混凝土運(yùn)輸時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)混凝土的坍落度控制及坍落度損失要求較高，針對(duì)本項(xiàng)目細(xì)集料研究分析，機(jī)制砂過粗容易造成混凝土和易性差，其形狀粗糙尖銳不規(guī)則，多棱角，顆粒之間的咬合作用導(dǎo)致新拌混凝土流動(dòng)阻力大，易離析，不利于泵送，其中過多的石粉含量也會(huì)引起混凝土坍落度損失較快；河砂級(jí)配差且偏細(xì)，配得混凝土流動(dòng)性、保水性差，細(xì)砂的比表面積較大會(huì)加大水分的吸收，相同用水量的情況下，坍落度偏小。對(duì)混合砂進(jìn)行級(jí)配合成后，能有效的利用河砂中的細(xì)顆粒來減小機(jī)制砂之間的摩擦阻力，能配出良好級(jí)配，減小因細(xì)集料級(jí)配不良而造成混凝土工作性差，坍落度損失過大等問題，使混合砂混凝土具有較好的流動(dòng)性和保坍性。

6 結(jié)語

通過本項(xiàng)目試驗(yàn)研究，使用機(jī)制砂摻河砂配制混凝土，不僅解決了單一砂配制混凝土工作性和適用性差的問題，而且也解決了項(xiàng)目所在地河砂供不應(yīng)求級(jí)配差、成本高的問題，利用本項(xiàng)目隧道中開采出來的巖石資源生產(chǎn)機(jī)制砂，不僅節(jié)約了成本，也保護(hù)了環(huán)境。因此，在今后項(xiàng)目混凝土施工過程中，施工單位可因地制宜，采用經(jīng)濟(jì)性和適用性的混凝土配制方案，結(jié)合對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步的推廣使用，必將取得良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

[1] 王稷良,牛開民,劉 英，等.機(jī)制砂中石粉對(duì)混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀[J].公路交通科技,2008,25(9)：303.

Research on preparation for sand river of machine-made sand and its performance

Chen Libing Chen Pan*

(SixthBranchofNo.2HarborBureauofCCCC,Wuhan430017,China)

According to the research on the TJ-5 sand river of machine-made sand along Wuhan-Shenzhen Expressway by No.2 Harbor Bureau, the paper illustrates the concrete is bitterly economical and applicable, illustrates its features with the comparison of natural river sand, and analyzes the grading circumstances of the sand.

machine-made sand, river sand, concrete, performance, applicability

2015-02-06

陳立兵(1981- )，男，工程師

陳 攀(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)11-0109-02

TU528

A