機(jī)制砂混凝土在羅陽高速的應(yīng)用研究

沈大盛

廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司 510000

摘要：本文以羅陽高速機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)研究為背景，總結(jié)了國(guó)內(nèi)當(dāng)前機(jī)制砂研究情況，調(diào)研了廣東以及省外各大砂場(chǎng)機(jī)制砂的生產(chǎn)情況，基于工程經(jīng)驗(yàn)提出了本試驗(yàn)的級(jí)配，分析是否摻粉煤灰的C25及C30機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度，并進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用，為以后的機(jī)制砂混凝土配比以及施工應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂；混凝土；工作性能

Abstract：Taking the mechanism sand concrete experimental research of Luoyang expressway as background，summarizes the current domestic research on mechanism sand，and investigate on the production mechanism sand in Guangdong and outside.Based on the engineering experience，propose gradation of the test，analysis the C25 and C30 concrete with machine-made sand respectively，and practice into engineering applications，providing a reference for the later concrete ratio of mechanism sand and construction application.

Key words：manufactured sand；concrete；working performance

0 引言

水泥混凝土作為工程行業(yè)主要的材料之一，其主要原材料包括砂、石、水泥、水和其他外加劑，主要應(yīng)用于公路、橋梁、水利、建筑等土木行業(yè)中。而我國(guó)現(xiàn)在的基礎(chǔ)建設(shè)正處于鼎盛時(shí)期，對(duì)水泥混凝土的需要量非常大，導(dǎo)致對(duì)砂的需要量只增不減。而隨著河砂的大量開采，導(dǎo)致許多河道已經(jīng)掏空，甚至還出現(xiàn)亂采亂挖、毀田挖砂、破壞河道的情況，這不僅破壞了耕地以及堤壩，同時(shí)其亂開采也造成了環(huán)境的破壞，使得部分地區(qū)政府下令禁止打撈河砂。對(duì)于無法開采河砂地區(qū)或者河砂級(jí)配不能滿足要求時(shí)，只能舍近取遠(yuǎn)去其他地區(qū)購(gòu)買河砂，這必然導(dǎo)致了運(yùn)輸成本的增加，同時(shí)也造成了河砂供應(yīng)緊張，且價(jià)格逐年上漲，從而提高了工程造價(jià)。

1 機(jī)制砂研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

利用機(jī)制砂配制混凝土在國(guó)內(nèi)外已有多年歷史，并在工程中得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)最大的山峽工程、黃河小浪底工程均使用人工砂配制混凝土。實(shí)際工程中，已配制出C10～C70的普通混凝土和泵送混凝土，泵送最大高度達(dá)400m，在試驗(yàn)室設(shè)計(jì)強(qiáng)度C100的混凝土實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到155Mp。應(yīng)用范圍涉及無筋混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、高強(qiáng)混凝土、超高強(qiáng)混凝土等，現(xiàn)已推廣應(yīng)用于交通、水利、工業(yè)與民用建筑、鐵路等土木工程領(lǐng)域，取得了良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。并且機(jī)制砂混凝土有較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)和一系列的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，如JT/T 819-2011、GB/T14684、JGJ52、DB50/5017（重慶）、DBJ41/T048（河南）、DBJ52-55（貴州）、DG/TJ08-506（上海）等。這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定和實(shí)施為機(jī)制砂生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)提供了可靠技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 機(jī)制砂混凝土材料研究現(xiàn)狀

目前對(duì)機(jī)制砂的研究亦進(jìn)行得比較深入，如蔡基偉研究了石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響，李北星等人研究了石粉、粉煤灰等細(xì)小粒徑材料對(duì)高標(biāo)號(hào)機(jī)制砂混凝土的性能影響，也有學(xué)者研究了機(jī)制砂母巖性能對(duì)混凝土成品的影響等等，其中影響機(jī)制砂混凝土性能的主要因素有以下幾個(gè)：

（1）石粉

機(jī)制砂雖然級(jí)配不良，但由于其有較高的石粉含量，導(dǎo)致其堆積密度增大，空隙率減小，所以，機(jī)制砂不能簡(jiǎn)單的通過堆積密度或空隙率的大小來判斷其級(jí)配的好壞，一般情況下，使用的機(jī)制砂稍微偏出級(jí)配（II 區(qū)）的上限是比較正常的。而一些人將機(jī)制砂混凝土的大用水量歸咎于石粉，認(rèn)為石粉對(duì)混凝土是有害的，其實(shí)這是錯(cuò)誤的。機(jī)制砂尖銳的顆粒形狀對(duì)混凝土和砂漿的和易性是很不利的，而適當(dāng)?shù)氖鄣拇嬖诒銖浹a(bǔ)了這一缺陷，石粉與機(jī)制砂成分相同，在混凝土中主要起微集料作用，能充分改善混凝土的和易性。在混凝土單位體積用水量不變的情況下，石粉增加混凝土的漿量和漿體粘稠性，可以減少了泌水和離析。配制機(jī)制砂混凝土?xí)r，石粉含量應(yīng)控制在7%左右。機(jī)制砂中的部分石粉可以作為摻合料使用，其取代數(shù)量大致為水泥用量的10%，此時(shí)混凝土的強(qiáng)度不降低或降低很少，只是配合比設(shè)計(jì)需適當(dāng)調(diào)整混泥土的砂率以使混凝土獲得更好的工作性。機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在2.6～3.7之間，不宜過高或過低。細(xì)度模數(shù)太低，石粉含量高，細(xì)度模數(shù)太高，混凝土的黏聚性難以保證或造成砂率偏大。

（2）需水量

機(jī)制砂表面粗糙，石粉含量偏高，在相同條件下，配制相同坍落度的混凝土，機(jī)制砂比天然河砂需水量增加5～10kg/m3。機(jī)制砂比天然河砂需水量增加5～10kg/m3河砂混凝土和同配合比的機(jī)制砂混凝土相比，理論上由于顆粒比較光滑，摩擦阻力小，因此，在用水量相同時(shí)，坍落度大一些，能夠獲得較好的流動(dòng)性。但由于實(shí)際生產(chǎn)中，所采用的河砂往往含泥量較高，細(xì)度模數(shù)不穩(wěn)定，而同一廠家的機(jī)制砂則無此缺陷，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，可彌補(bǔ)部分河砂的缺點(diǎn)。而且由于機(jī)制砂表面粗糙，棱角多，在相同配合比，和易性相差不大的情況下，所配制的混凝土28d 抗壓強(qiáng)度明顯高于河砂混凝土。

（3）細(xì)度模數(shù)

機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)越小、級(jí)配越好、石粉含量越大，合理砂率就越小。機(jī)制砂混凝土的砂率一般較河砂混凝土高3%～6%，初選是一般在36%～42%范圍內(nèi)選取，泵送混凝土適當(dāng)提高。在保證混凝土拌和物黏聚性良好的前提下，應(yīng)盡可能選取較小的砂率，以保證混凝土的彈性模量和干燥收縮。如果機(jī)制砂的石粉含量或細(xì)度模數(shù)、級(jí)配發(fā)生變化，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行砂率調(diào)整。原則是：統(tǒng)一配合比用機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)變化范圍不宜超過±0.2，石粉含量變化不宜超過±1.0%，否則應(yīng)對(duì)配合比的砂率進(jìn)行調(diào)整。

1.3 機(jī)制砂生產(chǎn)調(diào)研情況

為了解機(jī)制砂生產(chǎn)工藝，先后到廣樂T5標(biāo)機(jī)制砂生產(chǎn)線、清遠(yuǎn)機(jī)制砂生產(chǎn)廠、從化某機(jī)制砂生產(chǎn)廠、二廣高速8標(biāo)、9標(biāo)碎石與機(jī)制砂生產(chǎn)線等地方進(jìn)行了實(shí)地考察和調(diào)研，通過調(diào)函了解了貴州某機(jī)制砂生產(chǎn)的情況，也與梅州市金陽耐磨材料有限公司的負(fù)責(zé)人了解了機(jī)制砂生產(chǎn)設(shè)備的情況，具體情況如下，圖1為各石場(chǎng)加工的機(jī)制砂的級(jí)配分布情況，由圖可知，1號(hào)石場(chǎng)級(jí)配基本符合要求；2號(hào)石場(chǎng)級(jí)配在2.36mm粒徑處稍微偏出級(jí)配上限；3號(hào)石場(chǎng)則在0.6mm以下粒徑處明顯低于下限；4號(hào)與5號(hào)石場(chǎng)級(jí)配則明顯符合要求；6號(hào)石場(chǎng)為本工程制砂的石場(chǎng)，所制機(jī)制砂篩分結(jié)果符合I 類機(jī)制砂級(jí)配范圍。母巖有花崗巖、石灰?guī)r以及變質(zhì)巖，各種母巖材質(zhì)均可制成機(jī)制砂，且制成的機(jī)制砂成品基本能滿足施工要求，并從機(jī)制砂廠的調(diào)研情況來看，通過合理的混凝土配合比設(shè)計(jì)使其應(yīng)用與工程實(shí)體，目前所使用機(jī)制砂混凝土工程未出現(xiàn)混凝土病害。

a）清遠(yuǎn)某砂場(chǎng) b）貴州某砂場(chǎng)

c）從化某砂場(chǎng) d）二廣某砂場(chǎng)1

圖1 各石場(chǎng)機(jī)制砂級(jí)配情況

2 工程背景

由于羅陽高速沿線碎石價(jià)格較高，河砂資源缺乏且運(yùn)距較遠(yuǎn)，及棄碴產(chǎn)生的租地、青苗補(bǔ)償、防護(hù)等高額費(fèi)用，結(jié)合公司對(duì)羅陽T3 標(biāo)的施工策劃，在公司的統(tǒng)籌安排下，項(xiàng)目部從合理利用資源，節(jié)約施工成本，保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，對(duì)隧道洞碴和路基部分石方進(jìn)行綜合利用，擬將4.75mm 以下瓜米石加工為機(jī)制砂。

本文以羅陽高速機(jī)制砂調(diào)研試驗(yàn)為背景，為研制出符合本工程要求的機(jī)制砂，本工程機(jī)制砂生產(chǎn)線建在現(xiàn)有碎石場(chǎng)附近，毗鄰河道，便于水洗加工；距離本工程拌合站近，成品運(yùn)輸堆放便利；同時(shí)考慮到對(duì)附近村民的影響，選址遠(yuǎn)離村莊；本項(xiàng)目采用碎石與機(jī)制砂聯(lián)產(chǎn)，碎石生產(chǎn)線配有一臺(tái)顎式破碎機(jī)和一臺(tái)反擊式破碎機(jī)，機(jī)制砂生產(chǎn)線配有棒磨式對(duì)輥制砂機(jī)，輪式洗砂機(jī)，細(xì)粉提取機(jī)。

同時(shí)為了保證生產(chǎn)的砂質(zhì)量質(zhì)量滿足要求，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)試，將剛開始為4.2細(xì)度模數(shù)降低至3.1；增加大口徑反向水管，對(duì)篩分前機(jī)制砂進(jìn)行分散，提高了篩網(wǎng)篩分效；細(xì)料提取機(jī)進(jìn)行振動(dòng)幅度和網(wǎng)面傾角的調(diào)整，控制細(xì)料的摻入比例，可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和工程實(shí)際來調(diào)整機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)、級(jí)配和石粉含量。

為得到該石場(chǎng)機(jī)制砂混凝土性能，結(jié)合羅陽高速項(xiàng)目的試驗(yàn)，做了以下試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原材料及配合比

表2 各標(biāo)號(hào)混凝土不同配比參數(shù)表

標(biāo)號(hào)序號(hào)每方原材料用量（kg/m3）

水水泥粉煤灰大石中石小石砂外加劑

C251172360 448504169747（河）9.34

2181370 428482161808（機(jī)）10.36

317730275776 332738（河）9.8

417430763430484161811（機(jī)）9.25

C301173395 425478159769（河）7.505

2173395 422474158827（機(jī)）9.875

317133969778 333710（河）7.34

416633669423476159831（機(jī)）8.69

本試驗(yàn)中采用以下的原材，具體參數(shù)如下所示：

水泥：采用英德海螺P.O42.5R水泥。水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度27.5%，28天強(qiáng)度48.1Mpa，比表面積357m/kg。

粉煤灰：采用黃埔發(fā)電廠粉煤灰。粉煤灰需水比102%，燒失量1.8%，細(xì)度19.4%。

碎石：采用田豐石場(chǎng)5～10mm（小石）、10～20mm（中石）、16～31.5mm（大石）三檔碎石。碎石級(jí)配滿5～31.5mm連續(xù)級(jí)配要求，壓碎值19.4，針片狀含量3.2%。

機(jī)制砂：母巖采用石主隧道爆破開挖出來的石灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度120.9Mpa，機(jī)制砂表觀密度2750kg/m3，泥塊含量0.1%。

外加劑：采用江蘇超力CPA-R緩凝高效減水劑。減水劑減水率為23%，凝結(jié)時(shí)間差為135min。

整個(gè)配合比設(shè)計(jì)參照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ55-2011）進(jìn)行，并依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，套用河砂混凝土配合比，通過調(diào)整砂率以及外加劑的摻量調(diào)整混凝土工作性。

本文機(jī)制砂混凝土設(shè)計(jì)為C25及C30混凝土配合比。混凝土配合比見表2。其中各標(biāo)號(hào)的混凝土均設(shè)有4個(gè)對(duì)比試驗(yàn)，其中有兩個(gè)對(duì)比試驗(yàn)為對(duì)應(yīng)的天然河砂所制混凝土，分別見表所示。

3.2 混凝土試配試驗(yàn)

表3 各標(biāo)號(hào)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)號(hào)序號(hào)工作性7d強(qiáng)度28d強(qiáng)度總體描述

坍落度擴(kuò)展度和易性

C251175510良好34.236.8滿足施工要求

2190530良好33.0 滿足施工要求

3190500良好31.535.5滿足施工要求

4195520良好32.6 滿足施工要求

C301195565良好34.839.7滿足施工要求

2205565良好38.8 滿足施工要求

3190535良好36.342.2滿足施工要求

4200550良好37.1 滿足施工要求

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）機(jī)制砂配制C25混凝土工作性良好，不摻粉煤灰外加劑摻量增加0.1%，7d 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度99.6%；摻粉煤灰外加劑摻量減少0.1%，7d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度98.2%；與天然河砂配制混凝土比較而言，在水灰比一致的情況下（因機(jī)制砂棱角性原因，適當(dāng)增大了膠材用量），機(jī)制砂配制C25混凝土能達(dá)到前者更好的工作性，一方面是由于增加了一定的膠材用量，另一方面機(jī)制砂里的石粉與膠材形成復(fù)配填充效應(yīng)，顆粒分布更合理，混凝土漿體顯得飽滿密實(shí)；與天然河砂配制混凝土比較而言，不摻入粉煤灰，機(jī)制砂混凝土7d低于河砂混凝土1.0Mpa，摻入粉煤灰，前者高于后者1.1Mpa。

（2）機(jī)制砂配制C30混凝土工作性良好，不摻粉煤灰7d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，摻粉煤灰7d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度97%；與天然河砂配制混凝土比較而言，在水灰比一致的情況下，機(jī)制砂配制C30水下樁混凝土能達(dá)到前者幾乎相同的工作性，尤其是摻入適量粉煤灰（15%）后，混凝土流動(dòng)性大，漿體包裹性好，無泌水離析，解決了機(jī)制砂混凝土易產(chǎn)生的“帽子”現(xiàn)象；與天然河砂配制混凝土比較而言，不摻入粉煤灰，機(jī)制砂混凝土7d強(qiáng)度強(qiáng)度均高于前者4.0Mpa，摻入粉煤灰，前者高于后者0.9Mpa。

4 結(jié)論與應(yīng)用

4.1結(jié)論

（1）本試驗(yàn)中各標(biāo)號(hào)機(jī)制砂混凝土工作性及力學(xué)性能均滿足要求，對(duì)于膠材用量在360kg/m以下的混凝土（C25），較河砂混凝土宜增加10kg/m用量來增加機(jī)制砂混凝土工作性，對(duì)于膠材用量在360kg/m以上的混凝土（C30），不必增加膠材用量，可獲得不低于河砂混凝土的工作性能。

（2）本工程機(jī)制砂級(jí)配良好，所制混凝土可以滿足工程需求，根據(jù)此試驗(yàn)配比可以進(jìn)行后續(xù)的工程應(yīng)用，或通過調(diào)整配合比配制其余強(qiáng)度混凝土，同時(shí)本工程的試驗(yàn)配比也可為以后的工程應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

4.2應(yīng)用

在已知機(jī)制砂混凝土7天強(qiáng)度基礎(chǔ)上，采用C20機(jī)制砂混凝土澆筑一板，拆模后顯示機(jī)制砂混凝土顏色均勻，氣泡較少，較河砂混凝土外觀更勝一籌，能夠很好的滿足工程需要。見圖2。同時(shí)機(jī)制砂C25混凝土用于隧道二襯結(jié)構(gòu)，機(jī)制砂C30混凝土用于水下樁基混凝土，圖3為取樣試驗(yàn)，坍落度和擴(kuò)展度均滿足要求，能很好的應(yīng)用于各施工部位。

圖2 右邊河砂，左邊機(jī)制砂

圖3 C25及C30機(jī)制砂混凝土取樣試驗(yàn)

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