花崗巖機制砂混凝土的性能研究及應用

丁海峰，程建鋁

(中國鐵建投資集團有限公司，廣東 珠海 519000)

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花崗巖機制砂混凝土的性能研究及應用

丁海峰，程建鋁

(中國鐵建投資集團有限公司，廣東 珠海 519000)

摘要:隨著我國基礎設施建設的不斷推進，河砂的需求量也日益增長。然而山嶺重丘區(qū)需長遠距離運輸，不但極大地增加了混凝土施工成本，而且也影響施工進度，因此采用機制砂取代河砂已成為一種必然趨勢。通過花崗巖機制砂混凝土的相關試驗研究，結(jié)果表明：采用機制砂取代河砂進行混凝土配合比設計是可行的，且拌合物的工作性能、硬化混凝土力學性能都能夠滿足設計要求。同時，提出花崗巖機制砂混凝土主要配合比設計參數(shù)、要點以及施工質(zhì)量控制措施。該技術在廣西資源至興安高速公路工程中全面應用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

關鍵詞：花崗巖；機制砂；混凝土；配合比設計參數(shù)；質(zhì)量控制措施

近年來，隨著我國基礎設施建設不斷加快，混凝土用量呈逐年增長趨勢。砂作為混凝土的原材料之一，對砂的需求量也日益增長。但由于部分地區(qū)天然河砂資源匱乏，交通不便，材料運輸困難，河砂過度開采，對自然環(huán)境造成嚴重影響等緣故，因此采用機制砂代替河砂是混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種發(fā)展趨勢[1-2]。針對機制砂混凝土的性能研究與應用，國內(nèi)外學者也取得了一些重要成果。在機制砂混凝土性能研究方面，Donza等[3]對比研究了花崗巖、石灰?guī)r和白云巖的機制砂對高強混凝土性能的影響，得出花崗巖機制砂混凝土強度性能較好。Bonavetti等[4-6]都認為機制砂中的石粉可以有效填充骨料間的空隙，阻斷水泥砂漿中孔隙的連通，石粉含量增加，可有效提高機制砂混凝土的抗?jié)B透性能。唐凱靖等[7]認為母巖巖性差異對機制砂自身特性及其配制的機制砂混凝土性能的影響明顯。芮捷等[8]通過試驗研究了機制砂級配對高標號混凝土性能的影響，確定了最佳機制砂級配在Ⅱ區(qū)中值和下限之間。盧自立等[9]通過試驗確定了機制砂混凝土較優(yōu)配比設計參數(shù)。徐大禎等[10-11]采用室內(nèi)試驗研究了粉體體積對機制砂低強度等級混凝土和易性的影響，提出合理當量粉體體積為150～160 L/m3。在機制砂混凝土應用方面，美國、英國、日本等國家，較早開始了機制砂的應用研究，到目前為止已經(jīng)有了相對豐富的應用經(jīng)驗[12]。2001年我國第一個包括機制砂的國家標準GB/T14684—2001《建筑用砂》[13]頒布實施。尹明等[14-16]都介紹了機制砂混凝土在工程中應用情況，此外三峽工程、云貴地區(qū)南昆、內(nèi)昆和株六鐵路、重慶嘉陵江黃花園大橋、中建大廈等大型工程[17]都采用了機制砂混凝土，其工程應用也越來越廣泛、經(jīng)濟效益顯著。然而機制砂大多數(shù)是來自石灰?guī)r破碎制成的，針對其他巖性的機制砂和機制砂混凝土的性能研究較少，因此本文以廣西資源至興安高速公路工程為依托，基于多工況試驗，探討花崗巖機制砂替代天然河砂在本工程中應用的可行性，確定了機制砂混凝土合理的配合比設計參數(shù)，為花崗巖機制砂混凝土在依托工程中的應用提供了依據(jù)。

1花崗巖機制砂的制備及基本要求

1.1花崗巖機制砂生產(chǎn)

花崗巖機制砂是指經(jīng)除土開采、機械破碎、篩分制成的粒徑在4.75 mm以下的花崗巖巖石顆粒。應選?、蠹壖耙陨项悇e、較為完整的花崗巖用于機制砂生產(chǎn)，其生產(chǎn)施工工序流程如圖1。

1.2花崗巖母巖強度要求

花崗巖機制砂應采用開采的新鮮的花崗巖母巖制作，母巖巖石的抗壓強度宜滿足表1規(guī)定。

1.3花崗巖機制砂的顆粒級配

機制砂生產(chǎn)必須嚴格控制其粒形和顆粒級配。相對于天然砂而言，機制砂顆粒多呈棱角，顆粒的比表面積更大，顆粒與顆粒之間的摩擦力也更大，只有保證機制砂良好的連續(xù)級配和適中的細度模數(shù)，才能降低其顆粒間的空隙，更好的滿足混凝土的施工和易性?；◢弾r機制砂按細度模數(shù)可分為粗砂、中砂，其顆粒級配應分別符合表2的規(guī)定。

圖1　機制砂生產(chǎn)流程圖Fig.1 Production process of manufactured sand

類別母巖強度要求Ⅰ類不宜小于80MPaⅡ類不宜小于60MPaⅢ類不宜小于30MPa

表2?、?，Ⅱ和Ⅲ類機制砂級配范圍

1.4壓碎指標

花崗巖機制砂的壓碎指標見表3。

表3　機制砂壓碎指標

2機制砂混凝土原材料及其性能指標

機制砂混凝土試驗中所采用的主要原材料及其性能指標如下。

2.1水泥

水泥采用興安海螺水泥有限責任公司海螺牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，性能指標見表4。

表4P·O42.5水泥的物理力學性能試驗結(jié)果

Table 4 Physical mechanics performance test results of cement P·O42.5

比表面積/(m2·kg-1)安定性凝結(jié)時間/min初凝終凝抗折強度3d28d密度/(kg·m-3)抗壓強度3d28d328合格1752885.67.6312026.348.2

2.2骨料

粗骨料采用梨子田碎石場的5～31.5 mm(三級配碎石)連續(xù)級配碎石，其性能指標見表5。碎石選用5～10 mm,10～20 mm以及16～31.5 mm三級配比，摻配比例按照20%∶50%∶30%進行摻配。

細骨料采用梨子田碎石場生產(chǎn)的花崗巖機制砂，并采用新寧新皂砂場生產(chǎn)的河砂進行對比分析，其性能指標分別見表6～7。

2.3礦物摻合料

采用湖南邵陽寶慶電廠Ⅱ級粉煤灰和冷水江鋼鐵廠S95級?；郀t礦渣粉，其性能指標分別見表8～9。

表5　粗骨料試驗結(jié)果表

表6　機制砂試驗結(jié)果表

2.4外加劑

采用湖北荊州銳利RL-8000高效聚羧酸減水劑，其性能指標見表10。

表7　河砂試驗結(jié)果表

表8?、蚣壏勖夯倚阅苤笜吮?/p>

表9　S95級?；郀t礦渣粉性能指標表

3機制砂混凝土配合比設計

機制砂混凝土的配合比設計參照相關規(guī)范GB/T50476—2008[18]和JGJ55—2011[19]要求進行，針對花崗巖機制砂顆粒、石粉含量等特性，在規(guī)范基礎上，通過試驗對配合比進行適當調(diào)整，以更好的滿足混凝土適用、合理、耐久、經(jīng)濟的工程需要。

3.1砂率設計

配置機制砂的混凝土選取級配范圍在Ⅱ區(qū)級配范圍的機制砂，細度模數(shù)控制在2.7～3.2范圍內(nèi)。因機制砂比表面積大、表面粗糙的特性，為保證機制砂的混凝土工作性能，與相同細度模數(shù)的天然砂相比較，應適當提高2%左右的砂率。

3.2坍落度設計

花崗巖機制砂中石粉與外加劑、水泥的適應問題普遍存在，直接反應在混凝土拌合物坍落度經(jīng)時損失大，在試配花崗巖機制砂混凝土配合比時，對混凝土拌合物進行坍落度損失試驗尤為重要，一般情況下應將坍落度經(jīng)時損失控制在30 mm/h內(nèi)，其溫度環(huán)境也應該盡量與實際施工溫度環(huán)境一致。

設計配合比時，應在滿足混凝土試配強度要求的前提下，結(jié)合施工工藝、混凝土運距及坍落度損失情況，適當提高混凝土的初始坍落度設計值，以滿足花崗巖機制砂混凝土坍落度經(jīng)時損失大的特性。

圖2為采用3種不同的坍落度(見表11)自下而上分3次澆筑時，澆筑的機制砂混凝土試驗柱外觀情況。由圖2可以看出，在不同的坍落度情況下，試驗柱的外觀差異明顯，施工時應根據(jù)試驗柱情況選擇合適的坍落度。

表10　高效聚羧酸減水劑試驗結(jié)果表

圖2　機制砂混凝土試驗柱外觀情況Fig.2 Test column appearance of manufactured sand concrete

3.3機制砂混凝土配合比試驗

以普通C35河砂混凝土配合比為基礎，結(jié)合機制砂的顆粒級配、石粉含量等特性，確定不同的

花崗巖機制砂混凝土的配合比，并進行對比試驗，坍落度為120～160 mm條件下的試驗結(jié)果見表12。圖3(a)和圖3(b)為采用河砂以及花崗巖機制砂混凝土外觀對比情況。

(a)機制砂；(b)河砂圖3　混凝土試件Fig.3 Concrete specimen

編號強度等級材料用量/(kg·m-3)水泥粉煤灰礦粉砂碎石水外加劑和易性初始坍落度/mm1h后坍落度/mm備注1C3532982—78610421614.11好160150機制砂2C3532982—78610421534.11好145130機制砂3C3532982—78610421454.11好130110機制砂

表12　機制砂與河砂混凝土配合比對比

表13　不同石粉含量機制砂混凝土性能測試結(jié)果

由表12及圖3可知：

1)通過適當調(diào)整花崗巖機制砂混凝土的砂率、外加劑及摻合料用量等，有利于改善機制砂混凝土的和易性與坍落度損失情況，其28 d抗壓強度較河砂混凝土強度略有提高。

2)通過坍落度試驗選擇最佳的坍落度，花崗巖機制砂試件與河砂試件的外觀質(zhì)量沒有明顯區(qū)別。說明采用機制砂取代河砂進行混凝土配合比設計是可行的，拌合物的工作性能、硬化混凝土力學性能都能夠滿足設計要求。

3.4不同石粉含量對混凝土強度的影響

以C30普通配合比為例，在水膠比、水泥用量、砂率、外加劑等不變的情況下，調(diào)整機制砂中石粉含量進行了花崗巖機制砂混凝土的性能分析，試驗結(jié)果見表13。

由表13可以看出，當機制砂中的石粉含量在6.7%～11.3%范圍內(nèi)波動時，混凝土拌合物的和易性基本不受影響，其7 d和28 d抗壓強度值也能保持相對穩(wěn)定。隨著機制砂中石粉含量繼續(xù)增大，拌合物性能變差，7 d和28 d抗壓強度值降低?？梢娫跐M足拌合物強度及工作性能的前提下，機制砂中的石粉含量應控制在一定范圍以內(nèi)。

規(guī)范JTG/TF50—2011[20]對機制砂的石粉含量指標進行了具體規(guī)定，見表14。對比表14和本文試驗結(jié)果，對于花崗巖機制砂混凝土，其石粉含量可在規(guī)范基礎上進行適當放寬。

表14　石粉含量技術要求

4花崗巖機制砂混凝土施工質(zhì)量控制

4.1攪拌時間的控制

花崗巖機制砂顆粒表面粗糙、多棱角，且顆粒級配波動較大，所以機制砂混凝土的攪拌時間應在天然砂混凝土攪拌時間的基礎上適當延長，建議延長30 s。運輸過程中的顛簸等容易加劇機制砂混凝土拌合物的離析，在混凝土到達現(xiàn)場后，建議高速旋轉(zhuǎn)罐車，保證混凝土的工作性能。

4.2拌合物性能控制

機制砂混凝土拌合物的水分蒸發(fā)速度比天然砂快，在大風的環(huán)境下水分蒸發(fā)更快，如果現(xiàn)場出現(xiàn)混凝土坍落度滿足不了正常施工生產(chǎn)的情況，可在運輸車罐內(nèi)加入適量的與原配合比相同成分的減水劑，但嚴禁現(xiàn)場加水改變水灰比，這是現(xiàn)場混凝土構(gòu)件強度達不到要求的主要原因，也將影響混凝土外觀質(zhì)量。

4.3混凝土收縮控制

針對機制砂混凝土的早期塑性收縮較大，承臺、地系梁、蓋梁等面層易出現(xiàn)干縮裂縫，在終凝之前宜采用抹面機械或人工多次抹壓并及時采取保濕養(yǎng)護措施，避免產(chǎn)生干縮裂縫。

4.4外觀質(zhì)量控制

經(jīng)室內(nèi)試驗實踐證明，未調(diào)整外加劑及礦物摻合料的機制砂混凝土表面氣泡、蜂窩麻面較多，究其原因還是機制砂顆粒粗糙，比表面積大，砂漿的表面張力比天然砂要小，流動性差，在氣泡破裂后，漿體不能及時填補造成表面氣泡，如圖4所示。

圖4　機制砂混凝土試件Fig.4 Manufactured sand concrete specimen

針對上述問題，除了控制機制砂本身質(zhì)量外，可通過調(diào)整外加劑成分，例如在不影響混凝土工作性能的情況下?lián)饺脒m當?shù)南輨?一般為0.05%左右)以減少大氣泡的存在，還可以通過摻加適量的粉煤灰、?；郀t礦渣粉等礦物摻合料，提高混凝土工作性能、降低單位用水量、提高混凝土后期強度、改善混凝土耐久性等很多優(yōu)點，應用效果明顯，如圖3(a)所示。

(a)模板漆;(b)透水模板布圖5　現(xiàn)場施工的墩柱Fig.5 Construction forming pier column

為了進一步改善機制砂混凝土外觀質(zhì)量，現(xiàn)場采用了模板漆及特殊材料透水模板布進行輔助施工試驗。試驗結(jié)果見圖5～7。從試驗結(jié)果可以看出透水模板布可以很好解決氣泡眼、蜂窩麻面等質(zhì)量通病，比模板漆效果要好，如圖5(b)和圖6(b)所示。而且模板布可以滿足對不同坍落度混凝土的澆注，圖6(b)的試驗柱按照表13的3種坍落度進行試驗柱澆注，試驗柱的整體效果較為一致。但透水模板布混凝土的表面比模板漆混凝土的表面略顯粗糙，光澤度不高，如圖7(a)和圖7(b)所示，且透水模板布成本較高，對模板布黏貼的平整度要求較高，經(jīng)比對現(xiàn)場選擇使用模板漆施工，其效果也能滿足施工質(zhì)量要求，如圖5(b)所示。

(a)模板漆；(b)透水模板布圖6　不同坍落度澆注試驗柱Fig.6 Test column with different slump

5工程應用

廣西資源至興安高速公路是安(康)至北(海)公路重要組成部分，是廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃“6橫7縱8支線”中縱2——資源(梅溪)至鐵山港高速公路的組成部分，主要構(gòu)筑物涵蓋了隧道工程、橋梁工程、路基工程。隧道圍巖級別以IV級和Ⅲ級圍巖為主。

(a)模板漆；(b)透水模板布圖7　混凝土表面狀況Fig.7 Appearance of manufactured sand concrete

資源縣境內(nèi)屬于資江水源保護區(qū)，對水源地河道整治管理嚴格，全縣基本無天然河砂開采。項目部前期對當?shù)厥那闆r進行了摸底，發(fā)現(xiàn)規(guī)模及質(zhì)量較為有保障的天然砂場離工程所在地運距最短為130 km，其高昂的運價及捉襟見肘的生產(chǎn)能力與全線巨大的需求量之間產(chǎn)生了日益突出的矛盾。為保證工程合理有序的正常進行，資興高速項目決定通過利用隧道Ⅲ級圍巖花崗巖洞渣破碎生產(chǎn)機制砂來替代天然河砂使用。

實踐證明，通過合理的控制機制砂中石粉含量，調(diào)整外加劑摻量和性能、適當?shù)膿饺氲V物摻合料，加強機制砂混凝土施工的管理與控制，配制的混凝土在工作性能上、結(jié)構(gòu)強度等方面都能取得良好的施工效果，可以很好地取代天然砂。

在廣西資源至興安高速公路施工中，C35及以下強度等級混凝土采用機制砂混凝土施工，已澆筑混凝土約500 000 m3，應用效果良好，減少了天然砂供應不足對施工進度的影響，在保證工程質(zhì)量的前提下，不但取得了較好的經(jīng)濟效益，而且減少了廢渣傾倒對環(huán)境的破壞，贏得了良好的社會效益。

6結(jié)論

1)在多工況配合比試驗的基礎上，確定了花崗巖機制砂級配、石粉含量、細度模數(shù)、外加劑類型及摻量、摻和料、砂率、坍落度損失控制和初始坍落度等主要混凝土配合比設計參數(shù)，指導了工程應用。

2)在水膠比、水泥用量、砂率和外加劑等參數(shù)一定的情況下，當花崗巖機制砂中的石粉含量在6.7%～11.3%范圍內(nèi)波動時，混凝土拌合物的和易性基本不受影響，其7 d和28 d抗壓強度值也能保持相對穩(wěn)定，花崗巖機制砂混凝土中石粉含量可在此范圍內(nèi)選取。

3)通過現(xiàn)場試驗和工程實踐，提出了一系列花崗巖機制砂混凝土施工質(zhì)量控制措施，較好地保證了花崗巖機制砂混凝土的現(xiàn)場施工質(zhì)量。

4)在廣西資源至興安高速公路工程中，C35及以下強度等級混凝土采用花崗巖機制砂混凝土施工，解決了天然砂供應不足的難題，降低了混凝土生產(chǎn)成本，工程應用效果良好，經(jīng)濟效益顯著。

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Research on performance and application of granite manufactured sand concreteDING Haifeng, CHENG Jianlü

(China Railway Construction Investment Company Limited, Zhuhai 519000, China)

Abstract：With the advancement of the infrastructure construction in our country, the demand of river sand is also growing. However, because of long distance transportation in mountainous heavy hilly area, the cost of concrete construction is improved, and the construction progress is also affected. So it has become an inevitable trend by adopting manufactured sand to replace river sand. Through the relevant experimental study on granite manufactured sand concrete, the results show that manufactured sand adopted to design the mix proportion of concrete instead of river sand is feasible. The work performance of mixture and mechanical properties of hardened concrete can meet the design requirements. At the same time, this paper puts forward main mix proportion design parameters, key points and construction quality control measures of granite manufactured sand concrete. The technology was applied comprehensively in Ziyuan-Xing’an highway engineering, and good economic and social benefits are produced.

Key words：granite; manufactured sand; concrete; design parameters of the mix proportion; quality control measures

中圖分類號：TU528.041

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0682-07

通訊作者：程建鋁(1959-)，男，天津人，教授級高級工程師，從事隧道、橋梁施工及研究工作；E-mail: 109061356@qq.com

基金項目：中國鐵建股份有限公司計劃項目(2011-5-6)

收稿日期：2015-08-05