混合砂配制高性能混凝土在鐵路工程中的應(yīng)用

趙淮生

(中鐵十五局集團(tuán)公司，河南 洛陽(yáng) 471013)

隨著建設(shè)工程的不斷增多，資源性材料消耗很大，其中生產(chǎn)混凝土所需的細(xì)骨料(砂子)每年約需20多億t。目前混凝土用細(xì)骨料主要采用天然河砂或山砂，隨著需求量的不斷擴(kuò)大，滿(mǎn)足要求的天然砂數(shù)量越來(lái)越少，砂資源短缺，價(jià)格上漲，另一方面天然砂的開(kāi)采對(duì)河床、農(nóng)田自然生態(tài)及環(huán)境破壞嚴(yán)重。

我國(guó)在20世紀(jì)80年代就有人開(kāi)始開(kāi)展機(jī)制砂的性能和機(jī)制砂混凝土的性能研究，通過(guò)20多年的探索、研究，取得了一些有價(jià)值的科研成果。國(guó)標(biāo)《建筑用砂》(GB/T14684—2001)增加了人工砂為建筑用砂之一，并規(guī)定了人工砂的定義、技術(shù)要求、檢驗(yàn)方法。國(guó)內(nèi)以人工砂替代天然河砂生產(chǎn)混凝土的規(guī)模越來(lái)越大，今后人工砂將作為建筑用砂的重要來(lái)源進(jìn)入建材市場(chǎng)。

淮河特大橋地處安徽省蚌埠市境內(nèi)，全長(zhǎng)80多公里，高性能混凝土用量300多萬(wàn) m3，工程設(shè)計(jì)使用壽命100年。當(dāng)?shù)厥規(guī)r豐富，質(zhì)量滿(mǎn)足要求的河砂資源比較匱乏，附近只有明光女山湖出產(chǎn)河砂，但質(zhì)量不穩(wěn)定，山東沂河及河南信陽(yáng)砂質(zhì)量穩(wěn)定但運(yùn)距非常遠(yuǎn)，價(jià)格高。為保證工程質(zhì)量、降低工程成本、充分利用當(dāng)?shù)刎S富的石灰?guī)r，對(duì)混合砂在高速鐵路水下高性能混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 混凝土原材料

采用蚌埠海螺P.O42.5水泥、淮南常華Ⅰ級(jí)粉煤灰、宿州始源S95級(jí)礦粉，物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1～表3。

表2 粉煤灰的主要性能

表3 礦粉的主要性能

混合砂由靈壁縣虞姬二山機(jī)制砂和明光女山湖天然砂組成，主要物理性能表4～表6。

表4 天然砂主要物理性能

機(jī)制砂級(jí)配性能比河砂差，顆粒棱角突出，粉塵含量高，這都是造成機(jī)制砂混凝土流動(dòng)性差、拌和物干澀的主要因素，表7說(shuō)明機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土用水量或坍落度的影響。因此機(jī)制砂的生產(chǎn)控制對(duì)于機(jī)制砂質(zhì)量尤為重要，重點(diǎn)監(jiān)控級(jí)配和石粉含量，一是選用合格干凈及滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的母巖做機(jī)制砂的原材料，二是選擇適宜的制砂設(shè)備，建議選用濕法、錘擊式生產(chǎn)工藝，再采用一定的石粉收集裝置。

表5 機(jī)制砂的主要物理性能

表6 混合砂主要性能

表7 機(jī)制砂不同石粉含量對(duì)混凝土的影響

高性能混凝土用機(jī)制砂的具體技術(shù)指標(biāo)一般應(yīng)滿(mǎn)足如下要求:①細(xì)度模細(xì)應(yīng)控制在2.6～3.2之間;②壓碎值指標(biāo)應(yīng) <25%，有條件的最好控制在20%以?xún)?nèi);③機(jī)制砂母材強(qiáng)度應(yīng)>70 MPa;④機(jī)制砂的含粉量應(yīng)控制在4%～8%之間。

采用靈璧青龍山碎石(5～15 mm和10～25 mm二級(jí)配)，摻配比例為30∶70。碎石物理性能見(jiàn)表8。

表8 碎石的物理性能

外加劑采用山西黃騰聚羧酸高效減水劑，減水率24.5%。采用地下飲用水。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

按JGJ/T55-2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的方法和步驟，進(jìn)行機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)，得到的結(jié)果與普通河砂得到的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律基本相同，保米羅公式在機(jī)制砂配合比設(shè)計(jì)中依然能夠起到很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

采用混合砂后需要改進(jìn)的問(wèn)題是:

1)混合砂的顆粒形狀為尖銳、棱角形，有別于渾圓狀的天然砂，其黏結(jié)力大，機(jī)械咬合作用強(qiáng)，故機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土比河砂高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度高。在配制機(jī)制砂超高強(qiáng)混凝土的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn):同水灰比的機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土比河砂高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度一般高5～10 MPa，可對(duì)混凝土配合比的系數(shù)進(jìn)行部分修正。

2)采用水下混凝土灌注工藝時(shí)，混凝土配制強(qiáng)度應(yīng)提高10%。

3)由于機(jī)制砂混凝土的抗?jié)B性差，所以必須從多孔材料滲透理論出發(fā)充分體現(xiàn)混凝土抗?jié)B性的特殊要求，這是保證機(jī)制砂混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的前提條件。

混合砂中機(jī)制砂和河砂占不同比例對(duì)混凝土初始性能的影響見(jiàn)表9。

表9 混合砂對(duì)混凝土初始性能的影響(同水膠比、同單方用水量)

為改善機(jī)制砂混凝土流動(dòng)性差、拌和物干澀的狀況，一方面要控制機(jī)制砂石粉含量和級(jí)配外，還可以摻用適量的礦物摻合料來(lái)改善其級(jí)配狀態(tài)。結(jié)合工程實(shí)際情況，最終混合砂混凝土配合比如表10所示，其中混合砂中機(jī)制砂∶河砂=62∶38(質(zhì)量比)，混凝土和易性、保水性均較好，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度42 MPa、坍落度180～220 mm、含氣量≥2.0%要求。

表10 混合砂混凝土配合比

對(duì)試配混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及電通量測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 抗壓強(qiáng)度及電通量

由以上數(shù)據(jù)可知，該配合比完全滿(mǎn)足淮河特大橋水下C30混凝土施工要求。

1)機(jī)制砂的配合比設(shè)計(jì)必須體現(xiàn)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用實(shí)踐。

2)當(dāng)混凝土的耐久性、和易性有特殊要求時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況摻入適當(dāng)?shù)膿胶狭?，同時(shí)摻合料的摻入可有效防止機(jī)制砂造成的干澀和收縮變形。

3)當(dāng)采用粉煤灰、礦粉等摻合料時(shí)采用超量取代法較等量取代法更有利于改善混凝土的性能。

4)由于機(jī)制砂的級(jí)配顆粒較大、篩分區(qū)間較集中，拌和物的性能較差，所以機(jī)制砂混凝土的砂率應(yīng)比普通混凝土的砂率高2%～5%。

3 混凝土的拌和、運(yùn)輸和澆筑

根據(jù)試驗(yàn)得出的機(jī)制砂混凝土配合比，在淮河特大橋樁基施工中進(jìn)行了使用。

機(jī)制砂混凝土的拌和與天然砂混凝土相同，其運(yùn)輸除應(yīng)滿(mǎn)足天然砂混凝土要求外，還應(yīng)符合下列規(guī)定:

1)高性能混凝土的運(yùn)輸應(yīng)盡量采用混凝土罐車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，同時(shí)運(yùn)輸車(chē)輛應(yīng)能夠自身進(jìn)行二次拌合，不能滿(mǎn)足運(yùn)輸能力的混凝土運(yùn)輸設(shè)備應(yīng)及時(shí)更換。

2)混凝土在出機(jī)或入模時(shí)其落差不大于2 m，當(dāng)落差較大時(shí)應(yīng)采用滑槽、串筒等器具來(lái)防止混凝土的離散和水分蒸發(fā)。

3)運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)檢驗(yàn)，主要包括出機(jī)溫度、坍落度、擴(kuò)展度、含氣量等信息?；炷恋倪\(yùn)輸過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格控制運(yùn)輸時(shí)間，對(duì)水下混凝土(摻緩凝高效減水劑)而言，混凝土運(yùn)至澆筑處的時(shí)間一般不宜超過(guò)180 min(并小于混凝土初凝時(shí)間2 h)。

機(jī)制砂混凝土的澆筑除應(yīng)滿(mǎn)足天然砂混凝土要求外，還應(yīng)符合下列規(guī)定:

1)澆筑混凝土?xí)r應(yīng)避開(kāi)風(fēng)、雨、雪天。冬季宜盡量放在白天氣溫較高的時(shí)段進(jìn)行。夏季氣候炎熱時(shí)宜在下午5時(shí)至次日9時(shí)澆筑?；炷吝\(yùn)至澆筑處的時(shí)間應(yīng)滿(mǎn)足要求。

2)運(yùn)輸、澆筑要銜接好，間歇時(shí)間要短，要連續(xù)作業(yè)。

3)在澆筑過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)混凝土的和易性、坍落度、出機(jī)溫度等不符合要求時(shí)應(yīng)在拌和站及時(shí)處理，不合格品不得出廠。運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)的混凝土入模前應(yīng)進(jìn)行入模溫度測(cè)試和和易性試驗(yàn)，不符合要求的應(yīng)交試驗(yàn)人員處理。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得出以下結(jié)論:

1)嚴(yán)格控制機(jī)制砂原材料的質(zhì)量關(guān)，重點(diǎn)監(jiān)控級(jí)配和石粉含量。一是選用合格干凈及滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的母巖做機(jī)制砂的原材料，二是選擇適宜的制砂設(shè)備。

2)機(jī)制砂級(jí)配性能比河砂差，顆粒棱角突出，粉塵含量高，這都是造成機(jī)制砂混凝土流動(dòng)性差、拌和物干澀的主要因素，混凝土配合比設(shè)計(jì)過(guò)程在遵循普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程的同時(shí)，還應(yīng)將改善機(jī)制砂混凝土和易性的措施綜合于配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，以提高混凝土拌和性能、力學(xué)性能和耐久性能。可以通過(guò)以下途徑來(lái)改善其功能性狀:一是控制機(jī)制砂中的粉塵含量;二是控制機(jī)制砂的顆粒級(jí)配，三是采用摻加外摻料等方法改善其級(jí)配狀態(tài)。

3)機(jī)制砂混凝土的施工應(yīng)更強(qiáng)調(diào)協(xié)調(diào)性、統(tǒng)一性和質(zhì)量管理全過(guò)程控制。

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