機(jī)制砂特性在PHC管樁的應(yīng)用研究

吳其群 余曉文 滕耀華 夏偉 何國昌 王智

（1廣東和駿基礎(chǔ)建筑工程有限公司，廣東 中山 528400；2廣東三和管樁股份有限公司，廣東 中山 528400）

0 前言

自2017年以來，受資源枯竭、環(huán)保的要求及國家產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)等因素影響，在全國范圍內(nèi)，天然河砂的供應(yīng)相當(dāng)緊張，河砂從東南亞大量進(jìn)口已成事實(shí)。PHC管樁對砂的品質(zhì)要求比普通混凝土更高，管樁企業(yè)不時陷入（高品質(zhì)）河砂供應(yīng)不足的困境。因此，管樁企業(yè)使用機(jī)制砂既是迫在眉睫，也是長久之計。在我國，機(jī)制砂的發(fā)展已有多年的歷史，在普通混凝土中的應(yīng)用研究很多，技術(shù)相對成熟；管樁混凝土一般是河砂摻用部分機(jī)制砂，全機(jī)制砂在管樁中的使用還較少，這既有工藝技術(shù)的問題，也存在認(rèn)識上的不足。

GB/T 14684-2011《建設(shè)用砂》已經(jīng)將機(jī)制砂列入建筑用砂標(biāo)準(zhǔn)中，機(jī)制砂在顆粒形態(tài)、細(xì)度模數(shù)、物理性質(zhì)和化學(xué)成分等方面與河砂有明顯不同，本文從機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)和顆粒級配、壓碎指標(biāo)和輕物質(zhì)含量、試塊強(qiáng)度和實(shí)體強(qiáng)度方面分析研究機(jī)制砂對PHC管樁的應(yīng)用影響，以期利于全機(jī)制砂在PHC管樁行業(yè)更好的使用。

1 機(jī)制砂的特點(diǎn)

GB/T 14684-2011對機(jī)制砂的定義是經(jīng)除土處理，由機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的顆粒，俗稱人工砂。

國內(nèi)大部分機(jī)制砂廠缺少專業(yè)的整形設(shè)備，機(jī)制砂表面粗糙、多棱角，細(xì)度模數(shù)較大，級配不合理，最明顯的是機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中不可避免地產(chǎn)生約占總量的10%以上的粒徑＜0.075mm的石粉顆粒。部分機(jī)制砂，因母巖材質(zhì)的原因，含有軟質(zhì)顆粒（一般在砂石材料中，軟質(zhì)顆?；究傻韧谳p質(zhì)顆粒），甚或已不符合機(jī)制砂“不包括軟質(zhì)”的定義，所制得機(jī)制砂輕物質(zhì)含量偏高，壓碎指標(biāo)值偏大。部分機(jī)制砂內(nèi)部裂縫過多，需水量過大，限制了其在高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用。

總之，不同來源的機(jī)制砂千差萬別，是以GB/T 14684-2011中對機(jī)制砂在使用過程中也沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)[1]，主要還是根據(jù)其用途確定。所以，在PHC管樁混凝土中使用機(jī)制砂需要了解機(jī)制砂不同參數(shù)對管樁混凝土性能的影響。

2 細(xì)度模數(shù)和顆粒級配

由于細(xì)度模數(shù)試驗(yàn)簡單，計算方便、數(shù)據(jù)直觀，GB/T 14684-2011將其作為砂粒度的控制指標(biāo)。細(xì)度模數(shù)概念是美國人阿布侖在1981年提出的，用來衡量骨料的粗細(xì)程度。骨料幾何平均粒徑是細(xì)度模數(shù)的指數(shù)函數(shù)，即：

式中：Dm—骨料幾何平均粒徑；

Mx—細(xì)度模數(shù)。

戴鎮(zhèn)潮、李寧等[2-3]給出了具體推導(dǎo)過程：采用骨料篩分的篩孔尺寸由小到大為d0=0.075mm、d1=0.15mm、d2=0.30mm、d3=0.60mm、d4=1.18mm、d5=2.36mm、d6=4.75mm、d7=9.50mm……，以篩孔尺寸比2倍遞增，于是各分級的幾何平均粒徑為：

以上各式與式（1）對照可知，各分級骨料的細(xì)度模數(shù)由小至大分別為0、1、2、3、4、5、6……n。當(dāng)設(shè)各分級含量百分率相應(yīng)為a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6……an時，則混合骨料的幾何平均粒徑Dm的計算式為：

式中：S=a0+a1+a2+a3+a4+a5+a6……+an

設(shè)骨料的最小粒徑為0.075mm，則，S=100%=1。

對比式（1）和式（5），得到：

式（6）表明，細(xì)度模數(shù)Mx等于各分級骨料的細(xì)度模數(shù)（0、1、2、3、4、5、6……n）與相應(yīng)各分級含量百分率（a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6……an）乘積之和。用累計篩余百分率表達(dá)，細(xì)度模數(shù)Mx也等于各篩的累計篩余百分率的總和。

將式（6）具體應(yīng)用到砂篩分，根據(jù)砂的定義為＜4.75mm的顆粒，則砂的細(xì)度模數(shù)為：

或變換成GB/T 14684-2011給定的形式：

但是，從推導(dǎo)過程應(yīng)用到工程實(shí)際時，公式存在兩方面問題：

1）田文玉[4]指出，式（7）、式（8）明顯有不合理之處，未考慮篩底盤上＜0.15mm的部分，在試樣總量(100份)中也須扣除，其建議式(8)修改為：

2）筆者認(rèn)為，即使按照式（9）進(jìn)行了修正，因細(xì)度模數(shù)本身定義上的缺陷，在機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)數(shù)值上，仍然有很大的偏差，其原因是0.075～0.15mm檔的砂，細(xì)度模數(shù)定義為0，導(dǎo)致該檔顆粒無論多少，細(xì)度模數(shù)表征不出。

普通河砂，篩底（＜0.15mm顆粒）含量一般在3%以內(nèi)；而大部分機(jī)制砂因其特性，篩底含量占比達(dá)到10%以上（如表1），對顆粒級配影響非常大，不可忽略。這說明GB/T 14684-2011 定義的細(xì)度模數(shù)主要反映0.15～4.75mm之間的顆粒粗細(xì)情況，并不適合機(jī)制砂其＜0.15mm的細(xì)顆粒較多的情況。因此，在設(shè)計機(jī)制砂混凝土配合比時，應(yīng)同時考慮細(xì)度模數(shù)和顆粒級配。

試驗(yàn)用泉州林邊地區(qū)機(jī)制砂，由變質(zhì)花崗巖（見圖1）破碎制成，細(xì)度模數(shù)2.8，篩底含量16.0%（其中含粉量6.4%），見表1。

表1 機(jī)制砂篩分

3 壓碎指標(biāo)值和輕物質(zhì)含量

依據(jù)GB/T 14684-2011中“7.13.2壓碎指標(biāo)法”將上述林邊機(jī)制砂試樣放在干燥箱中于（105±5）℃烘干恒重，冷卻至室溫后，篩除大于4.75mm及小于0.30mm的顆粒，然后 篩 分 成0.30～0.60mm、0.60～1.18mm、1.18～2.36mm、2.36～4.75mm四個單粒級，對各單粒級進(jìn)行壓碎指標(biāo)值試驗(yàn)。

參照GB/T 14684-2011中“7.8輕物質(zhì)含量”試驗(yàn)方法，設(shè)計測量各單粒級輕物質(zhì)含量的試驗(yàn)。配置氯化鋅（化學(xué)純）溶液，密度2000kg/m3，將上述四個單粒級試樣分別置入氯化鋅溶液中，分離浮起的輕物質(zhì)，留下的試樣經(jīng)過濾、清洗、烘干、稱重后，計算得出各單粒級試樣的輕物質(zhì)含量，見表2。

表2 壓碎指標(biāo)值及輕物質(zhì)含量

測試結(jié)果表明：

1）試樣機(jī)制砂各分級壓碎指標(biāo)值隨著粒徑由小到大逐步上升，說明在相同壓力下，試樣砂顆粒越大越容易壓碎；與之相反，各分級輕物質(zhì)含量隨著粒徑由小到大逐步下降，且絕大部分輕物質(zhì)集中在0.30～0.60mm粒級，說明輕物質(zhì)更易于破碎。

2）試樣機(jī)制砂壓碎指標(biāo)值很大，達(dá)到33.3%，已超出了GB/T 14684-2011最低等級砂的質(zhì)量要求（Ⅲ級，壓碎指標(biāo)值≤30%）；輕物質(zhì)含量也遠(yuǎn)超GB/T 14684-2011的質(zhì)量要求（≤1.0%）。不符合標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)制砂能否用于高強(qiáng)度管樁混凝土存疑。

4 試塊強(qiáng)度和實(shí)體強(qiáng)度

本次試驗(yàn)在三和管樁某分公司進(jìn)行，試驗(yàn)從強(qiáng)度對比及離心作用對管樁混凝土材料的結(jié)構(gòu)分布影響入手，是一個統(tǒng)計性試驗(yàn)，旨在研究分析高壓碎指標(biāo)值機(jī)制砂在管樁中的使用。因時間跨度稍長，原材料品質(zhì)有略微波動，但總體保持穩(wěn)定。

4.1 原材料及配合比

1）水泥：某水泥廠P·Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥，3d強(qiáng)度34.6MPa，28d強(qiáng)度59.2MPa。

2）磨細(xì)砂：自加工，比表面積420 m2/kg，SiO2含量89%。

3）石：輝綠巖5～25mm，壓碎值指標(biāo)10%，含泥量0.6%。

4）減水劑：萘系高效減水劑，含固量30%，減水率19%。

5）砂：泉州林邊機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.8，篩底含量16.0%（其中含粉量6.4%）。

配合比見表3。

表3 生產(chǎn)配合比(kg/m3)

4.2 離心工藝及試件制作

500AB125 為常見樁型，企業(yè)生產(chǎn)連續(xù)，作為每月鉆芯取樣檢測的樁型。離心工藝取管樁壁厚中點(diǎn)的加速度，具體離心制度為0.95g（3min）→7g（1.5min）→28g（1.5min）→38g（5min）。

采用二次養(yǎng)護(hù)工藝，蒸養(yǎng)池85～90℃，脫模后再進(jìn)入高壓釜170～180℃（0.9～1.0MPa蒸氣壓）養(yǎng)護(hù)，所制作的100mm×100mm×100mm試塊養(yǎng)護(hù)和管樁同步。

據(jù)GB 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，試塊制作成100mm×100mm×100mm尺寸，抗壓強(qiáng)度折算系數(shù)取0.95。每月隨機(jī)選取管樁進(jìn)行鉆芯取樣，芯樣用雙端面磨平機(jī)磨平，芯樣尺寸φ75mm×75mm，抗壓強(qiáng)度折算系數(shù)取1.00，芯樣強(qiáng)度即為實(shí)體強(qiáng)度。

4.3 強(qiáng)度分析

統(tǒng)計2019年3～12月的試塊強(qiáng)度及當(dāng)月的鉆芯取樣強(qiáng)度，見表4。

表4 強(qiáng)度統(tǒng)計表(MPa)

在表4中，試塊平均強(qiáng)度72.4MPa，芯樣平均強(qiáng)度93.2MPa，表明管樁實(shí)體的強(qiáng)度很好。觀察鉆芯的試樣，砼料密實(shí)。 管樁最大離心力33g，計算此時的離心密實(shí)壓力為0.8kg·f/cm2，僅有這樣的離心密實(shí)壓力應(yīng)不足以密實(shí)混凝土[5]，但實(shí)際上混凝土結(jié)構(gòu)不僅分層了，振動液化將輕物質(zhì)“浮”了出來，且其密實(shí)度比一般混凝土還好，管樁混凝土的密度(容重)為2.5～2.6g/cm3。這主要是因?yàn)橐揽苛穗x心過程中管樁模的“振動”作用，也就是，管樁離心成型嚴(yán)格來講是離心力+振動力的復(fù)合，離心成型過程中管模的振動頻率一般每min達(dá)數(shù)千次。需要強(qiáng)調(diào)的是，離心成型過程中管模合理的振動是十分有益的，重要的是離心轉(zhuǎn)動時管模的振幅要控制在mm級，管模不能“跳動”，當(dāng)管?！疤鴦印睍r，其振幅達(dá)cm級，會引起管樁混凝土結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重時造成管樁混凝土內(nèi)壁不能成型，混凝土偏心或塌落。

一般地，天然河砂制得的試塊強(qiáng)度比樁身鉆芯取樣強(qiáng)度低5MPa左右，而本試驗(yàn)強(qiáng)度相差達(dá)到20.8MPa。鉆芯平均強(qiáng)度超過90MPa，分析主要原因有三：1）上述的離心力+振動力的成型密實(shí)過程；2）離心過程中，部分水分以余漿的形式排出，降低了水膠比；3）機(jī)制砂中輕物質(zhì)“浮”于管樁內(nèi)壁，構(gòu)成浮漿層，離開了混凝土結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于對原材料進(jìn)行了“分選”（見圖2），改善了原材料的品質(zhì)，從而極大提高了混凝土強(qiáng)度。

試塊平均強(qiáng)度未達(dá)到80MPa，從試塊破型后的界面看，大多數(shù)破壞面都是沿著砂漿結(jié)構(gòu)的。不同于離心混凝土的“分選”，輕物質(zhì)均布于試塊混凝土中，而輕物質(zhì)抗壓強(qiáng)度較低，在制成的試塊混凝土里形成了相對較薄弱的砂漿結(jié)構(gòu)。受力后，機(jī)制砂中輕物質(zhì)先破碎，砂漿出現(xiàn)裂縫，砂漿和石子結(jié)合面剝落，導(dǎo)致整個混凝土結(jié)構(gòu)被破壞。

圖1 林邊機(jī)制砂母巖

圖2 離心后混凝土分層結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

機(jī)制 砂在顆粒級配、顆粒形狀、輕物質(zhì)含量等方面與天然砂有很大不同，使用時應(yīng)根據(jù)機(jī)制砂的特性，運(yùn)用工藝技術(shù)手段揚(yáng)長避短。

1）受限于加工機(jī)械及機(jī)制砂母材特性，石粉含量在機(jī)制砂中偏多，而目前GB/T 14684-2011的細(xì)度模數(shù)指標(biāo)并不適合機(jī)制砂細(xì)顆粒及石粉較多的情況。因此，在設(shè)計機(jī)制砂混凝土配合比時，應(yīng)同時考慮細(xì)度模數(shù)和顆粒級配。

2）機(jī)制砂的定義中，“不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的顆?！保珜?shí)際情況是有一些機(jī)制砂母材本身就含有軟質(zhì)成分，制成的機(jī)制砂輕物質(zhì)含量偏高、壓碎指標(biāo)值超標(biāo)，在普通高強(qiáng)混凝土中應(yīng)用可能會受限，但是在管樁混凝土中，利用離心工藝，相當(dāng)于對機(jī)制砂材料再次分選，可以制得強(qiáng)度達(dá)90MPa的管樁。

3）本試驗(yàn)顯示，機(jī)制砂混凝土試塊強(qiáng)度比樁身鉆芯取樣強(qiáng)度低20MPa以上，既說明了機(jī)制砂對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響，又說明了采用離心工藝對管樁混凝土的結(jié)構(gòu)改善。采用全機(jī)制砂生產(chǎn)PHC管樁是可行的，用物當(dāng)用長。