機(jī)制砂特性及其在梁板混凝土中的應(yīng)用研究

陳爭 魏道凱

（山東交通職業(yè)學(xué)院，山東濰坊 261206）

0 引言

建設(shè)用砂石是構(gòu)筑混凝土骨架的關(guān)鍵原料，是消耗自然資源眾多的大宗建材產(chǎn)品。我國砂石年產(chǎn)量高達(dá)200億t，是世界最大的砂石生產(chǎn)國和消費(fèi)國。隨著天然砂石資源約束趨緊和環(huán)境保護(hù)日益增強(qiáng)，機(jī)制砂石逐漸成為我國建設(shè)用砂石的主要來源。機(jī)制砂在水利水電工程和工民建領(lǐng)域等應(yīng)用比較多，具有成熟的經(jīng)驗(yàn)。在公路建設(shè)領(lǐng)域，機(jī)制砂已應(yīng)用于橋梁基礎(chǔ)和橋梁下部等一般性混凝土工程，在橋梁上部的高標(biāo)號混凝土的應(yīng)用上，經(jīng)驗(yàn)較少，需要進(jìn)行深入的研究。

1 機(jī)制砂的特性

1.1 機(jī)制砂與河砂的對比

由于原材料及制砂工藝的多樣性，造成質(zhì)量不穩(wěn)定，機(jī)制砂與河砂的主要指標(biāo)見表1。

表1 機(jī)制砂與河砂主要指標(biāo)對比

1.2 機(jī)制砂中的石粉

（1）機(jī)制砂中的石粉顆粒粒徑與水泥或粉煤灰接近，遠(yuǎn)小于黏土的比表面積。合理的石粉用量可以增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，提高混凝土的和易性。不同含量的石粉，對不同標(biāo)號的混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不同。對于C30及以下混凝土，石粉含量在10%～15%，混凝土抗壓強(qiáng)度最高，對于C30-C60混凝土，石粉含量在10%左右時(shí)混凝土強(qiáng)度最高，對于大于C60標(biāo)號的混凝土石粉含量超過5%會降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。對于I類、II類、III類機(jī)制砂，石粉的限量分別為《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50—2011）的5%、7%、10%。橋梁基礎(chǔ)混凝土所用機(jī)制砂的石粉含量可參考值控制在10%，橋梁墩臺混凝土所用機(jī)制砂的石粉含量參考值可控制在7%，橋梁上部混凝土所用機(jī)制砂的石粉含量參考值可控制在5%。

（2）機(jī)制砂石粉含量先要進(jìn)行亞甲藍(lán)（MB）值的檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)小于75μm的顆粒是以石粉為主還是以泥土為主。機(jī)制砂的MB值與砂中含泥量成線性正比關(guān)系，而與石粉含量關(guān)系不大。MB值增大會顯著減小混凝土的坍落度，影響混凝土的工作性能。會顯著降低混凝土的抗折強(qiáng)度，對于橋梁上部混凝土中的機(jī)制砂，必須嚴(yán)格控制MB值。對于C30及以下混凝土應(yīng)小于1.2，對于C60等高標(biāo)號混凝土，MB值應(yīng)小于0.7。機(jī)制砂MB值對高標(biāo)號混凝土的抗折強(qiáng)度影響較大，對于以彎拉受力為主的梁板混凝土，如采用機(jī)制砂應(yīng)嚴(yán)格控制其MB值，最佳MB值應(yīng)控制在0.5～0.7g·kg-1。

2 機(jī)制砂的分類及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)制砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級。Ⅰ級用于強(qiáng)度等級大于C60的混凝土或梁板混凝土；Ⅱ級用于強(qiáng)度等級C35-C60的混凝土或橋梁墩臺混凝土，Ⅲ級用于強(qiáng)度等級小于等于C30的混凝土或橋梁基礎(chǔ)混凝土。

機(jī)制砂的粗細(xì)程度按細(xì)度模數(shù)分為粗砂、中砂、細(xì)砂三種規(guī)格，具體細(xì)度模數(shù)應(yīng)符合：粗砂：3.7～3.1；中砂：3.0～2.3；細(xì)砂：2.2～1.6。

機(jī)制砂宜采用開采的新鮮母巖制作，母巖巖石抗壓強(qiáng)度宜滿足表2的規(guī)定。

表2 機(jī)制砂母巖強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)制砂的壓碎值應(yīng)滿足要求，其具體指標(biāo)要求見表3。

表3 機(jī)制砂的壓碎值

機(jī)制砂應(yīng)具有合格的級配其級配曲線應(yīng)符合表4的規(guī)定。

表4 機(jī)制砂級配范圍

各類機(jī)制砂的級配區(qū)見表5。

表5 I類、Ⅱ類、Ⅲ類機(jī)制砂級配類別

3 機(jī)制砂混凝土特性

機(jī)制砂混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法與河砂混凝土的設(shè)計(jì)方法基本相同，但機(jī)制砂混凝土具有自身的特性。

（1）機(jī)制砂由于形狀不規(guī)則，針片狀含量高，在混凝土達(dá)到同樣和易性的情況下，機(jī)制砂的砂率比采用天然砂的砂率，需增加3%～5%。

（2）機(jī)制砂中的石粉含量增加使混凝土流動性降低，在保持相同坍落度的情況下，混凝土的用水量增加。如摻加減水劑，發(fā)揮減水劑最佳效果的機(jī)制砂的石粉含量為5%～10%。

（3）相同情況下，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量大于天然砂混凝土的強(qiáng)度和彈性模量約5%。在替代率50%的情況下，混合砂混凝土的強(qiáng)度和彈性模量最大，是天然砂混凝土強(qiáng)度和彈性模量的約1.1倍。

（4）天然砂鋼筋混凝土梁的抗裂能力優(yōu)于機(jī)制砂混凝土梁；為防止裂縫的發(fā)生，采用機(jī)制砂配置的橋梁梁板混凝土，其目標(biāo)強(qiáng)度應(yīng)提高5%。

4 機(jī)制砂在長晉線橋梁工程中的應(yīng)用

山西省省道長晉線公路橋梁上部構(gòu)造物包括C50混凝土T梁和箱梁。由于當(dāng)?shù)靥烊簧皡T乏，部分使用了機(jī)制砂，為保證梁板混凝土強(qiáng)度，防止梁板裂縫的發(fā)生，根據(jù)試驗(yàn)研究成果，為提高混凝土彈性模量，機(jī)制砂和天然砂的各自摻加比例為50%，在機(jī)制砂質(zhì)量和配合比設(shè)計(jì)方面采取了如下措施：

（1）嚴(yán)格控制機(jī)制砂的質(zhì)量，機(jī)制砂采用Ⅰ類砂，產(chǎn)地為晉城，其指標(biāo)滿足橋梁梁板的有關(guān)要求，實(shí)際檢測指標(biāo)見表6。

表6 機(jī)制砂物理性能檢測

由表6我們可以看出，該機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.8，屬于中砂，并且各項(xiàng)指標(biāo)符合《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）中機(jī)制砂的技術(shù)指標(biāo)。

天然砂產(chǎn)地為信陽，細(xì)度模數(shù)為2.56，屬于中砂。水泥采用天脊集團(tuán)水泥有限公司天脊牌P.O 52.5；減水劑采用巴斯夫化學(xué)建材（北京）有限公司RHEOPLUS25（HC）型高性能減水劑；碎石來自水東石料廠。本工程混凝土的目標(biāo)強(qiáng)度提高一個(gè)標(biāo)號，即55MPa。試配強(qiáng)度為64MPa。采用的配合比見表7。

本配合比砂率為42%，比采用天然砂的混凝土砂率約高4%；用水量為155kg·m-3，比采用天然砂的混凝土的用水量約高出10%。

5 結(jié)語

機(jī)制砂在水利水電工程和工民建領(lǐng)域、及橋梁的下部等主要以受壓為主的構(gòu)件上應(yīng)用較多，具有成熟的經(jīng)驗(yàn)，而在橋梁上部等以彎拉受力為主的構(gòu)件上應(yīng)用較少，在長晉公路橋梁上部構(gòu)造物混凝土中，應(yīng)用了機(jī)制砂和天然砂組成的混合砂。為防止梁體裂縫的發(fā)生，將機(jī)制砂的亞甲藍(lán)值（MB）控制在0.7g·kg-1，將石粉含量控制在5%、將壓碎指標(biāo)控制在15%；同時(shí)為提高混凝土彈性模量，將機(jī)制砂和天然砂的比例控制在1：1；為降低機(jī)制砂對鋼筋混凝土梁抗裂能力的不利影響，將混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度從C50提高到了C55。由于采取了以上具有針對性的措施，長晉公路橋梁上部構(gòu)造在使用過程中狀況良好，無受力裂縫等問題發(fā)生?？蔀轭愃茦蛄汗こ虘?yīng)用機(jī)制砂提供參考。

表7 混凝土配合比