機(jī)制砂性能及機(jī)制砂混凝土在高速公路中的應(yīng)用分析

文/楊明、汪帆

1 機(jī)制砂性能概述

機(jī)制砂是將巖石顆粒經(jīng)由機(jī)械破碎和篩分而得到的粒徑在0.075～4.75mm 之間的人工砂。其顆粒級(jí)配較差，細(xì)度模數(shù)較大，且粒徑不足0.075mm 的巖石石粉含量高，粒徑在2.36mm 以上的顆粒含量偏多，細(xì)度模數(shù)通常在3～3.7 之間，棱角尖銳、表面粗糙。與天然砂相比，機(jī)制砂對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響較大，因此機(jī)制砂混凝土的配置也就存在更大難度。

1.1 機(jī)制砂的級(jí)配

雖然機(jī)制砂級(jí)配不良，但因其石粉含量高，所以堆積密度較大、孔隙率小，不能簡(jiǎn)單而籠統(tǒng)地根據(jù)孔隙率及堆積密度的大小進(jìn)行其級(jí)配好壞的判斷。通常情況下，機(jī)制砂略微超出級(jí)配上限也較為正常。

1.2 石粉含量

機(jī)制砂內(nèi)的石粉主要指粒徑在0.075mm 以下的顆粒；石粉主要來(lái)自研磨后的巖石粉末。傳統(tǒng)的認(rèn)為機(jī)制砂混凝土中石粉含量增大會(huì)增加拌合用水量并降低混凝土力學(xué)性能的觀點(diǎn)并不準(zhǔn)確，因?yàn)闄C(jī)制砂具有較為尖銳的棱角，不利于砂漿及混凝土的和易性，而摻加適量的石粉能夠有效解決這一問(wèn)題。石粉因與機(jī)制砂具有相同的成分，所以能發(fā)揮微集料的作用，并改善和優(yōu)化混凝土材料的和易性，增大混凝土漿體的粘稠性，使其離析和泌水現(xiàn)象大大減輕[1]。在機(jī)制砂混凝土配置的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)將石粉摻量控制在7%左右。石粉作為摻合料使用后，能取代10%左右的水泥用量。僅需要在配合比設(shè)計(jì)階段調(diào)整混凝土砂率，且并不影響或降低混凝土材料強(qiáng)度。

1.3 細(xì)度模數(shù)

機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)通常在2.5～3.6 區(qū)間，如果實(shí)際細(xì)度模數(shù)過(guò)低，則石粉含量過(guò)高；細(xì)度模數(shù)過(guò)高，則會(huì)影響機(jī)制砂混凝土的粘聚性與砂率。機(jī)制砂混凝土的砂率通常比河砂混凝土高出3.4%～5.8%，且機(jī)制砂混凝土砂率取值通常在35%～42%范圍內(nèi)變化。為確保混凝土粘聚性，應(yīng)盡可能在這一區(qū)間內(nèi)減小砂率，以此有利于混凝土彈性模量控制和干燥收縮[2]。若機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)、級(jí)配及石粉摻量等發(fā)生改變，則必須將細(xì)度模數(shù)調(diào)整范圍控制在±0.2%、石粉含量的調(diào)整范圍控制在±1%，否則按照重新調(diào)整砂率的原則相應(yīng)地調(diào)整砂率。

2 機(jī)制砂混凝土

2.1 機(jī)制砂混凝土主要成分

混凝土配置采用石灰?guī)r機(jī)制砂材料時(shí)，考慮到外加劑的適用性問(wèn)題，不得使用酸性外加劑。如果使用聚羧酸鹽系高效減水劑，則應(yīng)在凈漿試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水泥和此類(lèi)外加劑適應(yīng)性的機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)[3]。

通過(guò)摻加粉煤灰弱化和改善機(jī)制砂級(jí)配不良進(jìn)而影響拌合物性能的問(wèn)題，并使機(jī)制砂混凝土材料凝聚性、保水性、泵送性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗收縮性等性能顯著改善。隨著機(jī)制砂石粉含量的增大，我們應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土砂率的控制，以取得最佳的混凝土材料粘度。

因機(jī)制砂表面粗糙、石粉含量高，為配置同等塌落度的混凝土，機(jī)制砂拌合用水量比河砂用水量多出5～10kg/m3。另外，機(jī)制砂還具有比河砂大的表觀密度，所以機(jī)制砂混凝土密度較高。通過(guò)假定容重法確定混凝土配合比時(shí)，應(yīng)高出河砂混凝土配合比30～40kg/m3。

通過(guò)以上分析可以看出，機(jī)制砂混凝土材料性能對(duì)石粉含量、外加劑摻量、砂率、拌合用水量等均較為敏感，如果所選用機(jī)制砂級(jí)配不良、砂率選擇不當(dāng)、外加劑類(lèi)型不符、拌合用水過(guò)多，則均會(huì)導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土發(fā)生泌水、離析等現(xiàn)象。為此，我們必須加強(qiáng)機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)及主要成分的控制。

2.2 機(jī)制砂混凝土性能

與同配比的河砂混凝土相比，機(jī)制砂混凝土因顆粒較為光滑、摩擦阻力小，坍落度更大，流動(dòng)性更好。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，河砂通常具有較高的含泥量和不穩(wěn)定的細(xì)度模數(shù)，而機(jī)制砂幾乎沒(méi)有此類(lèi)問(wèn)題，其性能穩(wěn)定，能有效彌補(bǔ)河砂的性能缺陷。此外，機(jī)制砂表面較為粗糙、多棱角，在配合比相同且和易性相差不大的情況下，機(jī)制砂混凝土28d 抗壓強(qiáng)度比河砂混凝土高[4]。

當(dāng)石粉摻加量增大時(shí)，漿體體積也隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土彈性模量不斷降低。隨著礦粉或粉煤灰摻量的增加，機(jī)制砂混凝土彈性模量更多取決于界面過(guò)渡區(qū)域及抗壓強(qiáng)度，且石粉含量高的機(jī)制砂混凝土彈性模量略低于天然河沙混凝土。根據(jù)干縮性試驗(yàn)結(jié)果，石粉摻量7%是機(jī)制砂混凝土干縮性能的分界點(diǎn)。當(dāng)石粉含量低于該臨界點(diǎn)時(shí)，混凝土齡期干縮率隨石粉摻量的增大而增大；而當(dāng)石粉含量高于該臨界點(diǎn)時(shí)，則隨石粉摻量的增大，混凝土齡期干縮率不斷減小。究其原因主要在于，石粉含量較低情況下，石粉處在硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物高堿性環(huán)境下，既會(huì)因晶核作用加速形成水化硅酸鈣，又會(huì)因其與硅酸鹽水泥水化物產(chǎn)生反應(yīng)而生成水化碳鋁酸鈣晶體，使?jié){體量和干縮性大大增加。當(dāng)石粉含量超出7%的臨界點(diǎn)后，大多數(shù)石粉和硅酸鹽水泥水化物的反應(yīng)難度增大，石粉中的微粒將混凝土結(jié)構(gòu)填充密實(shí)，并發(fā)揮抑制漿體收縮的作用，導(dǎo)致干縮率持續(xù)縮小[5]。

機(jī)制砂混凝土比河砂混凝土徐變值小，原因在于機(jī)制砂內(nèi)的石粉可以發(fā)揮微集料作用，進(jìn)一步增加混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，防止其發(fā)生結(jié)構(gòu)變形；此外，機(jī)制砂的多棱角性和粗糙表面也在很大程度上抑制了其結(jié)構(gòu)變形。

3 機(jī)制砂混凝土的應(yīng)用

3.1 工程概況

某高速公路橋預(yù)應(yīng)力混凝土梁擬采用懸灌法進(jìn)行施工，長(zhǎng)250m 的混凝土泵送管道中垂直部分管道110m。按照設(shè)計(jì)要求，混凝土3d 抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的至少80%，彈性模量至少為3.2×104MPa?？紤]到工程所在地細(xì)骨料資源匱乏、機(jī)制砂石粉含量高，因此必須在充分研究石粉影響機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制粉煤灰、減水劑等摻加量，達(dá)到優(yōu)化機(jī)制砂混凝土配合比的目的。

3.2 原材料的選用

3.2.1 水泥

本工程所使用的強(qiáng)度等級(jí)42.5 的普通硅酸鹽水泥中Cl-離子含量在0.06%以下，C3A 含量在8%以下，堿含量在0.8%以下，比表面積為340m2/kg，初凝時(shí)間至少為180min，終凝時(shí)間不超過(guò)240min，3d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為21MPa 和5.3MPa，28d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為47.5MPa 和7.6MPa，燒失量2.2%。

3.2.2 骨料

細(xì)骨料采用工程所在地某石料廠生產(chǎn)的機(jī)制砂，并通過(guò)人工方式將其配制成粒徑級(jí)配滿足設(shè)計(jì)要求的Ⅱ區(qū)中砂，其表觀密度為2.75cm2/g，堆積密度1650m3/kg，含泥量1.3%，石粉含量8.1%，吸水率0.9%，孔隙率40%，壓碎指標(biāo)17.6%。

粗骨料采用同一石料廠的碎石料，未檢出Cl-離子含量，并按設(shè)計(jì)比例配置5～25mm 連續(xù)級(jí)配骨料。

3.2.3 外加劑

粉煤灰、硅粉、礦渣粉等礦物外加劑的加入能夠改善混凝土性能，填充增密、提升材料耐久性等作用。此外，本工程還使用了與水泥具有相容性的聚羧酸高性能減水劑，以此保證高性能機(jī)制砂混凝土材料的成功配置。

3.3 施工措施

施工開(kāi)始前應(yīng)在施工現(xiàn)場(chǎng)拌和混凝土，并進(jìn)行泵送混凝土性能的試驗(yàn)依據(jù)相關(guān)性能參數(shù)的調(diào)整，為施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)制砂混凝土拌制、運(yùn)輸、泵送過(guò)程提供依據(jù)；此外，還應(yīng)調(diào)整出機(jī)、入泵、入模機(jī)制砂混凝土的擴(kuò)展度、塌落度、含氣量等變量關(guān)系，以便達(dá)到最佳的配合比，使最終配合比完全符合工程實(shí)際。本工程采用附著式振動(dòng)器和插入式振動(dòng)器相結(jié)合的機(jī)制砂混凝土振搗方法，保證全方位振搗施工。此外，還要加強(qiáng)對(duì)入模溫度、拆模溫差等的監(jiān)控，并將養(yǎng)護(hù)時(shí)間嚴(yán)格控制在21d。

3.4 混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)

本工程施工開(kāi)始前準(zhǔn)備工作較充分，且已根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)所進(jìn)行的混凝土拌制、泵送試驗(yàn)結(jié)果完成了混凝土拌制、泵送協(xié)調(diào)工作，大大縮短了混凝土罐車(chē)載料及等待時(shí)間。本工程在泵送混凝土的過(guò)程中并未出現(xiàn)堵管、離析等現(xiàn)象，且混凝土填充密實(shí)性良好。

目前，本高速公路工程已經(jīng)完成3200m3的C60 高性能混凝土澆筑任務(wù)，并未出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂等質(zhì)量問(wèn)題，外觀良好。對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)所選取的30 組尺寸為15cm×15cm×15cm 的混凝土試件進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果也表明，其3d 強(qiáng)度和彈性模量均滿足張拉要求；按照相關(guān)規(guī)范對(duì)28d 抗壓強(qiáng)度所進(jìn)行的評(píng)定結(jié)果表明，試件抗壓強(qiáng)度均值為72.4MPa，抗壓強(qiáng)度最小值為70.8MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為2.2，評(píng)定結(jié)果為合格。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析結(jié)果表明，通過(guò)混凝土配合比設(shè)計(jì)可有效解決機(jī)制砂普遍存在的級(jí)配不良問(wèn)題，生產(chǎn)出級(jí)配良好、性能優(yōu)異且力學(xué)性能和耐久性比河砂優(yōu)越的機(jī)制砂混凝土。隨著我國(guó)高速公路建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，用質(zhì)量好的機(jī)制砂代替河砂已經(jīng)成為緩解河砂資源供應(yīng)緊張局面的最佳途徑；成品機(jī)制砂篩分結(jié)果完全符合相關(guān)規(guī)范中混凝土用砂Ⅱ區(qū)中砂要求以及工程所在地地方政府相關(guān)規(guī)范中機(jī)制砂質(zhì)量控制要求。另外，試驗(yàn)室所配置的不同標(biāo)號(hào)的機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能也均符合設(shè)計(jì)要求，膠材用量小于360kg/m3可以使混凝土性能和強(qiáng)度基本不受影響，且具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。