特細(xì)砂在肯尼亞蒙內(nèi)鐵路混凝土工程中的應(yīng)用

王 斌

( 中交路橋華東工程有限公司，上海 201201)

當(dāng)前，我國正在積極推進(jìn)“一帶一路”倡議，肯尼亞是“一帶一路”倡議東非布局的首站，而蒙內(nèi)鐵路是我國企業(yè)在肯尼亞承建的重要工程項(xiàng)目。蒙內(nèi)鐵路是連接?xùn)|非最大港口城市蒙巴薩和首都內(nèi)羅畢的標(biāo)軌鐵路，采用中國國鐵一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，并由中國企業(yè)負(fù)責(zé)運(yùn)營管理。蒙內(nèi)鐵路是中非從此區(qū)域合作起步，共同建設(shè)非洲高速鐵路、高速公路和區(qū)域航空三大網(wǎng)絡(luò)的重大項(xiàng)目。東非地區(qū)乃至非洲實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，將對(duì)非洲國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要支撐作用。

蒙內(nèi)鐵路的修筑對(duì)于肯尼亞具有非凡的意義，同時(shí)也可以推動(dòng)國家“一帶一路”倡議在東非地區(qū)乃至非洲地區(qū)的落地開花，因此蒙內(nèi)鐵路的施工質(zhì)量受到各方關(guān)注，而混凝土工程質(zhì)量對(duì)于工程質(zhì)量起到了決定性作用，但是肯尼亞當(dāng)?shù)鼗炷猎牧吓c國內(nèi)差異較大，在實(shí)際施工過程中需要開展試驗(yàn)研究工作，以充分利用肯尼亞當(dāng)?shù)夭牧希档凸こ淌┕こ杀?，保證工程工期，確保混凝土滿足國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求[1-5]?？夏醽啴?dāng)?shù)靥丶?xì)砂分布較為廣泛，但是由于特細(xì)砂細(xì)度較細(xì)，影響混凝土工作性能和力學(xué)性能。該文從特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)合摻配，骨料預(yù)處理等角度，開展了試驗(yàn)研究工作，以期推動(dòng)特細(xì)砂在蒙內(nèi)鐵路中的應(yīng)用。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥：肯尼亞當(dāng)?shù)厮鄰S生產(chǎn)的CEM I 42.5水泥(參照歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN197)，3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為31.6 MPa、53.2 MPa，初凝時(shí)間179 min，終凝時(shí)間290 min，比表面積370 m2/kg，化學(xué)成分見表1。

2)粉煤灰：國內(nèi)進(jìn)口過去的I級(jí)粉煤灰，粉煤灰細(xì)度9.2%(45 μm篩余)，需水量比95%，28 d活性指數(shù)76%。

表1 水泥的化學(xué)成分 w/%

3)碎石：蒙內(nèi)鐵路沿線項(xiàng)目部自有采石場生產(chǎn)的5～13 mm和10～19.5 mm碎石，摻配比例4∶6，密度2 970 kg/m3，飽和面干吸水率為2.5%，碎石如圖1所示。

4)砂：肯尼亞當(dāng)?shù)靥丶?xì)砂，細(xì)度模數(shù)1.1，含泥量1.9%，試驗(yàn)用特細(xì)砂如圖2所示；機(jī)制砂為蒙內(nèi)鐵路項(xiàng)目部自產(chǎn)，玄武巖母巖，細(xì)度模數(shù)3.2，石粉含量10%。

5)減水劑：國內(nèi)聚羧酸高性能減水劑，減水率30%，含固量26.9%。

1.2 方法

1)混凝土拌合物性能試驗(yàn)按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50080—2016測試混凝土坍落度與1 h坍落度、含氣量、泌水率。

2)抗壓強(qiáng)度，按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2019測試混凝土抗壓強(qiáng)度，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，測試齡期為3 d、7 d、28 d、56 d。

2 結(jié)果與分析

2.1 特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻

采用項(xiàng)目部生產(chǎn)的機(jī)制砂與特細(xì)砂復(fù)合摻配，主要考慮是項(xiàng)目部生產(chǎn)的機(jī)制砂細(xì)度較粗，顆粒級(jí)配上兩頭大，中間小，缺少0.30～1.18 mm之間的顆粒，因此特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)摻使用一方面改進(jìn)了機(jī)制砂級(jí)配，另一方面將特細(xì)砂資源用到了工程中，試驗(yàn)配合比見表2。混凝土配合比參數(shù)均一致，膠凝材料用量378 kg/m3，粉煤灰摻量19%，水膠比0.395，混凝土砂率隨著特細(xì)砂比例的下降，復(fù)合砂細(xì)度提高，砂率適當(dāng)增大。設(shè)計(jì)特細(xì)砂和機(jī)制砂復(fù)摻比例不同，特細(xì)砂∶機(jī)制砂比例設(shè)計(jì)分別為10∶0、7∶3、5∶5和3∶7，不同復(fù)摻比例混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

結(jié)合表2和表3的試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同的外加劑用量的情況下，隨著復(fù)合砂中機(jī)制砂比例的增加，混凝土初始坍落度呈現(xiàn)增加趨勢，后略微下降，特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配比例10∶0、7∶3、5∶5和3∶7，混凝土初始坍落度分別為175 mm、190 mm、215 mm、200 mm，可見特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配比例5∶5時(shí)坍落度最大，另外特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配比例5∶5和3∶7時(shí)，混凝土可以滿足泵送施工要求，而另外兩個(gè)摻配比例只能采用吊斗施工方式。不同特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配比例的混凝土1 h后的坍落度損失均較大，1 h后四組混凝土坍落度在110～130 mm之間，為保證混凝土滿足施工要求，應(yīng)在減水劑的減水和保塌成分的比例摻配上做進(jìn)一步調(diào)整。

表2 與機(jī)制砂復(fù)摻配合比

表3 不同機(jī)制砂復(fù)摻比例混凝土拌合物性能及抗壓強(qiáng)度

隨著復(fù)合砂中機(jī)制砂比例的增加，混凝土的泌水率呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配比例5∶5時(shí)混凝土泌水率最小，為15%，相比于特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配比例10∶0的混凝土泌水率下降了60%?；炷梁瑲饬侩S著復(fù)合砂中機(jī)制砂比例的增加逐漸增大，特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配比例10∶0、7∶3、5∶5和3∶7，混凝土含氣量分別為2.5%、2.8%、3.2%、3.4%，對(duì)于普通鐵路混凝土而言，標(biāo)準(zhǔn)《鐵路混凝土》TB/T3275要求含氣量在2%～4%之間，可見，各個(gè)特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配比例的混凝土含氣量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。如果考慮將特細(xì)砂用于凍融環(huán)境和鹽類結(jié)晶環(huán)境下，需要通過加入專用引氣劑開展專門試驗(yàn)，確?；炷梁瑲饬砍^4%。

隨著復(fù)合砂中機(jī)制砂比例的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，28 d齡期時(shí)，特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配比例3∶7，相比摻配比例10∶0、7∶3、5∶5分別下降了11.9%、8.2%、6.2%；56 d齡期時(shí)，特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配比例3∶7，相比摻配比例10∶0、7∶3、5∶5分別下降了6.0%、2.7%、2.4%。

可見，通過摻配項(xiàng)目部生產(chǎn)的機(jī)制砂，特細(xì)砂混凝土的坍落度得到提高，泌水率下降，含氣量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是抗壓強(qiáng)度略有降低。可能的原因?yàn)?，通過在特細(xì)砂中摻配機(jī)制砂，復(fù)合砂的級(jí)配相比于單獨(dú)使用特細(xì)砂和機(jī)制砂得到極大的改善，孔隙率降低，需要填充空隙的漿體量降低，多出的漿體量則起到了提高混凝土工作性能的作用，但是由于漿體體積相對(duì)增加，造成混凝土中薄弱環(huán)境增加，另外機(jī)制砂中含有大量的石粉，其用量增加意味著漿體中的惰性成分增加，因此混凝土抗壓強(qiáng)度隨著機(jī)制砂用量的增加呈現(xiàn)了下降趨勢。

2.2 粗骨料預(yù)處理對(duì)特細(xì)砂混凝土性能的影響

由于肯尼亞當(dāng)?shù)睾芏嗨槭柡兔娓晌瘦^大，本次試驗(yàn)采用的碎石吸水率即為2.5%，較大的吸水率使得拌合用水損失較快，混凝土坍落度保持難度大，同時(shí)影響著混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。為保證特細(xì)砂在工程中的應(yīng)用，研究采用預(yù)處理技術(shù)措施改進(jìn)大吸水率骨料，保證混凝土性能，試驗(yàn)研究采用K3混凝土配合比，特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配比例5∶5。

試驗(yàn)研究采用的預(yù)處理技術(shù)措施包括預(yù)濕和預(yù)裹水泥漿。預(yù)濕處理是在粗骨料配制混凝土之前，用拌合水將其潤濕，在混凝土拌合時(shí)減掉碎石中的含水，即是扣除碎石質(zhì)量乘以飽和面干吸水率的水。粗骨料預(yù)裹水泥漿又稱為造殼工藝處理技術(shù)，即在混凝土攪拌時(shí)，首先拌合漿體，然后加入粗骨料，使得粗骨料裹附一層漿體，以加強(qiáng)粗骨料表面強(qiáng)度，降低粗骨料吸水率。預(yù)濕和預(yù)裹水泥漿兩種預(yù)處理技術(shù)處理后的骨料吸水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同預(yù)處理措施與骨料吸水率

從表4不同預(yù)處理技術(shù)對(duì)骨料吸水率影響的試驗(yàn)結(jié)果可知，通過預(yù)濕工藝對(duì)于骨料吸水率沒有影響，預(yù)濕工藝僅僅是改變了骨料吸水的時(shí)間，在混凝土拌合之前提前吸水，減少了骨料對(duì)減水劑的吸附，從而改善混凝土工作性能。對(duì)于預(yù)裹水泥漿技術(shù)措施，隨著預(yù)裹水泥漿水膠比的降低，骨料吸水率呈現(xiàn)下降的趨勢，預(yù)裹水泥漿水膠比分別為1.0、0.8、0.6，處理后的骨料吸水率分別為2.0%、1.8%和1.4%，說明較低的預(yù)裹水泥漿水膠比能夠降低骨料吸水率；預(yù)裹水泥漿相同的水膠比下，隨著粉煤灰摻量的降低，骨料吸水率增大，粉煤灰摻量分別為30%、20%、10%，骨料吸水率分別為1.8%、2.1%、2.3%，主要是由于粉煤灰顆粒粒徑較小，可以較好地填充骨料的開口孔隙，降低骨料吸水率。

表5 骨料預(yù)處理方式對(duì)混凝土性能的影響

由表5骨料預(yù)處理方式對(duì)混凝土性能的影響試驗(yàn)結(jié)果可知，通過骨料預(yù)濕工藝處理后配制的混凝土，初始坍落度略有提高，1 h坍落度損失得到較大的改進(jìn)，同時(shí)泌水率由處理前的15%下降至11%，泌水減小明顯，另外預(yù)濕處理還提高了混凝土抗壓強(qiáng)度，以28 d齡期為例，處理前混凝土抗壓強(qiáng)度為45.1 MPa，預(yù)濕工藝處理后抗壓強(qiáng)度為46.7 MPa，說明骨料預(yù)濕處理工藝處理效果較好，值得在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，預(yù)裹水泥漿技術(shù)措施對(duì)于混凝土坍落度提高明顯，五組預(yù)裹水泥漿技術(shù)處理后的骨料配制的混凝土初始坍落度均大于220 mm，可以較好地滿足泵送混凝土施工要求。對(duì)于1 h的混凝土坍落度保持而言，較低的預(yù)裹水泥漿水膠比效果較佳。預(yù)裹水泥漿水膠比分別為1.0、0.8和0.6，1 h后混凝土坍落度分別為180 mm、190 mm、210 mm。對(duì)于預(yù)裹水泥漿水膠比0.6組的混凝土，坍落度幾乎沒有損失。預(yù)裹水泥漿中的粉煤灰摻量對(duì)于混凝土坍落度保持影響不大，三組混凝土的1 h坍落度均在180 mm左右。預(yù)裹水泥漿處理技術(shù)能夠降低混凝土泌水，對(duì)比K3組和K7組可知，通過預(yù)裹水泥漿處理的骨料配制的混凝土，泌水率降低了33.3%。骨料預(yù)裹水泥漿處理技術(shù)對(duì)于混凝土含氣量影響較小，五組預(yù)裹水泥漿處理骨料配制的混凝土含氣量均在3.1%～3.6%之間，隨著預(yù)裹水泥漿中粉煤灰摻量的下降，混凝土含量呈現(xiàn)下降趨勢，粉煤灰摻量分別為30%、20%、10%時(shí)，混凝土含氣量分別為3.6%、3.2%和3.1%。骨料預(yù)裹水泥漿處理后對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度提升效果較為明顯，對(duì)比K3組和K7組可知，通過預(yù)裹水泥漿處理的骨料配制的混凝土，7 d齡期抗壓強(qiáng)度提高了9.6%，28 d齡期提高了13.1%。

總體而言，預(yù)裹水泥漿技術(shù)措施提高了混凝土坍落度，降低了坍落度經(jīng)時(shí)損失，降低了混凝土泌水率，具有滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的含氣量，同時(shí)提高了混凝土抗壓強(qiáng)度。主要原因是，通過預(yù)裹水泥漿技術(shù)處理后，使得骨料表面具有一層強(qiáng)度較高的殼體，降低了骨料吸水率，另外強(qiáng)度較高的殼體替代了原本薄弱的骨料漿體界面過渡區(qū)，進(jìn)一步改善了混凝土性能。

2.3 特細(xì)砂混凝土工程應(yīng)用

肯尼亞當(dāng)?shù)靥丶?xì)砂資源較少，經(jīng)過特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)合對(duì)混凝土性能影響試驗(yàn)以及大吸水率骨料處理措施試驗(yàn)研究，把特細(xì)砂用于了肯尼亞蒙內(nèi)鐵路施工中，主要配制的混凝土強(qiáng)度等級(jí)包括C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50等，應(yīng)用部位包括涵洞基礎(chǔ)、涵洞墻身、蓋板、橋梁基礎(chǔ)、橋墩、橋臺(tái)等，充分利用了肯尼亞當(dāng)?shù)氐推肺换炷猎牧?，降低了施工成本，保證了施工進(jìn)度，同時(shí)確保了混凝土工程質(zhì)量，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 論

a.通過在特細(xì)砂中摻配機(jī)制砂，復(fù)合砂的級(jí)配相比于單獨(dú)使用特細(xì)砂和機(jī)制砂得到極大的改善，孔隙率降低，隨著復(fù)合砂中機(jī)制砂比例的增加，混凝土初始坍落度呈現(xiàn)增加趨勢，后略微下降，混凝土的泌水率呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。

b.預(yù)濕工藝對(duì)于骨料吸水率沒有影響，預(yù)濕工藝改變了骨料吸水的時(shí)間，在混凝土拌合之前提前吸水，減少了骨料對(duì)減水劑的吸附，從而改善混凝土工作性能。

c.預(yù)裹水泥漿技術(shù)措施提高了混凝土坍落度，降低了坍落度經(jīng)時(shí)損失，降低了混凝土泌水率，具有滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的含氣量，同時(shí)提高了混凝土抗壓強(qiáng)度。