機制砂在非洲某機場項目道面混凝土中的應(yīng)用研究

劉曉通，林樹林，申京京，石然

（1.中國國檢測試控股集團海南有限公司，海南 海口 571199；2.中國國檢測試控股集團陜西有限公司，陜西 西安 710077；3.中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024）

0 引言

隨著優(yōu)質(zhì)河砂資源的日漸枯竭以及我國對生態(tài)環(huán)保的日益重視，近年來，機制砂被廣泛應(yīng)用于水泥混凝土的生產(chǎn)中[1]。然而，由于機制砂具有棱角多、級配較差、顆粒粗糙等特點，使用機制砂作為細骨料的低強度等級混凝土，往往會出現(xiàn)用水量增加、強度降低、工作性變差、抹面困難等問題[2-3]。如何改善機制砂混凝土的性能也成為當今的研究熱點之一。研究表明，合理地控制機制砂中石粉（0.075 mm 以下顆粒）的含量，使其處于某個“最佳石粉含量”時[4]，可以有效減輕機制砂混凝土的離析或泌水現(xiàn)象[5]，提高強度、抗?jié)B性能[6]及抗碳化性能[7]，改善混凝土的外觀質(zhì)量[8]。此外，摻加粉煤灰可以改善機制砂的級配，還可以起到潤滑與填充作用，因此也可以改善機制砂混凝土的工作性與耐久性[9]。

目前，機制砂在機場道面混凝土中的使用還較少，在可查閱的文獻及工程實例報道中，僅在貴陽龍洞堡機場擴建工程中有過實際應(yīng)用。在該項目中，施工單位通過采取控制石粉含量、適當增加水泥用量、調(diào)整振搗時間、多次抹面并加強養(yǎng)護等措施，生產(chǎn)出了滿足設(shè)計要求的機制砂道面混凝土[10]。

本研究機場項目位于南部非洲某國，屬熱帶性氣候，年最低氣溫10 ℃左右，最高氣溫40 ℃左右，11 月至次年3 月為雨季，全國年平均雨量為1270 mm。該項目停機坪、平行滑行道與跑道兩端的調(diào)頭坪設(shè)計為水泥混凝土道面，混凝土總用量約為4.6 萬m3。設(shè)計道面厚度為380 mm，停機坪的平均紋理深度不小于0.4 mm，調(diào)頭坪及平行滑行道的平均紋理深度不小于1.0 mm。道面混凝土為干硬性混凝土，MH 5006—2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術(shù)規(guī)范》要求維勃稠度大于15 s，設(shè)計要求28 d 抗折強度不低于5.0 MPa。因項目所在地無天然砂資源，故道面混凝土細集料采用機制砂。由于當?shù)厣a(chǎn)工藝較為落后，機制砂中石粉含量遠超過設(shè)計要求的限值（≤3%），因此只能采用高石粉含量的機制砂進行混凝土試配。本文參考以往的文獻及工程實例，研究了機制砂母巖種類及石粉含量對混凝土工作性能和抗折強度的影響，給出了滿足設(shè)計要求的配合比并應(yīng)用到了實際施工中，同時就道面成型時抹面困難、紋理深度難以滿足要求等問題提出了解決方案，可為今后類似的研究及工程應(yīng)用提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：采用當?shù)厣a(chǎn)的歐標CEM I 42.5N 硅酸鹽水泥，安定性合格，主要技術(shù)性能見表1。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

粗集料：采用當?shù)厣a(chǎn)采石場甲生產(chǎn)的花崗巖碎石，5～16 mm、16～31.5 mm 兩檔碎石按照4∶6 的質(zhì)量比復配，復配粗集料的主要技術(shù)性能見表2，均符合設(shè)計要求。

表2 粗集料的主要技術(shù)性能

拌合用水：采用工程現(xiàn)場的井水，水質(zhì)符合MH/T 5004—2010《民用機場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求。

細集料：當?shù)乜晒┻x擇的機制砂有采石場甲生產(chǎn)的花崗巖石屑及采石場乙生產(chǎn)的石灰?guī)r石屑和石灰?guī)r水洗砂3 種，3種機制砂的篩分試驗結(jié)果見表3。

表3 不同種類細集料（機制砂）的篩分試驗結(jié)果

1.2 試驗方案

本試驗研究機制砂的母巖種類及石粉含量對道面混凝土強度及工作性能的影響，并據(jù)此選擇合適的機制砂種類，調(diào)整石粉含量，目標是設(shè)計出維勃稠度大于15 s 且28 d 抗折強度不低于5.0 MPa 的道面混凝土配合比，應(yīng)用于該機場項目的道面施工中。

根據(jù)前期試配經(jīng)驗以及MH 5006—2015 的相關(guān)要求，固定水灰比為0.40、水泥用量為360 kg/m3、砂率為32%。在實驗室中，使用石灰?guī)r石屑與花崗巖石屑為原材料，通過篩除石灰?guī)r石屑中的部分石粉，使2 種石屑的石粉含量基本一致，分別試配混凝土以研究機制砂母巖種類的影響，配合比如表4 所示；使用石灰?guī)r石屑為原材料，通過水洗、篩分、摻配，使其中的石粉含量從10%開始以5%的間隔遞增至25%，研究石灰?guī)r機制砂石粉含量的影響，配合比如表5 所示。

表4 機制砂母巖種類對混凝土性能影響的試驗配合比

表5 機制砂石粉含量對混凝土性能影響的試驗配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 機制砂母巖種類對混凝土性能的影響（見表6）

表6 機制砂母巖種類對混凝土性能的影響

由表6 可見，當采用石粉含量較高且相近的石灰?guī)r機制砂和花崗巖機制砂試配混凝土時，由于粉體比例的增加，混凝土的粘聚性和保水性得到改善，因此A、B 組均未出現(xiàn)明顯的離析、泌水現(xiàn)象；A、B 組的維勃稠度均符合＞15 s 的要求；根據(jù)JTG/T F30—2014《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細則》的相關(guān)規(guī)定，計算得試配的28 d 抗折強度應(yīng)不小于5.8 MPa，故當前石粉含量的機制砂混凝土試配強度均不符合要求，而且由于花崗巖機制砂質(zhì)地相對光滑，與水泥漿的粘結(jié)力較弱，故B組抗折強度更低。

由于A 組抗折強度高于B 組，且項目所在地可以采購到石灰?guī)r水洗砂，可通過石屑與水洗砂復配來調(diào)節(jié)石粉含量，故選擇石灰?guī)r機制砂作為混凝土細集料，并進行石粉含量影響的試驗研究。

2.2 石灰?guī)r機制砂中石粉含量對混凝土性能的影響（見表7）

表7 石灰?guī)r機制砂中石粉含量對混凝土性能的影響

由表7 可見，石粉含量為10%～25%時，隨石粉含量的增加，維勃稠度呈下降趨勢，這是因為石粉中的細顆粒在混凝土拌合物中起到了潤滑作用；當石粉含量超過15%時，混凝土拌合物開始出現(xiàn)離析現(xiàn)象，這是因為石粉吸收了一定量的水分形成漿體，當石粉含量過高時，石粉漿體與混凝土拌合物脫離，導致離析；混凝土28 d 抗折強度隨著石粉含量的增加先提高后降低，這是因為石粉顆粒在混凝土中起到填充孔隙的作用，摻入一定量的石粉（不超過15%）可以提高混凝土的抗折強度，但過量的石粉顆粒（含量在15%以上時）會影響水泥漿的粘結(jié)作用，導致抗折強度降低。

當石粉含量為15%時，混凝土28 d 抗折強度為5.8 MPa，維勃稠度為20 s，滿足試配要求，且工作性能良好，故確定15%為最佳石粉含量。

2.3 施工配合比

根據(jù)試驗結(jié)果，將石灰?guī)r石屑與石灰?guī)r水洗砂按照4∶6的質(zhì)量比復配，測得石粉含量為15.1%，接近試驗得到的最佳石粉含量。復配后細集料的篩分結(jié)果見表8。

表8 復配后細集料的篩分結(jié)果

使用復配后的細集料按照表9 的配合比進行試配，所得混凝土的維勃稠度20 s，未出現(xiàn)明顯離析、泌水現(xiàn)象，粘聚性及保水性良好，28 d 抗折強度5.9 MPa，符合設(shè)計要求，可應(yīng)用于道面實際施工。

表9 應(yīng)用于道面施工的混凝土配合比 kg/m3

3 對現(xiàn)場施工的建議

機制砂道面混凝土在進行現(xiàn)場攤鋪施工時，由于石粉漿體在振搗過程中容易上浮到混凝土表面，抹面時容易產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，并對道面拉毛處理造成困難，在水分蒸發(fā)后，面層也容易出現(xiàn)龜裂和面層剝離。為了預(yù)防上述問題的出現(xiàn)，建議適當降低水灰比、增加水泥用量（本項目水灰比為0.40，水泥用量為360 kg/m3）；將攪拌時間適當延長5～10 s，使機制砂與混凝土其它組分充分混合；減少使用排式振搗器，改為使用平板振動器對混凝土進行振實；使用具有保水作用的高分子聚合物養(yǎng)護膜對混凝土進行養(yǎng)護，避免水分蒸發(fā)造成龜裂或剝離。

4 結(jié)論

（1）機制砂中的石粉含量相近時（13%左右），使用石灰?guī)r機制砂配制的混凝土28 d 抗折強度為5.2 MPa，優(yōu)于使用花崗巖機制砂配制的混凝土（4.8 MPa），故本項目采用石灰?guī)r機制砂作為混凝土細集料。

（2）當石灰?guī)r機制砂中的石粉含量為15%時，混凝土的28 d 抗折強度最高，為5.8 MPa，工作性能合格，據(jù)此設(shè)計的道面混凝土配合比能夠滿足設(shè)計及施工要求。

（3）在進行現(xiàn)場施工時，采取適當降低水灰比、增加水泥用量、延長攪拌時間、使用平板振動器進行振搗、使用保水養(yǎng)護膜進行養(yǎng)護等措施，可以較為有效地避免機制砂道面混凝土出現(xiàn)泌水、拉毛困難、硬化后表面龜裂、剝離等問題。