凝灰?guī)r機(jī)制砂在高標(biāo)號(hào)混凝土中的應(yīng)用

張森林,肖建業(yè)

（中交二公局東萌工程有限公司,陜西 西安 710119）

0 前言

混凝土作為目前我國(guó)用量最大的建筑材料，砂的用量與日俱增，而天然砂在短時(shí)間不可能再生，供應(yīng)早已跟不上工程建設(shè)的需要。我國(guó)不少地區(qū)由于過(guò)度開(kāi)采已經(jīng)出現(xiàn)了天然砂資源匱乏的現(xiàn)象，市場(chǎng)內(nèi)河砂以次充好，質(zhì)量越來(lái)越差。隨著我國(guó)各類建設(shè)工程規(guī)模的加大、速度的加快，建筑砂問(wèn)題成為難題，針對(duì)這一難題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出了以機(jī)制砂取代天然砂的解決方案[1]。利用工程中符合要求的開(kāi)挖棄石方制作機(jī)制砂，不僅質(zhì)量穩(wěn)定，節(jié)約大量成本，還能減少棄方占用土地，符合綠色公路理念。

1 工程概況

太下線儒岙至常臺(tái)高速雙彩道口段改造工程位于浙江省紹興市新昌縣儒岙鎮(zhèn)境內(nèi)。該項(xiàng)目高標(biāo)號(hào)混凝土為C50 混凝土預(yù)制預(yù)應(yīng)力T 梁，其中30 m 預(yù)制T 梁185 片，20 m 預(yù)制矮T 梁60 片，C50 混凝土約8 500 m3，挖土石方總量約為56.5 萬(wàn)m3，填土石方總量約22.6 萬(wàn)m3，棄方約18.8 萬(wàn)m3，巖石種類主要為凝灰?guī)r，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度為110～160 MPa 之間，根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[2]（JTG/T3650—2020）巖石的抗壓強(qiáng)度不小于1.5 倍混凝土強(qiáng)度的規(guī)定，加工的機(jī)制砂具備配置C50 高標(biāo)號(hào)混凝土條件。

該項(xiàng)目地區(qū)受環(huán)保政策影響，周邊河砂料場(chǎng)因手續(xù)不全大量關(guān)停，加之周邊工程大量建設(shè)，天然河砂量少價(jià)高且質(zhì)量不穩(wěn)定，市場(chǎng)內(nèi)大量海砂淡化后充當(dāng)天然河砂，嚴(yán)重影響項(xiàng)目工程建設(shè)質(zhì)量及進(jìn)度，土方工程棄土石方還浪費(fèi)大量土地，增加工程用地成本，不符合環(huán)保要求。

2 試驗(yàn)研究

采用自制合格的凝灰?guī)r機(jī)制砂按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[3]（GB/T 50080—2016）和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[4]（JGJ55—2011）要求，經(jīng)項(xiàng)目工地試驗(yàn)室室內(nèi)試拌調(diào)整，并經(jīng)監(jiān)理工地試驗(yàn)室驗(yàn)證確定C50 混凝土配合比為水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶減水劑∶礦粉=360 ∶756 ∶1 044 ∶75 ∶8 ∶65，水膠比0.3。

高標(biāo)號(hào)混凝土工作性能主要體現(xiàn)在強(qiáng)度、保水性、黏聚性與流動(dòng)性等方面。通過(guò)高標(biāo)號(hào)混凝土配置對(duì)比試驗(yàn)，探討凝灰?guī)r機(jī)制砂在不同石粉含量、細(xì)度模數(shù)及亞甲藍(lán)（MB）值分別配置高標(biāo)號(hào)混凝土的實(shí)際工作性能影響規(guī)律，同時(shí)對(duì)比分析凝灰?guī)r機(jī)制砂與天然河砂配制高標(biāo)號(hào)混凝土的性能差距，確定凝灰?guī)r機(jī)制砂拌和C50 混凝土的相關(guān)指標(biāo)檢測(cè)區(qū)間，已指導(dǎo)后續(xù)工程施工。

2.1 凝灰?guī)r機(jī)制砂的制備

凝灰?guī)r機(jī)制砂采用水洗法加工自產(chǎn)，加工母巖選用工程棄石方抗壓強(qiáng)度為110～160 MPa 之間的凝灰?guī)r，制砂生產(chǎn)線主要有巖石母料破碎系統(tǒng)、制砂機(jī)、洗砂池、沉淀池等設(shè)備設(shè)施。水法加工的機(jī)制砂經(jīng)篩選、水洗能有效控制機(jī)制砂石粉含量及含泥量，確保機(jī)制砂加工質(zhì)量穩(wěn)定。

加工成品凝灰?guī)r機(jī)制砂隨機(jī)取料3 批次，經(jīng)工地試驗(yàn)室進(jìn)行級(jí)配篩分等試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)石粉含量小于等于10%，細(xì)度模數(shù)2.3～3.0，亞甲藍(lán)（MB）值小于1.0，級(jí)配等均符合《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[5]（JTG E42—2005）相關(guān)參數(shù)要求，見(jiàn)表1、圖1。

圖1 凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配曲線

表1 凝灰?guī)r機(jī)制砂檢測(cè)結(jié)果

2.2 石粉含量對(duì)凝灰?guī)r機(jī)制砂C50 混凝土強(qiáng)度及性能影響

選用經(jīng)工地試驗(yàn)室篩分試驗(yàn)檢測(cè)石粉含量為3.4%、5.7%、8.1%、10% 的自產(chǎn)機(jī)制砂進(jìn)行同配比、同條件拌和配置C50 混凝土，觀察拌和過(guò)程及30 min 后混凝土狀態(tài)，并分別在工地試驗(yàn)室采用2000 型微機(jī)伺服壓力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)7 d、14 d、28 d 混凝土抗壓強(qiáng)度，實(shí)際強(qiáng)度及性能見(jiàn)表2、表3。

表2 凝灰?guī)r機(jī)制砂不同石粉含量對(duì)C50 混凝土工作性能對(duì)比

表3 石粉含量對(duì)所配置C50 混凝土強(qiáng)度的影響

由表2 可知，拌和C50 混凝土中機(jī)制砂中的石粉含量從3.4%增加到10%，所配置的C50 混凝土塌落度逐步增大，分析其原因?yàn)殡S著石粉含量的增加，可以對(duì)機(jī)制砂本身伴有的粗糙表面和尖銳棱角形狀特征進(jìn)行有效彌補(bǔ)，減少了機(jī)制砂之間的摩擦，石粉含量越高，同樣配比和拌和條件下塌落度越大。

由表2 可知，自產(chǎn)的凝灰?guī)r機(jī)制砂中的石粉含量從3.4%增加到10%，所配置的C50 混凝土的保水性、黏聚性等工作性能表現(xiàn)在8.1%時(shí)達(dá)到最好狀態(tài)。在石粉含量相對(duì)較低時(shí)，配置的C50 混凝土的保水性、黏聚性等工作性能非常差，并且還出現(xiàn)離析現(xiàn)象。而在石粉含量控制在8.1%時(shí)可以使所配置的C50 混凝土擁有較好的黏聚性和保水性，基本上不會(huì)出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象。當(dāng)石粉含量10%時(shí)配置的C50 混凝土黏聚性優(yōu)良，但混凝土中石粉含量過(guò)高，隨著時(shí)間增加大量吸水，流動(dòng)性和保水性等工作性能明顯變差。

由表3 可知，隨著機(jī)制砂中石粉含量從5.7%～10%逐步變化，所拌和的C50 混凝土7 d、14 d 和28 d 試塊抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)和石粉含量變化趨勢(shì)基本保持一致。在5.7%時(shí)，7 d、14 d、28 d 對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最低值，在10%時(shí)，7 d、14 d、28 d 對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高值。在機(jī)制砂按照配合比拌和的C50 混凝土中，除機(jī)制砂石粉含量變化，其他材料保持不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加機(jī)制砂石粉含量可以提高所配置C50 混凝土的抗壓強(qiáng)度。由于石粉粒徑較小，可以填充混凝土孔隙，隨著石粉含量的增加，混凝土孔隙率降低，使混凝土密實(shí)度增加，最終增加了其強(qiáng)度，同時(shí)機(jī)制砂中石粉含量越多，其拌和的C50 混凝土吸水能力變強(qiáng)，流動(dòng)性及保水性等性能變差。

2.3 細(xì)度模數(shù)對(duì)凝灰?guī)r機(jī)制砂高標(biāo)號(hào)混凝土工作性能的影響

選用經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)細(xì)度模數(shù)為2.55、2.76、2.93 的自產(chǎn)機(jī)制砂拌和配置C50 混凝土，來(lái)探討機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)所配置混凝土工作性能的影響情況，見(jiàn)表4。

表4 細(xì)度模數(shù)對(duì)所配置C50 混凝土工作性能的影響

由表4 可知，凝灰?guī)r機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的大小直接影響所配置混凝土的塌落度，反映了不同凝灰?guī)r機(jī)制砂配置的C50 混凝土具有不同的和易性，當(dāng)細(xì)度模數(shù)為2.76時(shí)配置的C50 混凝土具有更好的和易性。分析其原因?yàn)闄C(jī)制砂細(xì)度模數(shù)越小，表明其粉含量越高，同樣吸水率越高，拌和混凝土和易性越差。機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)越大表明其粗砂較多，拌和混凝土流動(dòng)性變差，表現(xiàn)為和易性越差。

2.4 亞甲藍(lán)（MB）值對(duì)凝灰?guī)r機(jī)制砂高標(biāo)號(hào)混凝土性能的影響

選用經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)亞甲藍(lán)（MB）為0.8、1.0、1.4、2.5、3.2 的自產(chǎn)機(jī)制砂進(jìn)行C50 混凝土進(jìn)行拌和配置，探討機(jī)制砂亞甲藍(lán)（MB）值對(duì)配置混凝土性能的影響，見(jiàn)表5。

表5 亞甲藍(lán)（MB）值對(duì)多配置C50 混凝土工作性能的影響

由表5 可知，隨著凝灰?guī)r機(jī)制砂亞甲藍(lán)（MB）值的增加，對(duì)應(yīng)拌和C50 混凝土塌落度逐漸減小，主要由于隨著亞甲藍(lán)（MB）值的增加表明對(duì)應(yīng)機(jī)制砂中的泥粉含量增多，對(duì)水和減水劑吸附能力變強(qiáng)，降低黏聚性和流動(dòng)性等工作性能，同時(shí)強(qiáng)度降低，亞甲藍(lán)（MB）值超過(guò)1.4，拌和的混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)不到工地試驗(yàn)室適配C50混凝土強(qiáng)度59.5。

2.5 凝灰?guī)r機(jī)制砂與天然河砂配制高標(biāo)號(hào)混凝土性能對(duì)比

為更了解凝灰?guī)r機(jī)制砂和天然河砂的性能差距，在拌和配比等條件一致、級(jí)配符合要求的情況下，分別采用自產(chǎn)自制工作性能最好的凝灰?guī)r機(jī)制砂（含粉量8.1%，亞甲藍(lán)值1.0，細(xì)度模數(shù)2.76）與河砂（含泥量0.8%）拌和C50 混凝土進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。觀察拌和過(guò)程及30 min 后混凝土狀態(tài)，分別進(jìn)行了塌落度、黏聚性和保水性等工作性能試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)比，同時(shí)對(duì)比試驗(yàn)試塊按照同條件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d 分別在工地試驗(yàn)室采用2000 型微機(jī)伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)。其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 機(jī)制砂與當(dāng)?shù)厣鞍柚苹炷列阅軐?duì)比

由于天然河砂經(jīng)河水長(zhǎng)時(shí)間侵蝕、相互碰撞摩擦，失去不規(guī)則的棱角，較為圓滑，配置的C50 混凝土黏聚性、保水性、和易性等工作性能良好。凝灰?guī)r機(jī)制砂經(jīng)破碎生產(chǎn)，其棱角分明，棱角相互咬合，在石粉含量大于8.1時(shí)，其縫隙由石粉填充密實(shí)，拌和的C50 混凝土有更好的抗壓強(qiáng)度，保水性、和易性等工作性能和天然河砂相當(dāng)，黏聚性方面相差不大。

2.6 試驗(yàn)結(jié)論

由上述試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析可知：

（1）凝灰?guī)r機(jī)制砂各方面工作性能在石粉含量為8.1%時(shí)性能最好，石粉含量在5.7%～10%時(shí)可施工拌和高標(biāo)號(hào)混凝土。

（2）凝灰?guī)r機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在2.76 時(shí)混凝土和易性最好，細(xì)度模數(shù)在2.55～2.93 時(shí)可施工拌和高標(biāo)號(hào)混凝土。

（3）凝灰?guī)r機(jī)制砂工作性能在亞甲藍(lán)值（MB）1.0時(shí)混凝土工作性能最好，小于1.4 時(shí)可拌和高標(biāo)號(hào)混凝土。

（4）合格的凝灰?guī)r機(jī)制砂配置的C50 高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度高于河砂強(qiáng)度，且狀態(tài)相當(dāng)。

綜上所述，凝灰?guī)r機(jī)制砂的石粉含量、細(xì)度模數(shù)、亞甲藍(lán)值等檢測(cè)指標(biāo)在上述合理區(qū)間內(nèi)，其拌和混凝土各方面性能與合格的天然河砂相當(dāng)，其抗壓強(qiáng)度甚至優(yōu)于天然河砂，自產(chǎn)的凝灰?guī)r機(jī)制砂具備應(yīng)用價(jià)值，能用于工程實(shí)體建設(shè)。

3 總結(jié)

通過(guò)各方面試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，凝灰?guī)r機(jī)制砂相關(guān)指標(biāo)在符合要求的合理區(qū)間具備良好的工作性能，能用于工程實(shí)體高標(biāo)號(hào)混凝土施工。目前太下線儒岙至常臺(tái)高速雙彩道口段改造工程橋梁施工基本結(jié)束，凝灰?guī)r機(jī)制砂配置拌和的高標(biāo)號(hào)混凝土經(jīng)實(shí)體工程檢驗(yàn)其性能各方面基本和天然河砂相當(dāng)，其混凝土強(qiáng)度表現(xiàn)優(yōu)于天然河砂。凝灰?guī)r機(jī)制砂的成功利用，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，為項(xiàng)目節(jié)約大量砂外購(gòu)成本，減少了原材料不穩(wěn)定對(duì)施工質(zhì)量和進(jìn)度的影響。同時(shí)減少項(xiàng)目棄方及棄土場(chǎng)建設(shè)，少占用土地，節(jié)省項(xiàng)目征地成本，符合綠色公路理念。目前天然河砂接近枯竭，水洗后自產(chǎn)凝灰?guī)r機(jī)制砂量大、質(zhì)量穩(wěn)定，用于制備高標(biāo)號(hào)混凝土能創(chuàng)造較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，能為同類工程提供借鑒，具有較好的推廣價(jià)值。