機(jī)制砂在預(yù)應(yīng)力混凝土中的應(yīng)用

冷斌

（湖南弘至工程技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

天然砂分布不均勻且短時(shí)間內(nèi)不可再生，合格的天然河砂在限采禁挖的環(huán)保政策下產(chǎn)量日益減少，且質(zhì)量不穩(wěn)定。高速公路大部分離合格的天然砂源較遠(yuǎn)，長(zhǎng)途運(yùn)輸費(fèi)用較高。近年來(lái)，機(jī)制砂的發(fā)展很好地解決了天然砂短缺的問(wèn)題，但部分管理人員對(duì)機(jī)制砂配置的預(yù)應(yīng)力混凝土心存顧慮，甚至有的明文規(guī)定預(yù)應(yīng)力混凝土必須使用河砂。

1 機(jī)制砂在預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)用中存在的問(wèn)題

機(jī)制砂應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土中時(shí)一般存在以下問(wèn)題：

（1）機(jī)制砂外形尖銳、級(jí)配不良等物理特性容易造成混凝土和易性差、易離析等問(wèn)題；

（2）石粉含量對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土的影響目前存在一定的爭(zhēng)議；

（3）部分工程技術(shù)人員缺乏對(duì)機(jī)制砂的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，擔(dān)心混凝土的強(qiáng)度不夠，盲目采用高標(biāo)號(hào)水泥或增加水泥的用量，導(dǎo)致成本增加的同時(shí)也會(huì)對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生不利影響。

2 機(jī)制砂預(yù)應(yīng)力混凝土的配合比設(shè)計(jì)

本文以湖南省靖黎高速一標(biāo)C50 配合比試驗(yàn)為例，對(duì)機(jī)制砂預(yù)應(yīng)力混凝土的配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。靖黎一標(biāo)預(yù)制梁板共計(jì)1 521 片，加上現(xiàn)澆箱梁等C50 預(yù)應(yīng)力混凝土共計(jì)超過(guò)52 000m3。

2.1 預(yù)應(yīng)力混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1.1 原材料

水泥采用湖南云峰水泥P·O42.5（都梁牌），外加劑采用湖南路智高性能聚羧酸減水劑（LZ-R1），粗集料采用附近靖州億安砂石廠生產(chǎn)的5～20mm（經(jīng)摻配）連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)集料選用兩種機(jī)制砂和一種天然河砂。一種機(jī)制砂是運(yùn)距為3km左右的靖州億安砂石廠生產(chǎn)的石灰?guī)r質(zhì)水洗機(jī)制砂，另一種機(jī)制砂是運(yùn)距為40km 的通道磊鑫砂場(chǎng)鵝卵石機(jī)制水洗砂，天然河砂采用岳陽(yáng)湘陰斗米咀沙場(chǎng)河砂（經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察取樣，距工地現(xiàn)場(chǎng)約500km）。原材料技術(shù)性能分別見(jiàn)表1～表3。

表1 P·O42.5水泥的物理性能

表2 5～20mm碎石的物理技術(shù)性能

表3 細(xì)集料的物理技術(shù)性能

通過(guò)試驗(yàn)并考慮性價(jià)比后采用億安碎石機(jī)制砂和磊鑫鵝卵石機(jī)制砂進(jìn)行摻配使用，其摻配比率為60%∶40%。摻配后的混合機(jī)制砂的物理技術(shù)性能見(jiàn)表4。

表4 摻配后的混合機(jī)制砂物理性能

2.1.2 基準(zhǔn)配合比

因?yàn)闄C(jī)制砂用于配制摻外加劑的混凝土?xí)r比配制天然砂摻外加劑的混凝土要敏感，對(duì)外加劑的要求比較高，所以要求外加劑廠家派技術(shù)人員對(duì)聚羧酸減水劑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)小樣復(fù)配，使聚羧酸減水劑能與上述幾種材料很好地配合，避免發(fā)生不良反應(yīng)。通過(guò)計(jì)算與試配確定基準(zhǔn)配合比如表5所示。

表5 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)配合比

2.2 工作性能

在試配時(shí)對(duì)細(xì)集料分別采用單一種類的機(jī)制砂（兩種）、天然河砂及60%碎石機(jī)制砂+40%鵝卵石機(jī)制砂組成的混合機(jī)制砂共4種細(xì)集料，按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)配合比進(jìn)行配制；根據(jù)砂的細(xì)度模數(shù)，配合比的砂率在34%～38%之間微調(diào)。經(jīng)試驗(yàn)，不同細(xì)集料的配合比下，混凝土的工作性能如表6所示。

表6 混凝土的工作性能

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可以看出，混合機(jī)制砂和天然河砂的工作性能在配合比基本一致的情況下，比采用一種機(jī)制砂配制的混凝土的工作性能和保坍性能要好。

2.3 力學(xué)性能及抗?jié)B性能

經(jīng)試驗(yàn)，混凝土的力學(xué)性能及抗?jié)B性能如表7所示。

表7 混凝土的力學(xué)及抗?jié)B性能

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可以看出：以上3種機(jī)制砂和天然河砂配制的混凝土在強(qiáng)度方面均能滿足要求，但混合機(jī)制砂混凝土的28d 強(qiáng)度要優(yōu)于其他3 種砂；5d 彈性模量均能達(dá)到設(shè)計(jì)彈性模量的90%以上；機(jī)制砂混凝土的抗?jié)B性能明顯優(yōu)于天然河砂混凝土。

3 確定最終設(shè)計(jì)配合比

經(jīng)考察，岳陽(yáng)湘陰河砂運(yùn)至工地的價(jià)格約為260元/t，比本地機(jī)制砂運(yùn)至工地的單價(jià)高2.7 倍，運(yùn)輸成本太高，最終只能棄用。靖州億安砂石廠為國(guó)有企業(yè)，碎石機(jī)制砂的生產(chǎn)線為比較先進(jìn)的每小時(shí)產(chǎn)量100t 的大型水洗制砂設(shè)備。施工單位和業(yè)主多次與廠家協(xié)調(diào)，要求廠家調(diào)整機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)和級(jí)配，而廠家不愿承擔(dān)因降低機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)而導(dǎo)致功耗成本增加且產(chǎn)量降低的結(jié)果，最終沒(méi)有進(jìn)行調(diào)整。為了使預(yù)應(yīng)力混凝土達(dá)到更好的工作性能，最終采用60%碎石機(jī)制砂+40%鵝卵石機(jī)制砂的比率進(jìn)行摻配，以確保級(jí)配和細(xì)度模數(shù)符合二區(qū)中砂要求，配制C50 預(yù)應(yīng)力混凝土。最終確定的設(shè)計(jì)配合比見(jiàn)表8。

表8 最終的設(shè)計(jì)配合比 單位：kg

4 預(yù)制箱梁、T梁的實(shí)際生產(chǎn)情況

4.1 拌和

拌和站采用2 臺(tái)三一重工HZS180 型主機(jī)，每盤(pán)混凝土最大拌和量為3m3，實(shí)際生產(chǎn)能力為252m3/h。料倉(cāng)采用全覆蓋的鋼結(jié)構(gòu)棚架，共設(shè)7 個(gè)料倉(cāng)，其中5 個(gè)為粗集料儲(chǔ)料倉(cāng)，2 個(gè)為細(xì)集料儲(chǔ)料倉(cāng)，每個(gè)料倉(cāng)面積為12m×40m，采用高4m 的鋼板隔離，有效避免了串料和因天氣原因影響砂石料含水量的情況。試驗(yàn)人員在開(kāi)盤(pán)前測(cè)量砂石料的含水率，填寫(xiě)施工配合比通知單。在試驗(yàn)人員的指導(dǎo)下，拌和站控制室嚴(yán)格按照施工配合比通知單及配料工藝進(jìn)行配料。為保證拌和均勻，攪拌時(shí)間由規(guī)范要求的不少于90s 提高到不少于120s。在拌和時(shí)，試驗(yàn)人員和駐場(chǎng)監(jiān)理人員需不時(shí)打開(kāi)攪拌倉(cāng)目測(cè)拌合物的工作性能；在正式發(fā)料前要求拌和站試驗(yàn)人員對(duì)新拌混凝土進(jìn)行取樣，進(jìn)行坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)，檢測(cè)混凝土的工作性能是否符合要求，檢測(cè)合格才能簽認(rèn)發(fā)料。

4.2 運(yùn)輸

梁場(chǎng)設(shè)置在拌和站邊上的主線路基上，正常運(yùn)輸時(shí)間約為10～15min，采用2 臺(tái)三一重工或中聯(lián)重科的12m3混凝土罐車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸， 運(yùn)輸途中以2～4r/min 的速度慢速攪動(dòng)，卸料前采用快速擋旋轉(zhuǎn)攪拌罐至少20s；要求試驗(yàn)人員每一車(chē)都跟車(chē)看料，隨時(shí)掌握混凝土的工作性能情況，一旦發(fā)現(xiàn)有異常情況，此車(chē)混凝土不得用于澆筑梁板，并對(duì)下一車(chē)混凝土的砂率或用水量進(jìn)行微調(diào)。前場(chǎng)和后場(chǎng)的混凝土工作性能必須都合格后才能用于梁板混凝土的澆筑。當(dāng)夏天天氣炎熱、坍落度損失快時(shí)，采用小方量、多車(chē)次的方法運(yùn)輸，不得隨意加水。

4.3 布料

采用10t 龍門(mén)吊吊運(yùn)2m3料斗的模式進(jìn)行分層對(duì)稱澆筑，每層澆筑厚度不得超過(guò)300mm。正常澆筑一片40m3左右的30m 箱梁需要3h 左右。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)，C50機(jī)制砂混凝土初凝時(shí)間為6h，完全滿足施工需求。

4.4 振搗

因?yàn)闄C(jī)制砂混凝土振搗時(shí)容易出現(xiàn)過(guò)振離析的現(xiàn)象，所以對(duì)振搗工作的要求很高。對(duì)預(yù)制梁腹板較窄位置采用?50mm或?30mm插入式振搗棒+高頻附著式振動(dòng)器的組合進(jìn)行振搗。插入式振搗棒移動(dòng)間距不應(yīng)超過(guò)振動(dòng)器作用半徑的1.5 倍；與側(cè)模應(yīng)保持50～l00mm的距離；插入下層混凝土50～l00mm；每一處振動(dòng)完畢后應(yīng)邊振動(dòng)邊徐徐提出振動(dòng)棒；應(yīng)避免振動(dòng)棒碰撞模板、鋼筋及其他預(yù)埋件，尤其是波紋管的位置，插入式振動(dòng)棒嚴(yán)禁停留在波紋管上振搗趕料，防止造成過(guò)振離析，否則拆模后容易在梁體表面波紋管的位置出現(xiàn)分層波紋現(xiàn)象。對(duì)箱梁腹板與底板及頂板連接處的承托、預(yù)應(yīng)力筋錨固區(qū)以及其他鋼筋密集部位，應(yīng)特別注意振搗。高頻附著式振動(dòng)器按1m 間距對(duì)稱設(shè)置，隨混凝土的澆筑順序，對(duì)稱一個(gè)或多個(gè)開(kāi)啟振動(dòng)，高頻振動(dòng)時(shí)間為17～25s。對(duì)每一個(gè)振動(dòng)部位，必須振動(dòng)到該部位混凝土密實(shí)為止。振搗環(huán)節(jié)，工作人員應(yīng)規(guī)范操作，嚴(yán)禁在綁扎好的鋼筋網(wǎng)上亂踩亂踏，防止鋼筋變形錯(cuò)位，影響鋼筋保護(hù)層厚度。

4.5 收光

在面板混凝土初凝后至終凝前用木抹子搓揉收漿，以消除混凝土表面缺陷，防止產(chǎn)生塑性收縮裂縫。采用兩次收漿的方法更能達(dá)到減少或消除表面收縮裂紋的效果。

4.6 養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑后，如氣候炎熱、空氣干燥，不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，混凝土中水分會(huì)蒸發(fā)過(guò)快，形成脫水現(xiàn)象，會(huì)使已形成凝膠體的水泥顆粒不能充分水化，不能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的結(jié)晶，缺乏足夠的黏結(jié)力，從而導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)片狀或粉狀脫落。此外，在混凝土尚未具備足夠的強(qiáng)度時(shí)，水分過(guò)早蒸發(fā)還會(huì)產(chǎn)生較大的收縮變形，出現(xiàn)干縮裂紋。所以混凝土澆筑后，初期階段的養(yǎng)護(hù)非常重要，混凝土終凝后應(yīng)立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。而機(jī)制砂相對(duì)河砂在混凝土澆筑后，初期更容易發(fā)生收縮變形而出現(xiàn)裂紋。本項(xiàng)目日常采用智能自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，配合定制的雙層土工布（400g/m2）經(jīng)縫邊處理后的養(yǎng)生毯，全面覆蓋梁板，有效地減少了水分蒸發(fā)，達(dá)到了保濕的效果。在冬季采用智能電加熱蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)配合加厚油布覆蓋蒸汽養(yǎng)生。良好的養(yǎng)生能使混凝土表面始終處于濕潤(rùn)狀態(tài)，從而減少機(jī)制砂混凝土早期的干縮裂紋，保證混凝土質(zhì)量。

4.7 強(qiáng)度及耐久性

目前靖黎一標(biāo)采用摻混合機(jī)制砂的預(yù)應(yīng)力混凝土已生產(chǎn)了梁板900多片。據(jù)統(tǒng)計(jì)：同條件養(yǎng)護(hù)試件夏季5d 強(qiáng)度和冬季7d 強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%以上，彈性模量5d均能達(dá)設(shè)計(jì)彈性模量的90%以上；900多片梁的28d 平均強(qiáng)度為60.4MPa，代表值為58.4MPa。通過(guò)對(duì)齡期為3 個(gè)月的梁板進(jìn)行回彈強(qiáng)度和碳化深度檢測(cè)，強(qiáng)度評(píng)定值均達(dá)到60MPa，實(shí)測(cè)碳化深度平均值小于2mm；實(shí)測(cè)碳化深度與實(shí)測(cè)鋼筋保護(hù)層厚度的比值KC＜0.5，可以確定此混合機(jī)制砂預(yù)應(yīng)力混凝土的碳化評(píng)定標(biāo)度為1，強(qiáng)度和耐久性均滿足要求。

4.8 外觀質(zhì)量

本項(xiàng)目采用按設(shè)計(jì)圖紙定制的自行式整體液壓不銹鋼模板，很好地解決了因施工人員拼裝時(shí)人為因素引起的誤差，杜絕了模板拼裝時(shí)易出現(xiàn)的錯(cuò)臺(tái)等缺陷，有效提高了梁板的外觀質(zhì)量。一般在澆筑完成后的第二天拆模，拆模后梁板的翼板及腹板位置有明顯的鏡面效果。前期有一段時(shí)間，梁中兩側(cè)波紋管的位置出現(xiàn)1～2m 長(zhǎng)的水波紋現(xiàn)象，經(jīng)多次調(diào)整布料和振搗方式后，成功消除了水波紋現(xiàn)象?？傮w外觀質(zhì)量較好，無(wú)缺邊掉角等現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)混凝土無(wú)外觀質(zhì)量缺陷。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著天然河砂產(chǎn)能的下降、質(zhì)量的不穩(wěn)定及成本的限制，再加上機(jī)制砂的物理技術(shù)性能完全能夠滿足預(yù)應(yīng)力混凝土中細(xì)集料的要求，機(jī)制砂在預(yù)應(yīng)力混凝土中的應(yīng)用和推廣將是可持續(xù)且勢(shì)在必行的，在實(shí)際應(yīng)用中也得到了驗(yàn)證并受到了認(rèn)可。本文就機(jī)制砂在預(yù)應(yīng)力混凝土中的配合比設(shè)計(jì)及施工工藝進(jìn)行探析，結(jié)合工程實(shí)例充分說(shuō)明了機(jī)制砂應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土的可行性，可為同類工程提供參考。在實(shí)際使用中，各地的機(jī)制砂質(zhì)量參差不齊，為了保證混凝土的質(zhì)量，參建各方都應(yīng)嚴(yán)格控制機(jī)制砂的各項(xiàng)物理性能指標(biāo)，加強(qiáng)試驗(yàn)檢測(cè)工作，嚴(yán)防不合格的機(jī)制砂進(jìn)入混凝土施工中。