黔東南地區(qū)石灰?guī)r機(jī)制砂中低標(biāo)號(hào)混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳立軍，李國盛，伍國星

（中交路橋華東工程有限公司，上海 201203）

1 引言

貴州高速公路的建設(shè)總里程已突破8 000 km，在“十四五”規(guī)劃期間，還將開工建設(shè)一大批省際通道、普通公路以及高速公路等，繼續(xù)為貴州的高質(zhì)量發(fā)展提供重要支撐，由于高速公路的大量建設(shè)且橋隧比占比大，混凝土的需求量大，尤其是中低標(biāo)號(hào)混凝土對(duì)砂石需求量很大，在西南地區(qū)，優(yōu)質(zhì)河沙資源匱乏，且運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，成本高，并且運(yùn)輸受限，而石灰?guī)r母材蘊(yùn)藏較為豐富，就地取材加工為機(jī)制砂及碎石，既能減少棄渣占用的土地，又能作為資源合理化利用。

2 工程概況

毛栗坪隧道位于貴州省銅仁市石阡縣石固鄉(xiāng)與青陽鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道全長4 691 m，棄渣約為100萬m3，開挖揭示含有石灰?guī)r地層。貴陽礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心巖礦鑒定報(bào)告顯示，礦物組分主要為方解石，含少量白云巖、黏土礦物、褐鐵礦等（方解石占90%，白云石占5%~10%，黏土占2%~3%，褐鐵礦占1%），經(jīng)過對(duì)棄渣進(jìn)行篩選與試驗(yàn)，對(duì)強(qiáng)度、密度、含泥量及吸水率等進(jìn)行測定，可作為加工機(jī)制砂母材，但為高含粉量機(jī)制砂。

3 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

主要利用隧道石灰?guī)r棄渣作為母材加工機(jī)制砂，該機(jī)制砂石粉含量高，石粉含量作為機(jī)制砂中重要指標(biāo)之一[1]，試驗(yàn)通過篩洗和摻入不同含粉量機(jī)制砂進(jìn)行優(yōu)化中低標(biāo)號(hào)混凝土配合比，使混凝土滿足施工和設(shè)計(jì)要求，通過對(duì)經(jīng)篩洗為無石粉含量的機(jī)制砂進(jìn)行基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)及確定機(jī)制砂中篩洗出的石粉與亞甲藍(lán)值（MB）線性關(guān)系，在無石粉含量機(jī)制砂中摻配不同量的石粉，與水泥、粉煤灰及外加劑等進(jìn)行攪拌，最后，對(duì)拌和混凝土的工作特性、力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化高石粉含量機(jī)制砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)，利用優(yōu)化后的配合比在實(shí)際施工中進(jìn)行亞甲藍(lán)MB值測定，完成中低標(biāo)號(hào)混凝土的配合比設(shè)計(jì)及施工應(yīng)用。

4 試驗(yàn)材料

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際選擇隧道棄渣加工的機(jī)制砂、碎石以及當(dāng)?shù)赝赓彽乃?、粉煤灰外加劑等開展試驗(yàn)，具體材料來源及主要特性指標(biāo)為：

1）石粉：隧道棄渣加工機(jī)制砂，經(jīng)對(duì)機(jī)制砂篩洗或風(fēng)選，選擇通過75μm篩孔徑且未經(jīng)過二次磨細(xì)的原狀石粉。

2）水泥：貴州銅仁市海螺盤江水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5R水泥，經(jīng)試驗(yàn)，細(xì)度、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間及強(qiáng)度等主要技術(shù)指標(biāo)全部合格。

3）粉煤灰：粉煤灰為貴州黔東火電廠生產(chǎn)的F類II級(jí)粉煤灰。

4）細(xì)骨料：采用隧道棄渣中經(jīng)篩分加工的中砂。

5）碎石：篩選隧道棄渣中經(jīng)加工的碎石，5~25 mm連續(xù)級(jí)配。

6）外加劑：四川信高通科技有限公司XGT-HPWR-S型聚羧酸高性能減水劑。

7）拌和水：凈化檢驗(yàn)合格的河溝水。

其主要材料技術(shù)性能指標(biāo)見表1~表3。

表1 水泥主要材料技術(shù)性能指標(biāo)

表2 粉煤灰主要技術(shù)性能指標(biāo)%

表3 機(jī)制砂主要級(jí)配指標(biāo)

5 試驗(yàn)過程

在隧道棄渣加工生產(chǎn)的機(jī)制砂中取樣，然后進(jìn)行水洗，篩取或風(fēng)選粒徑小于75μm篩孔的石，按不同摻配數(shù)量加入經(jīng)過清洗無石粉的機(jī)制砂中，在此基礎(chǔ)上調(diào)整水泥、粉煤灰、礦粉及外加劑等摻量，優(yōu)化中低標(biāo)號(hào)混凝土配合比。

5.1 利用亞甲藍(lán)法測含粉量

亞甲藍(lán)溶液按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行配制，通過亞甲藍(lán)法試驗(yàn)和結(jié)果評(píng)定確定機(jī)制砂石粉含量。

取一定質(zhì)量篩洗的石粉按定質(zhì)量進(jìn)行添加，記錄每個(gè)石粉重量下需要的亞甲藍(lán)溶液用量，繪制機(jī)制砂含粉量和亞甲藍(lán)溶液消耗量的關(guān)系，可以直接通過亞甲藍(lán)溶液試驗(yàn)測得機(jī)制砂的含粉量，為混凝土配比提供數(shù)據(jù)參考。

5.2 砂率

隨著石粉摻入量的增多，砂率也有一定的提高。而由于石粉顆粒粒徑一般小于75μm，同水泥、粉煤灰顆粒尺寸相近，理解為在機(jī)制砂中摻入石粉相當(dāng)于為混凝土中添加了膠凝材料，而機(jī)制砂的（75μm~4.75 mm）用量也將下降，所以，需要增加機(jī)制砂的使用量，提高砂率。

5.3 外加劑摻量

在機(jī)制砂中摻入與水泥、粉煤灰粒度相應(yīng)的石粉，相當(dāng)于增加膠凝材料。所以，在計(jì)算過程中，應(yīng)把石粉歸入膠凝材料，并由此確定外加劑用量。

5.4 石粉含量

對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥，最佳石粉含量差異很大，對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土以下，膠凝材料數(shù)量較小，且水泥的和易性差，不易泵送澆筑，所以，對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)水泥，應(yīng)采用在不降低混凝土強(qiáng)度等級(jí)的前提下的最大石粉含量；對(duì)于C30及以上強(qiáng)度稍高的混凝土，本身已具有了較好的和易度，基本可滿足泵送現(xiàn)場施工，采用了強(qiáng)度等級(jí)增加的最大值。

在外加劑和砂率不變的前提下，通過調(diào)整石粉含量，能有效地改變混凝土的特性（增強(qiáng)和易性和強(qiáng)度等）。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)，以及膠凝材料比例的提高，和易度改善效果逐步減弱。另外，機(jī)制砂中加入適量的石粉數(shù)量，有助于增加混凝土強(qiáng)度，但石粉超過一定程度，會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，并增加混凝土坍落率。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，膠凝材料的總量增大，在混凝土強(qiáng)度等級(jí)不變的前提下，石粉的摻入比例變小。

采用機(jī)制砂進(jìn)行基準(zhǔn)配合比拌和，得到最優(yōu)砂率、混凝土外加劑摻入量等數(shù)據(jù)后，進(jìn)行對(duì)比測試，由于石粉摻入量和水泥強(qiáng)度等級(jí)的改變，砂率、混凝土外加劑摻入量需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以得到良好的混凝土和易性。所以，在后期試驗(yàn)過程中，同強(qiáng)度級(jí)別的混凝土，除石粉摻入量、用砂率和外加劑摻入量需要做適當(dāng)變化，其余材料用量均不做調(diào)節(jié)，以對(duì)比不同配合比下混凝土特性。實(shí)測數(shù)值見表4。

表4 混凝土拌和對(duì)比數(shù)據(jù)

由表4可見，不同標(biāo)號(hào)的混凝土摻入一定量的石粉含量后，工作性能指標(biāo)、力學(xué)強(qiáng)度均可滿足施工和設(shè)計(jì)要求。

6 試驗(yàn)結(jié)果分析

石粉主要是指巖石經(jīng)過機(jī)械加工后的微細(xì)顆粒，混凝土中膠凝材料和水的用量較少，當(dāng)人工砂中含有適量的石粉時(shí)，石粉在砂漿中能替代部分摻合料，與膠凝材料一起起填充空隙和包裹砂粒表面的作用，相當(dāng)于增加了膠凝材料漿體，能在一定程度上改善灰漿量較少的混凝土拌和物的和易性，增進(jìn)混凝土的勻質(zhì)性、密實(shí)性、抗?jié)B性。

經(jīng)過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，膠凝材料用量減少時(shí)，石粉的存在可以彌補(bǔ)礦料的空隙，在一定程度上，混凝土的泌水率隨著石粉含量的增加而降低，機(jī)制砂石粉含量存在最佳值，等級(jí)越高，石粉含量的最佳值越低，中低標(biāo)號(hào)強(qiáng)度等級(jí)混凝土在不同的強(qiáng)度等級(jí)的情況下，均存在對(duì)應(yīng)的最佳石粉含量（見表5）[2]，此時(shí)，中低標(biāo)號(hào)強(qiáng)度等級(jí)混凝土的工作性、力學(xué)性能及耐久性均能滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 中低標(biāo)號(hào)強(qiáng)度等級(jí)混凝土最優(yōu)石粉摻入量

機(jī)制砂中石粉含量在小于一定比例范圍，填充機(jī)制砂及礦料之間的空隙，改善級(jí)配，有利于提高水泥的水化，從而提高混凝土強(qiáng)度，當(dāng)機(jī)制砂超過一定比例范圍時(shí)，造成膠集比偏大，削弱了混凝土的強(qiáng)度，為滿足優(yōu)化后的配合比要求，在生產(chǎn)中采用電動(dòng)吸塵或水洗法進(jìn)行生產(chǎn)，當(dāng)要求石粉含量偏低時(shí)，必須采用水洗法，但也要保證原有機(jī)制砂的級(jí)配，在此基礎(chǔ)上也要通過試驗(yàn)確定石粉摻量的最優(yōu)范圍[3]，以保證機(jī)制砂混凝土的工作性、力學(xué)性能及耐久性。

7 結(jié)語

綜上所述，貴州省黔東南地區(qū)河沙資源匱乏，而石灰?guī)r較為豐富，可作為加工機(jī)制砂的母材利用。通過大量試驗(yàn)可知，機(jī)制砂經(jīng)篩洗后進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并且在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上摻入不同量的石粉配制中低標(biāo)號(hào)的混凝土，混凝土的工作特性、力學(xué)特性及耐久性等均能滿足施工和設(shè)計(jì)要求。配制過程中，最佳石粉摻量可以作為機(jī)制砂加工和中低標(biāo)號(hào)混凝土配置的參考，這樣可將棄渣作為機(jī)制砂母材本著就地取材，資源得到了有效利用，生產(chǎn)的混凝土質(zhì)量也能得到保證，同時(shí)棄渣占地面積減少，機(jī)制砂加工成本較購買在一定程度上也得到節(jié)約。