秦明強，朱瑤宏，李進輝，占 文，屠柳青

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，武漢 430040;2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430040;3.寧波市軌道交通工程建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315000)

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，混凝土用量巨大，消耗了大量的天然砂石資源。目前，天然砂資源日趨匱乏，質(zhì)量日益下降，而且價格大幅上漲，進而導(dǎo)致混凝土用砂供需矛盾突出，甚至影響了混凝土質(zhì)量。機制砂和人工混合砂能在一定程度上緩解這一矛盾，并且能有效利用石場開采的廢棄物。機制砂是指由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風化巖的顆粒?；旌仙皠t是指由機制砂和天然砂混合制成的砂。機制砂顆粒表面粗糙、尖銳多棱角、細度模數(shù)大、級配不良、堆積空隙率高［1-2］，配制出的混凝土易出現(xiàn)和易性差、離析泌水、后期強度低、外觀質(zhì)量不好等系列問題。若配以一定比例的天然砂制成混合砂后，能在一定程度上緩解。

寧波市軌道交通工程1號線一期起于市區(qū)西部的高橋鎮(zhèn)，終于東外環(huán)路站，線路全長約21.00 km。設(shè)車站20座，其中地下站15座，高架站5座，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為100年。本工程混凝土方量約為100萬m3，預(yù)計需要用砂約75萬 t。寧波附近缺少淡水砂資源，如采用當?shù)睾Ｉ芭渲苹炷?，混凝土中初始氯離子濃度滿足不了規(guī)范要求，勢必影響混凝土的耐久性。目前混凝土用砂基本采用福建閩江和江西贛江天然河砂，河砂供需矛盾突出且價格較高。同時，寧波本地石料場較多，有較為充足的機制砂資源。因此，如何采用機制砂和天然河砂混合配制出滿足工程需要的混凝土是一個亟待解決的問題。本研究主要針對以上情況，研究人工混合砂配制軌道交通工程混凝土的可行性。

1 主要原材料及試驗方法

1.1 主要原材料

水泥選用余姚舜江P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，標準稠度用水量26.8%，比表面積360 m2/kg，28 d抗壓強度45.2 MPa;粉煤灰選用寧波北侖電廠Ⅱ級粉煤灰，細度11.1%，需水量比99.2%;礦粉選用寧波港新S95級礦粉，比表面積400 m2/kg，28 d活性指數(shù)96%;石子選用寧波新欣5～25 mm碎石，表觀密度2 635 kg/m3、針片狀含量3.8%、壓碎值4.1%;外加劑選用中交武港院聚羧酸減水劑，減水率25.2%。

天然砂為福建閩江砂，具體性能指標見表1;機制砂為寧波半浦石場生產(chǎn)，具體性能指標見表2。

表1 試驗用天然砂主要技術(shù)指標

表2 試驗用機制砂主要技術(shù)指標

1.2 試驗方法

混凝土電通量、抗水滲透性能和碳化試驗按《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》(GB/T50082—2009)的相關(guān)方法進行。

2 試驗結(jié)果與討論

本研究主要以工程中用量較大的C35 P10防水混凝土為例進行試驗。C35 P10防水混凝土配制時要求具有良好的工作性、抗?jié)B性、抗裂性和耐久性能，具體指標要求見表3。

目前C35 P10防水混凝土配制一般采用大摻量礦物摻合料(單摻粉煤灰或粉煤灰和礦粉雙摻)和高效減水劑的配制技術(shù)，部分工程中摻入膨脹劑、抗裂防水劑或纖維來提高其抗?jié)B性。同時，通過控制膠材用量來降低水化熱，降低水膠比來提高密實性，控制砂率來提高體積穩(wěn)定性。

表3 C35 P10防水混凝土配制技術(shù)指標

試驗中選取軌道交通工程中較為常用的C35 P10防水混凝土配合比(NJ-5)作為基準配合比，將機制砂和天然砂按照不同比例(100∶0，80∶20，60∶40，40∶60，0∶100)混合，通過外加劑摻量調(diào)節(jié)，使混凝土坍落度達到180～200 mm，具體試驗配合比見表4。表中膠材用量采用雙摻，水泥∶粉煤灰∶礦粉=5∶3∶2。考慮到機制砂的級配不如混合砂，細顆粒相對較少，對砂率進行適當?shù)恼{(diào)整。機制砂用量愈多，砂率愈大，全用機制砂時砂率取46%，全天然砂時砂率40%。試驗主要測試混凝土的工作性能、抗壓強度、抗?jié)B等級和相關(guān)耐久性指標，并進行對比分析。

表4 試驗用配合比 kg/m3

2.1 工作性能

由表5可知，人工混合砂較天然河砂、全機制砂混凝土工作性能均有一定的改善。與天然河砂相比，人工混合砂中機制砂的摻入使得混凝土的坍落度和擴展度增大，主要由于機制砂中含有一定量的石粉，可增加混凝土中漿體量，改善了工作性能，在一定程度上緩解了摻入礦粉后混凝土發(fā)黏的問題。另外，與全機制砂相比，人工混合砂解決了全機制砂混凝土易離析的問題，并在一定范圍內(nèi)隨著機制砂用量的降低、天然砂用量的增加改善離析效果愈發(fā)顯著，究其原因為天然砂的摻入增加了細顆粒含量，改善了級配，弱化了機制砂表面較粗糙、相互摩阻力大的問題。

表5 工作性能對比

2.2 力學(xué)性能

力學(xué)性能如圖1所示。人工混合砂配制出的混凝土早期抗壓強度(7 d)要略高于天然砂(NS)，低于全機制砂(MS)，后期抗壓強度(28 d)基本相當，均能滿足試配強度要求。機制砂中含有適量的石粉，一方面微細的石粉可起到填充空隙的作用，使得混凝土中漿體量增大，提高密實性［3-5］。更重要的是，石粉的主要成分為碳酸鈣，微細碳酸鈣的加入還可以加速硅酸三鈣的水化，提高混凝土的早期強度［6］。后期強度增長緩慢可能由于機制砂表面有大量的裂縫和缺陷，在后期較高強度的情況下，不再是界面和水泥漿本身的破壞，而顯現(xiàn)為機制砂自身的破壞。

圖1 人工混合砂對抗壓強度的影響

2.3 抗?jié)B性能

由圖2可知，所配制的混凝土電通量均小于1 000 C，滿足高性能混凝土要求。人工混合砂配制出的混凝土28 d電通量值高于天然砂，低于全機制砂;56 d電通量值除全機制砂高于天然砂外，其余均低于天然砂，并隨著機制砂與天然砂比例的調(diào)整，電通量值略有差異。

全機制砂混凝土抗水滲透等級為P10，其余四組均可達到P12。其原因在于機制砂級配不良，采用全機制砂時堆積空隙率高，石粉不足以填充所有空隙，導(dǎo)致抗?jié)B性能略有降低。隨著機制砂與天然砂的比例調(diào)整、級配的優(yōu)化，填充效果得到改善，抗?jié)B性能提高。

圖2 人工混合砂對電通量的影響

2.4 碳化性能

圖3為各組28 d齡期碳化深度試驗結(jié)果。由圖3可知，天然砂28 d碳化深度最大，全機制砂次之，人工混合砂則隨天然砂的比例增大而增加，表明人工混合砂與天然砂相比會在一定程度上改善碳化問題。

2.5 變形性能

通過上述試驗結(jié)果和經(jīng)濟性綜合比較，選取了NJ-4組(機制砂∶天然砂 =4∶6)與天然砂和全機制砂進行干縮試驗對比，試驗結(jié)果見圖4。圖中人工混合砂對干縮的影響較小，28 d干縮值略高于天然砂，主要由于石粉增加了混凝土中的漿體量，導(dǎo)致了混凝土的干縮增大。

圖3 人工混合砂對28 d碳化深度的影響

圖4 人工混合砂對干縮的影響

3 結(jié)語

通過以上試驗，利用人工混合砂配制出的混凝土工作性能、早期抗壓強度、抗?jié)B性能和抗碳化性能優(yōu)于天然砂，后期抗壓強度基本相當、干縮變形稍大于天然砂。人工混合砂可替代天然砂用于配制軌道交通工程C35 P10防水混凝土。同時，在采用本研究的原材料情況下，綜合考慮經(jīng)濟性和混凝土性能，建議機制砂與天然砂的比例為6∶4。

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