鄧橋，鄒洋，張波

(中交四航局第一工程有限公司)

0 前言

混凝土是現(xiàn)代土木工程建設(shè)最主要的建筑結(jié)構(gòu)材料，細(xì)集料是混凝土重要組成部分，其對(duì)混凝土拌合物的工作性和硬化后的物理力學(xué)性能和耐久性等均具有重要影響。在工程建設(shè)中，一般主要采用性能良好的天然中、粗砂作細(xì)集料配制混凝土，隨著建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，混凝土的大量應(yīng)用，天然砂資源已日益短缺。在此形勢(shì)之下，機(jī)制砂生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，機(jī)制砂的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究也在科研院所及部分企業(yè)迅速開(kāi)展起來(lái)。國(guó)內(nèi)科研試驗(yàn)人員做了大量的關(guān)于機(jī)制砂混凝土方面的試驗(yàn)研究工作。

《建設(shè)用砂》GB/T 14684-2011、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T F50-2011、《機(jī)制砂、混合砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》DB50/5030-2004等國(guó)家、行業(yè)、地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了砂的級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)和石粉含量限值，其中對(duì)機(jī)制砂的級(jí)配要求與天然砂的相同，為了滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的石粉含量要求，機(jī)制砂中過(guò)量的石粉必須通過(guò)水洗或風(fēng)選去除，必將造成細(xì)集料中缺少細(xì)顆粒，級(jí)配不良，而適量特細(xì)砂的摻入，可補(bǔ)充0.3mm以下顆粒含量，有效的調(diào)整機(jī)制砂的顆粒分布，改善細(xì)集料的級(jí)配，使之符合技術(shù)規(guī)范要求。

結(jié)合重慶三環(huán)高速公路建設(shè)，考慮重慶地區(qū)原材料特性和公路橋涵施工行業(yè)特點(diǎn)，對(duì)機(jī)制砂和特細(xì)砂混合而成的混合砂配制混凝土進(jìn)行技術(shù)研究，主要考察機(jī)制砂和特細(xì)砂的摻配、混合砂混凝土的配制、混合砂混凝土的工作性能和力學(xué)性能等。

1 主要原材料

1.1 細(xì)集料

(1)特細(xì)砂。

合川臨哲建材有限公司在渠河開(kāi)采的特細(xì)砂。性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

(2)機(jī)制砂。

合川臨哲建材有限公司生產(chǎn)的卵石機(jī)制砂。

石粉是機(jī)制砂加工后形成的粒徑小于0.075mm的和母巖相同成分的顆粒，適量的石粉對(duì)配制混凝土是有利的，適量石粉的存在，能彌補(bǔ)機(jī)制砂混凝土和易性差的缺陷。而泥對(duì)混凝土是有害的，應(yīng)該嚴(yán)格控制其含量?，F(xiàn)行國(guó)家行業(yè)規(guī)范等如《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T F50-2011出于控制含泥量的考慮，對(duì)石粉含量也進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。為了達(dá)到規(guī)定的石粉含量要求，采用了經(jīng)過(guò)水洗工藝的卵石機(jī)制砂，制砂用卵石源于經(jīng)水洗后的涪江卵石。性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

(3)天然砂。

產(chǎn)于洞庭湖的Ⅱ類中砂(湖砂)。

天然中砂從洞庭湖船運(yùn)至重慶碼頭，然后汽運(yùn)至合川，運(yùn)距1000km左右。其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 特細(xì)砂、機(jī)制砂、天然中砂的技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 碎石

合川虹發(fā)采石場(chǎng)生產(chǎn)的5～25mm碎石(由70％的10～20mm碎石和30％的5～10mm碎石摻配而成)。主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 碎石主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.3 水泥

拉法基瑞安(重慶)特種水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5R水泥。主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 水泥主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.4 粉煤灰

廣安順勝粉煤灰有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 粉煤灰主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.5 減水劑

重慶九樂(lè)建材有限公司生產(chǎn)的RH-1高效減水劑。主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 減水劑主要技術(shù)性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)與結(jié)果討論

2.1 混合砂的摻配

混合砂中特細(xì)砂與機(jī)制砂比例的確定，混合砂細(xì)度模數(shù)的計(jì)算可用重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《混合砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》DB50/5030-2004中的簡(jiǎn)易公式計(jì)算

式中:Uf(混)為混合砂的細(xì)度模數(shù);Uf(機(jī))為機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù);Uf(特)為特細(xì)砂的細(xì)度模數(shù);A(機(jī))為機(jī)制砂的摻配比例;A(特)為特細(xì)砂的摻配比例。

根據(jù)上述公式，按照30％的特細(xì)砂和70％的機(jī)制砂混合計(jì)算混合砂的細(xì)度模數(shù)=1.4×0.3+3.6×0.7=2.9，將特細(xì)砂和機(jī)制砂按照比例混合后進(jìn)行篩分，實(shí)測(cè)混合砂細(xì)度模數(shù)為2.8，與計(jì)算值相近。混合砂篩分級(jí)配范圍見(jiàn)表6。結(jié)果表明，除了2.36mm篩的累計(jì)篩余不在Ⅱ區(qū)砂的曲線范圍外，其余篩都符合，且2.36mm篩的累計(jì)篩余超出量為1.8％，符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T F50-2011規(guī)定的人工砂可以超出的限值5％。適量的摻配比例，可以將原本不符合規(guī)范級(jí)配范圍要求的特細(xì)砂和機(jī)制砂配制成符合要求的混合砂。

表6 30％特細(xì)砂和70％機(jī)制砂混合實(shí)際級(jí)配

在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)需要的細(xì)度模數(shù)、特細(xì)砂和機(jī)制砂的實(shí)際細(xì)度模數(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)易公式進(jìn)行反向計(jì)算，得出特細(xì)砂與機(jī)制砂的摻配比例，快速應(yīng)用于工程建設(shè)。

2.2 不同細(xì)集料種類的混凝土配制與性能

配合比設(shè)計(jì)依據(jù)《普通配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55-2011、《機(jī)制砂、混合砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》DB50/5030-2004進(jìn)行，混凝土的工作性及物理力學(xué)性能依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2005進(jìn)行。在混合砂混凝土的配制過(guò)程中，從初始配合比的計(jì)算到基準(zhǔn)配合比的確定，需要經(jīng)過(guò)多次的調(diào)整。在整個(gè)調(diào)整過(guò)程中，選擇合適的用水量、砂率、減水劑摻量等，以達(dá)到最佳的工作性能。試驗(yàn)采用不同的混合砂摻配，相同的配合比，配制的混凝土的工作性能及強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表7。配合比為m水泥∶m細(xì)集料∶m粗集料∶m減水劑∶m水=469∶736∶1060∶8.98∶166。

表7 不同摻配比例的混合砂配制的混凝土的工作性及強(qiáng)度

從混凝土的工作性能來(lái)看，混凝土坍落度隨細(xì)砂摻量的增加，呈現(xiàn)出先增加后降低趨勢(shì)。這是因?yàn)闄C(jī)制砂的顆粒級(jí)配不合理，顆粒不規(guī)則，棱角較多，表面粗糙。摻入部分特細(xì)砂后，可以填充原先顆粒間的空隙，在一定摻量范圍內(nèi)，摻量越多，顆粒級(jí)配越好。同時(shí)，天然細(xì)砂的摻入，減少了機(jī)制砂之間的內(nèi)摩擦力，從而增加了混凝土的流動(dòng)性。數(shù)據(jù)表明，當(dāng)細(xì)砂摻量在30％～40％時(shí)，混合砂混凝土的工作性能最佳，具有最佳的顆粒級(jí)配;當(dāng)細(xì)砂摻量超過(guò)40％時(shí)，由于特細(xì)砂的顆粒偏細(xì)，偏高的摻量導(dǎo)致需要更多的水泥漿來(lái)包裹集料，從而使需水量要增加，導(dǎo)致在相同用水量的條件下，混凝土的工作性能變差。

從混凝土的力學(xué)性能來(lái)看，全機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度最高，隨著特細(xì)砂在混合砂中所占比例的提高，混凝土強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。當(dāng)特細(xì)砂摻量在0％～30％時(shí)，混合砂混凝土的28d抗壓強(qiáng)度均略高于純天然砂的強(qiáng)度?？赡苁怯捎跈C(jī)制砂的表面粗糙，且棱角較多，石粉的填充效應(yīng)等，有利于增加混凝土中水泥石和集料的咬合作用，改善界面性能，適量特細(xì)砂的摻加，調(diào)整了原先機(jī)制砂的級(jí)配問(wèn)題，提高混合砂混凝土的密實(shí)性，從而提高了混凝土的強(qiáng)度。

2.3 天然砂和混合砂混凝土的彈性模量和抗?jié)B性能

對(duì)30％特細(xì)砂和70％機(jī)制砂(A3)和全天然中砂(A5)的配合比分別做彈性模量試驗(yàn)和抗?jié)B性能試驗(yàn)，均采用28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件。彈性模量試驗(yàn)取6個(gè)試件，其中3個(gè)進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并取軸心抗壓強(qiáng)度平均值的1/3作為另外3個(gè)試件的彈性模量試驗(yàn)的加荷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，得到混凝土的靜力抗壓彈性模量。抗?jié)B試驗(yàn)時(shí)，水壓從0.1MPa開(kāi)始，每隔8h增加水壓0.1MPa，并隨時(shí)觀察試件表面滲水情況，直到6個(gè)試件中的3個(gè)試件表面滲水或者加壓到1.2MPa并保持8h后無(wú)3個(gè)試件滲水方可停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 天然砂和混合砂混凝土的力學(xué)性能和抗?jié)B性能

表8試驗(yàn)結(jié)果表明，相同齡期的混合砂混凝土和天然中砂混凝土相比，兩者的彈性模量相近，混合砂的彈性模量略高于天然中砂。對(duì)比二者抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于天然中砂混凝土，混合砂的7d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢。可能是由于在水化前期，機(jī)制砂表面粗糙棱角較多，水泥石與骨料顆粒之間要合理較大，從而使得水泥石與骨料界面滑動(dòng)困難，變形較小，特細(xì)砂又在機(jī)制砂中起到填充的作用，增加內(nèi)部致密程度，降低了孔隙率，從而提高了其彈性模量。

同時(shí)，混合砂與天然中砂配制的混凝土一樣，具有優(yōu)越的抗?jié)B性能，均能達(dá)到S12級(jí)?；炷恋目?jié)B性能越好，說(shuō)明混凝土孔隙率越小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，腐蝕物質(zhì)就越不易滲入到混凝土中，混凝土抵抗侵蝕的能力就越強(qiáng)，具有較高的耐久性能。

2.4 不同強(qiáng)度等級(jí)混合砂混凝土的性能

將上述得到的最佳比例的混合砂(30％特細(xì)砂+70％機(jī)制砂)用于不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，再次驗(yàn)證特細(xì)砂和機(jī)制砂組合后配制的混凝土的工作性能和硬化后的力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土的工作性能和力學(xué)性能

從表9可以看出，按照30％特細(xì)砂和70％機(jī)制砂摻配而成的混合砂可以應(yīng)用于各不同等級(jí)混凝土中，其工作性能包括坍落度、坍落度損失、和易性等指標(biāo)優(yōu)異，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，其抗壓強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，同時(shí)對(duì)于有抗?jié)B性要求的，也能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3 混合砂混凝土在工程中的應(yīng)用

重慶三環(huán)高速公路是重慶市高速路網(wǎng)的重要組成部分，銅梁至合川段作為三環(huán)的一部分連接重慶市的兩個(gè)重要城市，位于重慶市西北經(jīng)濟(jì)區(qū)，西起銅梁城北二龍碑附近，途經(jīng)二坪、舊縣、十塘，東止渝武高速公路合川南沙溪廟互通，是連接渝遂、渝武高速公路的重要通道。其中的第三、四標(biāo)段共有包括C15、C20、C25、C30、C40、C50等各種等級(jí)的混凝土約8萬(wàn)余m3，其中約6萬(wàn)m3采用特細(xì)砂和機(jī)制砂摻配的混合砂混凝土，其混凝土拌合物工作性能良好，完全滿足施工要求，硬化后結(jié)構(gòu)物外觀質(zhì)量較好，無(wú)嚴(yán)重外觀質(zhì)量問(wèn)題。所有混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)物現(xiàn)場(chǎng)回彈強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。另外2萬(wàn)m3混凝土采用天然中砂配制，同樣取得了良好的效果。

4 結(jié)論

(1)機(jī)制砂與特細(xì)砂按比例混合配制成復(fù)合砂，可以按照Uf(混)=Uf(機(jī))*A(機(jī))+Uf(特)*A(特)簡(jiǎn)易公式計(jì)算細(xì)度模數(shù)。混合砂的摻配，既解決了機(jī)制砂的缺點(diǎn)，又可機(jī)動(dòng)調(diào)整復(fù)合砂細(xì)度模數(shù)以滿足規(guī)范中對(duì)細(xì)集料級(jí)配的要求，還保證了混凝土的密實(shí)性，提高了混凝土的施工性能及強(qiáng)度

(2)機(jī)制砂與天然砂的比例存在著一個(gè)最佳摻量，在本文試驗(yàn)條件下，特細(xì)砂的比例為30％～40％相對(duì)最好。但是不同地方的原材料差別較大，砂的細(xì)度模數(shù)不同，機(jī)制砂的級(jí)配組成等都可能影響其最佳摻配比例，實(shí)際需要對(duì)其試驗(yàn)調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)性能。

(3)適量特細(xì)砂摻量的混合砂混凝土的工作性略差于天然中砂，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量略高于天然中砂混凝土，抗?jié)B性能倆者相當(dāng)。各種等級(jí)的混合砂混凝土的工作性能和力學(xué)性能均能夠滿足設(shè)計(jì)和施工要求?；旌仙巴耆写嫣烊恢猩暗臈l件，以帶來(lái)較好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于傳統(tǒng)觀念的影響，在較高等級(jí)的混凝土中的應(yīng)用仍存在不少阻力，轉(zhuǎn)變部分管理人員的過(guò)于謹(jǐn)慎的傳統(tǒng)觀念，仍需要一定的努力。

[1] 張建波，等.混合砂混凝土性能研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(3):86-90.

[2] 建設(shè)用砂(GB/T 14684-2011)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[3] 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTG/T F50-2011)[S].北京:人民交通出版社，2011.

[4] 機(jī)制砂、混合砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(DB50/5030-2004)[S].重慶:重慶大學(xué)出版社，2004.

[5] 岳海軍，等.水泥混凝土用機(jī)制砂的級(jí)配探討與試驗(yàn)[J].混凝土，2012，(3):91-94.