呂世明 麥偉雄 胡國祥

(1.廣東省長大公路工程有限公司,廣東廣州 511431;2.武漢工程大學,湖北武漢 430073)

機制砂在靖那高速混凝土工程的應用

呂世明1麥偉雄1胡國祥2

(1.廣東省長大公路工程有限公司,廣東廣州 511431;2.武漢工程大學,湖北武漢 430073)

以廣西靖西-那坡高速公路第二合同段混凝土工程為背景,對比了機制砂與普通河砂混凝土的配合比、強度、施工性及工程質(zhì)量,并對比了兩種砂配制的混凝土的技術(shù)經(jīng)濟性。

靖那高速 機制砂 配合比 經(jīng)濟性分析

本文以廣東長大公司承建的廣西靖西-那坡高速公路第二合同段為依托，進行了機制砂混凝土的工程應用試驗和推廣工作。靖那第二合同段位于靖西和那坡縣境內(nèi)，起點位于靖西縣安德鎮(zhèn)堪懷村，與第一合同段終點K44+913.412相接，經(jīng)安德鎮(zhèn)坡荷鄉(xiāng)，止于坡荷鄉(xiāng)巖信K69+900，路線全長24.987km，隧道共6座，單洞長度14302米。項目處于典型的喀斯特地區(qū)，河砂資源嚴重匱乏。河砂必須從100多公里外運購買，每方到場價達165元以上，大大增加了混凝土工程的材料成本。本項目充分利用地材資源，通過利用隧道開挖施工產(chǎn)生的洞渣，生產(chǎn)合格的機制砂替代河砂，既可以解決隧道洞渣的堆放問題，通過碎石和石屑的復合投料消納了碎石生產(chǎn)過程中的石屑，又能在保證工程質(zhì)量的前提下大大降低混凝土的成本。對比了機制砂與普通河砂混凝土的配合比、強度、施工性及工程質(zhì)量，并對比了兩種砂配制的混凝土的技術(shù)經(jīng)濟性。

1 機制砂混凝土配合比

1.1 機制砂混凝土與河砂混凝土強度對比

在工程建設初期，由于建設方關(guān)于機制砂是否能在工程中應用沒有明確的意見，靖那高速第二合同段項目部實驗室采用天然砂進行了配合比設計，配合比設計以項目部實際采用的碎石、天然河砂、水泥以及外加劑為原材料進行。表1是采用河砂配制的各強度等級混凝土的配合比以及其工作性與強度試驗結(jié)果。

針對那坡當?shù)睾由百Y源匱乏，河砂運費高昂的現(xiàn)狀，利用當?shù)厥瘓龅脑蛘呤琼椖坎克淼拦こ虖U石進行了聯(lián)產(chǎn)碎石機制砂的試驗，形成了機制砂生產(chǎn)工藝，并和采用武漢理工大學聯(lián)合提出一種復合投料的方法，對機制砂的級配進行了改善，細度模數(shù)在2.8～3.0之間。課題組采用這種級配優(yōu)化后的機制砂和與河砂混凝土相同的其他原材料，進行了各種強度等級的混凝土配合比設計。其配比和試驗結(jié)果見表2。

表1 靖那高速二標河砂混凝土配合比

表2 機制砂混凝土配合比

表4 C20機制砂混凝土強度匯總

原材料：水泥：右江牌P.O42.5；細集料：黑水河中砂；粗集料：C15、C20、C25、C30普通混凝土碎石規(guī)格為大石16～31.5mm和小石5～16mm，C25防水、C30水下、C40、C50混凝土碎石規(guī)格為大石16～26.5mm和小石5～16mm；外加劑：信江牌XJ-JS聚羧酸高性能減水劑。

原材料：水泥：右江牌P.O42.5；細集料：果亂石場機制砂；粗集料：C15、C20、C25、C30普通混凝土碎石規(guī)格為大石16～31.5mm和小石5～16mm，C25防水、C30水下、C40、C50混凝土碎石規(guī)格為大石16～26.5mm和小石5～16mm；外加劑：信江牌XJ-JS聚羧酸高性能減水劑。

表5 C25防水、C25機制砂混凝土強度匯總

表6 C30機制砂混凝土強度匯總

表7 各標號機制砂混凝土回彈強度

表8 各標號機制砂混凝土芯樣強度

表9 河砂與機制砂混凝土經(jīng)濟性對比

對比兩種砂配制的混凝土可以看出：在配制相同用途和強度等級的混凝土時，在保證工作性都能滿足設計要求的前提下，低強度等級的機制砂混凝土的坍落度提高比較大，對高強度等級的混凝土，兩者的坍落度基本相同，對流動性比較高的水下混凝土則略有減少。這是因為對于強度比較低的混凝土，由于水泥用量較低，適當提高其坍落度可以保證混凝土振搗過程中容易密實，便于施工。由于機制砂混凝土中含有機制砂帶入的石粉，在低強度等級的混凝土中由于膠凝材料用量小，石粉可以起到一定的填料作用，雖然也提高了混凝土的需水量，但強度仍滿足要求。在高強和高流動性的混凝土中，富余漿體比較豐富，保證和河砂混凝土相似的坍落度則可以具有更好的密實性能。

在水泥用量不過多增加甚至有所減少的前提下，除C30水下混凝土和C50混凝土外機制砂混凝土的砂率都有一定的高，這是因為機制砂混凝土棱角性比較強，細度模數(shù)較大，適當提高砂率可以改善混凝土的工作性，但在水泥用量大，漿體體積比較高的高強和高流態(tài)混凝土，或者是本身砂率大于40%的混凝土，則不需要過高的提高機制砂混凝土的砂率。

采用機制砂后，在工作性有所改善的前提下，機制砂低強度混凝土的水灰比有所提高，是因為機制砂帶入了一定的石粉含量，提高了混合料的需水量，而對于水泥用量比較高的高強或高流態(tài)的混凝土，石粉的摻入進一步改善了流動性，在砂率優(yōu)化后水灰比并沒有相應的提高，仍然可以達到相近甚至更好的工作性。

該項目計的機制砂混凝土的7天和28天強度大多和河砂混凝土相比大多有所提高，特別是中高強度等級的混凝土提高更為明顯。這也進一步證明，只要經(jīng)過精心設計，機制砂混凝土比常用的河砂混凝土強度在相似的條件下可以有明顯的提高。

圖1 采用河砂施工的結(jié)構(gòu)物

圖2 采用機制砂施工的結(jié)構(gòu)物

2 機制砂混凝土工程質(zhì)量檢測情況

2.1 機制砂混凝土現(xiàn)場制件強度

采用機制砂生產(chǎn)混凝土并不需要特殊的設備和特別的施工工藝，只需要適當延長拌合時間10%左右即可保證拌合均勻性。由于機制砂中有一定的石粉、機制砂有一定的棱角性，振搗后流動性顯著改善，振搗時間則宜減少20-30%。機制砂混凝土的現(xiàn)場拌和樣的坍落度、坍落度損失和普通河沙混凝土趨勢基本一致，主要受外加劑質(zhì)量控制。通過對依托工程中各標號機制砂混凝土的應用情況資料的收集、整理發(fā)現(xiàn)：不同部位的各標號機制砂混凝土的實際強度與相應的試配強度相差不大。實驗配制的機制砂混凝土強度都存在一定的富余，故各標號機制砂混凝土在實際工程應用中都表現(xiàn)出了良好的性能。各強度等級的機制砂混凝土強度匯總見表3、4、5和6。

通過大量的試驗檢測數(shù)據(jù)，可以看出各部位C15標號機制砂混凝土的平均強度都比試配強度要高，平均強度在22MPa以上。這表明C15標號的機制砂混凝土的強度完全能夠達到要求，并有一定的強度富余。

通過表4、5、6三個表格的數(shù)據(jù)可以看出：各相應標號的機制砂混凝土實測的強度都會比相應試配強度略低，低于范圍在1～2MPa之間，但是仍然可以達到設計的強度的要求。實驗室在進行機制砂混凝土配合比設計的時候，為了更好的擁有穩(wěn)定的強度表現(xiàn)，而選擇了有一定量強度富余的配比。實際應用中的機制砂混凝土的強度雖然略低于試配強度，但是由于具有一定的強度富余，C20、C25、C25防水和C30標號的機制砂混凝土也能很好的滿足施工要求。各級機制砂混凝土工程的實測強度都達到了強度指標并仍有一定的富余系數(shù)。

2.2 機制砂混凝土回彈強度匯總

除了測試從拌合樓或現(xiàn)場留取的各強度等級機制砂混凝土強度和工作性外，采用回彈法對混凝土工程的實際強度進行了檢測。本項目也對依托工程中不同混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土的回彈強度進行了收集和整理，統(tǒng)計涵蓋了117組機制砂混凝土的回彈強度?；貜棌姸葏R總見表7所列。

通過表7可以看出，各個部位的不同強度等級的機制砂混凝土的回彈強度都達到了設計強度，并具有一定的富余強度，從這些數(shù)據(jù)可以看出機制砂混凝土工程的安全性不存在問題，機制砂取代河砂用于混凝土工程是可行的。

2.3 機制砂混凝土芯樣強度匯總

回彈強度是一種間接推定混凝土強度的無損檢測方法，混凝土芯樣強度是對混凝土實體工程強度的直接檢驗，在機制砂混凝土結(jié)構(gòu)中抽取混凝土芯樣，切割成標準尺寸的圓柱體試樣，測試其抗壓強度，這是目前混凝土強度的仲裁檢測方法，但是往往會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的破壞，是一種有損檢測方法，不常使用。表8是不同部位和結(jié)構(gòu)的機制砂混凝土的芯樣強度匯總。

通過表8可以看出機制砂混凝土工程芯樣都能很好的滿足設計強度。綜和各種混凝土強度檢驗方法的檢測結(jié)果，不同工程部位的不同強度等級的機制砂混凝土的回彈強度、芯樣強度基本與試配強度相當，具有很大的富余強度，測試結(jié)果和設計值比較接近，機制砂完全可以代替河砂用于各強度等級的混凝土。

3 混凝土成本分析

通過對各種標號的河砂與機制混凝土配合比及原材料成本相對比可知：采用機制砂混凝土成本明顯降低，經(jīng)濟效益比較顯著。詳見下表9。

從表11中可以發(fā)現(xiàn)，機制砂混凝土的生產(chǎn)成本比外購河砂自產(chǎn)石混凝土成本低的多，采用機制砂明顯能降低工程造價。靖那二標通過使用機制砂，單在材料這方面就能節(jié)省3088.9萬元。所以只要控制好機制砂的生產(chǎn)質(zhì)量，機制砂混凝土的施工質(zhì)量和工程質(zhì)量控制，機制砂取代河砂是完全可以實現(xiàn)的，經(jīng)濟效益十分顯著。

4 工程應用實體

用機制砂混凝土施工的工程實體與用河砂混凝土施工的工程實體相比沒有明顯的差別，施工過程中機制砂混凝土通常更容易發(fā)生離析和泌水，在施工過程中注意振搗(嚴防過振)，施工的工程實體同樣具有色澤均勻，外觀更光滑等。詳見下圖：1，2。

以往由于機制砂混凝土中外加劑(減水劑)的使用率低，機制砂混凝土通常比河沙混凝土有更強的離析和泌水傾向，所以機制砂混凝土的外觀往往趕不上河砂混凝土。但是近年來在我國減水劑的使用非常普遍，特別是第三代減水劑可以通過復配減少混凝土的泌水和離析，對機制砂混凝土的終飾效果有明顯的改善。通過工程試驗發(fā)現(xiàn)：只要保證機制砂的細度模數(shù)不大于3.2，機制砂級配可以滿足相關(guān)規(guī)范，通過優(yōu)選外加劑，控制好工作性，完全可以控制并杜絕混凝土的離析和泌水。機制砂混凝土通常更容易起漿密實，因而要適當減少插入振搗時間，嚴格避免過振現(xiàn)象，機制砂混凝土外觀質(zhì)量并不劣于河砂混凝土。而且，由于機制砂中有一定的石粉含量，增加了表層漿體的厚度，混凝土的終飾效果完全可以比天然砂混凝土更好。

5 結(jié)語

(1)采用機制砂配制的混凝土在采用適宜外加劑的條件下可以適當改善混凝土的工作性，有效降低機制砂混凝土的離析和泌水傾向，在機制砂質(zhì)量合格時可以適當提高混凝土強度；(2)通過配合比優(yōu)化的機制砂混凝土的工作性可以得到保證，無論是拌合樓混凝土強度，還是混凝土工程的回彈強度、芯樣強度都與各強度等級的試配強度相差不大，完全可以保證機制砂混凝土的工作性。(3)機制砂混凝土應適當增加拌合時間，但適當減少插入振搗時間。只要保證機制砂的細度模數(shù)不大于3.2，優(yōu)選外加劑，控制好工作性，減少離析和泌水，其終飾效果不亞于河砂混凝土。(4)機制砂作為一種替代砂，其直接經(jīng)濟效益體現(xiàn)在就地取材，可節(jié)省材料成本約3000萬元；同時本依托工程充分利用了隧道開挖洞渣生產(chǎn)砂石、采用復合投料的方式充分利用了石屑，又能降低細集料的材料成本。減少了洞渣和石屑等廢棄物的排放。

[1]廣東省廣樂高速隧道洞渣綜合利用可行性研究報告[R].武漢理工大學,2010.

[2]盧洪波.人工砂生產(chǎn)新技、新工藝、新裝備、新材料探討[J].廣東建材,2005(11)：14-15.

[3]蔡基偉.石粉對機制砂混凝土性能的影響及機理研究[D]：[博士學位論文].武漢：武漢理工大學建筑材料系,2006.

[4]王稷良.機制砂特性對混凝土性能的影響及機理研究[D]：[博士學位論文].武漢：武漢理工大學建筑材料系,2008.

[5]吳明威,付兆崗 等.機制砂中石粉含量對混凝土性能影響的試驗研究[J].鐵道建筑技術(shù),2004(4)：46-49.

呂世明(1986—),男,云南昭通人,工程師,北京交通大學本科畢業(yè),廣東省長大公路工程有限公司,從事公路建設管理工作。