柯俊濤

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，成都，610091)

1 概述

貴州六盤水機(jī)場(chǎng)高速公路工程，地處貴州山區(qū)，混凝土澆筑以泵送為主，按設(shè)計(jì)要求，C20、C25和C30等中低強(qiáng)度混凝土主要使用在橋梁樁基、墩柱、蓋梁及涵洞等位置，需用量約10萬m3左右，施工和易性要求好同時(shí)對(duì)混凝土外觀也有很高要求。項(xiàng)目部初始計(jì)劃兩種方案:一種是用河沙作為混凝土細(xì)集料;一種是全部采用機(jī)制砂，粗集料、水泥和外加劑均采用相同型號(hào)。結(jié)合本工程特點(diǎn)，對(duì)這兩種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。河沙配置的混凝土施工工藝成熟，流動(dòng)性好，泵送方便，易于施工，強(qiáng)度和工作性都容易滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，但是當(dāng)?shù)責(zé)o合格的河沙，采用此方案缺點(diǎn)是運(yùn)距遠(yuǎn)，運(yùn)輸成本大，到場(chǎng)價(jià)格高(每m3280元)，且貨源不穩(wěn)定。機(jī)制砂本地料源豐富，機(jī)制砂場(chǎng)密布，價(jià)格低(每m3僅60元)，且質(zhì)量易控制，缺點(diǎn)是級(jí)配差，棱角多，石粉多，比表面積大，導(dǎo)致水泥漿需求多。綜合考慮質(zhì)量及進(jìn)度成本要求，項(xiàng)目部選用機(jī)制砂配制混凝土，針對(duì)其缺點(diǎn)采用技術(shù)措施解決。

2 機(jī)制砂混凝土實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)用原材料

本次實(shí)驗(yàn)以配制C25機(jī)制砂混凝土為例，設(shè)計(jì)坍落度140mm～180mm。

水泥:貴州博宏實(shí)業(yè)有限公司水泥分公司生產(chǎn)的“水鋼”P.O42.5普通硅酸鹽水泥，28d實(shí)測(cè)強(qiáng)度45.0MPa;

外加劑:KDSP緩凝減水劑;

粗集料:石灰石，采用2種碎石混合成5～31.5連續(xù)級(jí)配碎石;

細(xì)集料:母巖為石灰石，干法生產(chǎn)，細(xì)度模數(shù)3.2，原狀石粉含量14%。考慮本次實(shí)驗(yàn)用石粉含量不同的細(xì)集料，將原狀砂水洗烘干得水洗砂，再用水洗砂和石粉按比例配制出不同石粉含量的試驗(yàn)用機(jī)制砂。

2.2 水灰比選擇

貴州省建設(shè)廳規(guī)程編制組在廣泛調(diào)研認(rèn)真總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參考國內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并廣泛征求意見的基礎(chǔ)上，出臺(tái)了地方標(biāo)準(zhǔn)《山砂混凝土技術(shù)規(guī)程》(DB24/016－2010)。本文參考此規(guī)程進(jìn)行水灰比的初步選定，山砂混凝土的配制強(qiáng)度(fcu，0)應(yīng)按式(1)計(jì)算:

式中:fcu，0——混凝土配制強(qiáng)度(MPa);

fcu，k——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa);

σ——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(MPa)。

山砂混凝土的水灰比(w/c)按式(2)計(jì)算:

式中:w/c——水灰比;

αa、αb——回歸系數(shù);

fce——水泥28d抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值(MPa)。

其中，σ取4，回歸系數(shù)αa、αb分別取0.46、0.30。貴州山砂混凝土的最大水灰比應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55－2011的規(guī)定。通過計(jì)算，得出C25理論水灰比為0.55。其試驗(yàn)配合比如表1所示。

表1 C25機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)配合比

圖1 灰水比與實(shí)測(cè)機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖1可以看出，機(jī)制砂配制出的混凝土的灰水比與實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度同樣存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.98。此次實(shí)驗(yàn)C25的配制強(qiáng)度為31.6，理論計(jì)算得出的水灰比為0.53，結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的強(qiáng)度，考慮工程實(shí)際施工水平，選擇28d實(shí)測(cè)強(qiáng)度在33MPa左右比較合適，結(jié)合圖1，確定C25水灰比為0.53。

2.3 砂率的確定

砂率的變動(dòng)會(huì)使骨料的空隙率和表面積顯著改變，在混凝土配制中，砂率過大，水泥漿不能充分包裹砂粒表面，砂粒之間的摩擦阻力加大使混凝土拌合物流動(dòng)性減小，且會(huì)增大混凝土的干縮現(xiàn)象;砂率過小，砂漿量不足，不能充分包裹石子，使混凝土拌合物流動(dòng)性減小，并易于離析、泌水。最優(yōu)砂率是在用水量和水泥用量一定的情況下，能使混凝土拌合物獲得最大流動(dòng)性，并保持黏聚性、保水性良好。根據(jù)貴州當(dāng)?shù)睾芏嗍褂脵C(jī)制砂的工程經(jīng)驗(yàn)，機(jī)制砂混凝土的砂率一般較天然砂混凝土高3%～7%，具體以實(shí)際試驗(yàn)而定。本次實(shí)驗(yàn)在恒定水泥用量、用水量及外加劑用量條件下，按“五點(diǎn)法”進(jìn)行砂率的優(yōu)選，在砂率40%～48%范圍內(nèi)每隔2%選取一個(gè)砂率進(jìn)行混凝土拌合物和易性試驗(yàn)，以混凝土坍落度最大時(shí)為最優(yōu)砂率，同時(shí)對(duì)比混凝土試件強(qiáng)度。試驗(yàn)用配合比如表2所示。

表2 砂率變化實(shí)驗(yàn)用配合比

對(duì)上述配合比進(jìn)行試拌，并測(cè)其坍落度和試件強(qiáng)度。砂率對(duì)混凝土坍落度影響如圖2所示。

圖2 砂率與混凝土坍落度的關(guān)系

同時(shí)，對(duì)上述不同砂率的配合比成型混凝土試件，測(cè)得混凝土強(qiáng)度與砂率關(guān)系如圖3所示。

圖3 砂率與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系

從圖2和圖3可以看出，砂率在46%時(shí)，坍落度和強(qiáng)度達(dá)到最大值，可以定義為最優(yōu)砂率。砂率對(duì)工作性尤其是坍落度影響較大，在最優(yōu)砂率46%時(shí)，流動(dòng)性和保水性最好，對(duì)強(qiáng)度的影響與坍落度相比，變化不顯著但在最優(yōu)砂率時(shí)強(qiáng)度仍為最高值。綜上所述，機(jī)制砂混凝土的砂率一般較大，不能簡(jiǎn)單套用天然砂混凝土推薦的砂率，配合比設(shè)計(jì)時(shí)必須通過試驗(yàn)確定出最優(yōu)砂率。

2.4 石粉含量對(duì)坍落度及抗壓強(qiáng)度的影響

機(jī)制砂是巖石經(jīng)除土開采破碎和篩分制成，不可避免產(chǎn)生石粉，其礦物成分和化學(xué)成分與母巖相同，含量較高通常在10%以上。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)很多項(xiàng)目“談粉色變”，高價(jià)選用天然砂或高成本增加水洗設(shè)備除去石粉。按照《公路工程水泥混凝土用機(jī)制砂》(JT/T819－2011)規(guī)定，≤C30的混凝土用的機(jī)制砂當(dāng)MB＜1.4時(shí)，石粉含量應(yīng)≤10.0，這和武漢理工大學(xué)編寫的《機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用》要求一樣。本文結(jié)合現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范，通過配制不同的石粉含量機(jī)制砂混凝土，研究石粉含量對(duì)低標(biāo)號(hào)混凝土的工作性及抗壓強(qiáng)度的影響。

參考以上的水灰比及砂率，固定水灰比為0.53，砂率46%，用水量150kg，外加劑摻量不變，選用石粉含量為8%、10%、12%、14%、16%、18%進(jìn)行配合比試驗(yàn)，研究混凝土的工作性能和力學(xué)性能(如圖4、圖5所示)。

圖4 石粉含量與坍落度的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著石粉含量的增加，坍落度先增加后減小，在石粉含量達(dá)14%時(shí)最大，同時(shí)在拌合時(shí)發(fā)現(xiàn)此時(shí)保水性、粘聚性也是在最佳狀態(tài)。對(duì)比這幾組石粉含量不同的混凝土，可明顯看出拌合物的粘聚性隨著石粉含量的增加而增加，離析現(xiàn)象也隨石粉含量增加明顯改善，可能是因?yàn)闄C(jī)制砂中的石粉增加了混凝土中漿體的比例，從而提高了混凝土的流動(dòng)性，同時(shí)石粉還起到了微滾珠的作用，減少砂與砂之間摩擦而改善混凝土的和易性〔1〕。但石粉含量過高時(shí)，漿體過粘，流動(dòng)性也不足。從此低標(biāo)號(hào)C25混凝土來看，石粉含量在8%～16%之間，坍落度均可滿足要求。

同時(shí)，制作混凝土試件測(cè)得試塊抗壓強(qiáng)度(如圖5所示)。

圖5 石粉含量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

從圖5可以看出，隨著石粉含量的增加強(qiáng)度先增加后減小，在12%～14%時(shí)達(dá)到最大值。結(jié)合工作性試驗(yàn)，這時(shí)坍落度最大，和易性也最好，試件成型容易，密實(shí)度好，破型后發(fā)現(xiàn)氣泡也較少。原因可能是石粉在水泥水化過程中起到晶核作用，誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化;石粉還對(duì)鈣礬石向單硫型轉(zhuǎn)化有阻止作用，從而提高了混凝土強(qiáng)度。

3 機(jī)制砂質(zhì)量控制

施工現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格控制機(jī)制砂的質(zhì)量。用于加工機(jī)制砂的母巖，抗壓強(qiáng)度不低于75MPa，檢驗(yàn)方法和結(jié)果處理按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。機(jī)制砂生產(chǎn)料場(chǎng)選定前，對(duì)母巖的種類、成分進(jìn)行鑒定，檢驗(yàn)骨料中活性成分的品種和含量。

開采前，清除干凈表層覆蓋土和夾層土，并剝離風(fēng)化層，強(qiáng)風(fēng)化的碳酸鹽類巖石堅(jiān)決不能用于生產(chǎn)。通過現(xiàn)場(chǎng)高頻率檢測(cè)，確定生產(chǎn)工藝參數(shù)，按設(shè)備的特性進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)，及時(shí)更換易磨損配件，穩(wěn)定山砂的質(zhì)量。成品機(jī)制砂干料堆料高度不宜超過5m，堆存的地面硬化，并設(shè)置防雨篷，堆場(chǎng)四周排水良好。

通過對(duì)料場(chǎng)取樣發(fā)現(xiàn)，雖然隨母巖的變化不可避免地出現(xiàn)石粉含量波動(dòng)，但主要集中在10%～16%之間，結(jié)合工程實(shí)際發(fā)現(xiàn)仍然能滿足其工作性和強(qiáng)度的要求，無需刻意增加水洗設(shè)備，無謂增加成本。通過實(shí)踐證明，該工程澆筑的中低標(biāo)號(hào)混凝土，工作性好，強(qiáng)度高，且結(jié)構(gòu)物外觀平整，罕見氣泡孔洞，在質(zhì)量保證的同時(shí)，也節(jié)約了工程成本，為項(xiàng)目部創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

貴州地區(qū)機(jī)制砂資源豐富，級(jí)配較差，石粉含量也高，配制中低強(qiáng)度混凝土?xí)r，水灰比大，水泥用量少，混凝土容易離析泌水。適當(dāng)提高砂率且有適當(dāng)比例的石粉存在，可以很好地解決上述問題，使其工作性能大為改善的同時(shí)，強(qiáng)度也能很好保證。從該工程實(shí)踐可看出，配制中低強(qiáng)度的混凝土，含適當(dāng)比例石粉的機(jī)制砂作為細(xì)集料完全沒問題，這對(duì)缺少天然砂的貴州地區(qū)來說，既可以充分利用現(xiàn)有資源、節(jié)約運(yùn)輸成本、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，又解決了洗砂生產(chǎn)中產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，同時(shí)也切實(shí)貫徹了“因地制宜，就地取材，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境”的原則。

〔1〕蔡基偉，李北星，周明凱，胡曉曼．石粉對(duì)中低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土性能的影響．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，(4):27～30．