唐 瑜 吳慶雄 陳榮剛

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建福州 350116; 2.福建高速至信建設(shè)管理有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在土木工程中，混凝土具有制備簡單、生產(chǎn)成本相對較低、可塑性好且耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，是用途最廣、用量最大的建筑材料；其中，砂是混凝土中最為重要的原材料之一[1]。然而，近些年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)數(shù)量及規(guī)?？焖僭鲩L，混凝土的使用量急劇增大，導(dǎo)致大量的天然砂被過度開采，天然砂資源逐漸匱乏，環(huán)境破壞愈演愈烈。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)以及環(huán)保力度的加大，天然砂禁采范圍越來越廣，價(jià)格也越來越高。在此背景下，機(jī)制砂引起了更多人的關(guān)注[2]。機(jī)制砂利用現(xiàn)代化技術(shù)由巖石經(jīng)除土開采、機(jī)械破碎、篩分制成，其粒徑在4.75 mm以下。但是，與天然砂對比，機(jī)制砂在實(shí)際應(yīng)用過程中也存在些許問題，例如經(jīng)機(jī)械破碎后粒型不好、針片狀過多、級配不連續(xù)、細(xì)度模數(shù)偏大等。

針對上述問題，人們開始將機(jī)制砂和天然砂進(jìn)行混合配制形成混合砂。已有的研究結(jié)果表明，混合砂可以充分發(fā)揮機(jī)制砂和天然砂的優(yōu)勢，有效地克服單獨(dú)使用機(jī)制砂時(shí)所存在的問題[3]。然而，關(guān)于混合砂的摻配比例及其制備而成的混凝土基本性能的工程應(yīng)用研究相對較少。

本文依托國家高速公路網(wǎng)京臺線長樂松下至平潭段橋梁工程，開展采用混合砂配制C50混凝土的應(yīng)用研究，成果可為該工程和類似工程提供參考。

1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)中所用水泥為泰州楊灣海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的硅酸鹽低堿P.Ⅱ52.5R水泥；粉煤灰采用福州開發(fā)區(qū)華能實(shí)業(yè)有限公司F類Ⅰ級粉煤灰；礦粉采用福州羅強(qiáng)建材有限公司S95礦粉。粗集料，采用平潭港務(wù)海壇砂石分公司5mm～20mm碎石，其中碎石摻配比例5mm～10mm∶10mm～20mm=4∶6。試驗(yàn)采用的水為普通自來水；減水劑采用廈門宏發(fā)先科新型建材有限公司的HPCA-600緩凝型高性能減水劑，固含量30%，減水率25%。

細(xì)集料為平潭港務(wù)海壇砂石分公司生產(chǎn)的機(jī)制砂和閩江砂。

機(jī)制砂有兩種：一是直接采用砂石分公司生產(chǎn)的細(xì)度模數(shù)在3.7～3.1具有連續(xù)級配的粗砂，簡稱機(jī)制砂Ⅰ；二是采用方孔徑2.36mm的篩過篩留取篩上部分的單一級配粗砂，可有效降低泥含量和石粉含量并能提高砂的強(qiáng)度保證率，簡稱機(jī)制砂Ⅱ。

閩江砂也有兩種：一是采用閩江中砂，細(xì)度模數(shù)在3.0～2.3，簡稱河砂Ⅰ；二是采用閩江細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)在2.2～1.6，簡稱河砂Ⅱ。

機(jī)制砂和閩江河砂主要性能指標(biāo)如表1所示。從表1可知，與河砂相比，機(jī)制砂級配不連續(xù)、細(xì)度模數(shù)偏大。

1.2 配合比

依據(jù)實(shí)際工程的施工設(shè)計(jì)要求，選擇坍落度為200±20mm 的C50泵送混凝土，并參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)[4]設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)配合比，如表2所示。

表1 砂的主要性能指標(biāo)

表2 C50混凝土基準(zhǔn)配合比 kg

采用平潭港務(wù)海壇砂石分公司生產(chǎn)的機(jī)制粗砂(連續(xù)級配和單一級配)和閩江砂(中砂、細(xì)砂)，按照機(jī)制砂30%最低摻量以及10%增量進(jìn)行配比，形成不同細(xì)度模數(shù)和級配的混合砂，并確?；旌仙凹?xì)度模數(shù)不超過《建設(shè)用砂》(GB/T 14684-2011)[5]中粗砂的規(guī)定上限值3.7，然后依據(jù)表2的配合比進(jìn)行C50混凝土制備。其中機(jī)制砂與閩江砂的具體參配比例和結(jié)果如表3所示。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》(GB/T50080-2002)[6]，開展混凝土工作性能測試。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)[7]開展混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)?；旌仙爸苽浠炷良捌湫阅茉囼?yàn)如圖1所示。

表3 混合砂摻配結(jié)果

(a)混凝土制備 (b)坍落度測試 (c)擴(kuò)展度測試 (d)泌水現(xiàn)象觀察

圖1 混合砂制備混凝土及其性能試驗(yàn)照片

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混合砂配制C50混凝土性能

表4～表5列出了采用混合砂制備的混凝土的工作性能和力學(xué)性能。

由表4～表5可知：連續(xù)級配的機(jī)制砂Ⅰ與河砂Ⅰ配比而成的1-1～1-5組混合砂，機(jī)制砂Ⅰ摻量在不超過50%時(shí)，混合砂為中粗砂，且處于級配較好的Ⅱ區(qū)，混凝土和易性相對較好，抗壓強(qiáng)度較高；隨著機(jī)制砂Ⅰ摻量進(jìn)一步增加，混合砂制備的混凝土坍落度、擴(kuò)展度都逐漸減少，和易性逐漸變差，抗壓強(qiáng)度也逐漸減少。主要原因在于：機(jī)制砂Ⅰ摻量的增加，使得混合砂由中砂轉(zhuǎn)變?yōu)榇稚?，級配區(qū)域由Ⅱ區(qū)變?yōu)棰駞^(qū)，降低了混凝土的密實(shí)性，增大了內(nèi)部的摩擦阻力，影響了混凝土的和易性和強(qiáng)度。

表4 混凝土工作性能 m

MPa

連續(xù)級配的機(jī)制砂Ⅰ與較細(xì)的河砂Ⅱ配比而成的2-1～2-5組混合砂，機(jī)制砂Ⅰ摻量由30%增大至70%時(shí)，混合砂細(xì)度模數(shù)為2.31～2.91，均為中砂且其相應(yīng)級配區(qū)域基本分布于級配較好的Ⅱ區(qū)，混合砂級配連續(xù)合理，密實(shí)度高，所配制的混凝土和易性較好，抗壓強(qiáng)度較高。

機(jī)制砂Ⅰ分別與河砂Ⅰ、河砂Ⅱ配比成的混合砂結(jié)果，機(jī)制砂Ⅰ較粗，1.18mm以上較多，而河砂Ⅱ較細(xì)，級配區(qū)域?yàn)棰髤^(qū)且偏細(xì)，0.3mm以下較多，兩者相結(jié)合更易形成處于級配區(qū)域?yàn)棰騾^(qū)，細(xì)度模數(shù)適中的砂，所制備的混凝土和易性好，抗壓強(qiáng)度高，與《貴州省高速公路機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土技術(shù)規(guī)程》[8]推薦使用Ⅱ區(qū)、中砂制備高強(qiáng)混凝土結(jié)果相符。

采用單一級配的機(jī)制砂Ⅱ與河砂Ⅰ配比得到3-1～3-4組混合砂，細(xì)度模數(shù)范圍為3.01～3.85，基本均為粗砂且級配處于較差的Ⅰ區(qū)，導(dǎo)致制備的混凝土黏聚性、保水性下降，坍落度降低，和易性變差；但較粗的混合砂自身強(qiáng)度較高，且基準(zhǔn)配合比中水灰比較為合理，以致對其制備的混凝土強(qiáng)度影響不大。因此，單一級配的機(jī)制砂Ⅱ與河砂Ⅰ配比形成的混合砂制備的混凝土不符合相關(guān)要求。

采用單一級配的機(jī)制砂Ⅱ與河砂Ⅱ配比得到4-1～4-4組混合砂可知：機(jī)制砂Ⅱ摻量在30%～40%時(shí)，混合砂為中砂，且處于級配較好的Ⅱ區(qū)，混凝土和易性相對較好，抗壓強(qiáng)度較高；隨著機(jī)制砂Ⅱ摻量進(jìn)一步增加，混合砂由中砂轉(zhuǎn)變?yōu)榇稚?，級配區(qū)域由Ⅱ區(qū)變?yōu)棰駞^(qū)。主要原因在于：2.36mm以上部分較多，而2.36mm～0.6mm層較少，級配不連續(xù)，以致制備的混凝土坍落度、擴(kuò)展度逐漸減少，和易性逐漸變差，抗壓強(qiáng)度也逐漸減少。

2.2 混合砂配制C50混凝土經(jīng)濟(jì)性能

由表6可知，標(biāo)準(zhǔn)組采用單一的天然河砂Ⅰ制備C50混凝土的成本最高，采用河砂與機(jī)制砂配比形成的混合砂中，機(jī)制砂摻量越高則成本越低，節(jié)省成本最高可達(dá)34%。

表6 C50混凝土用砂成本對比表

注：標(biāo)準(zhǔn)組為采用天然河砂Ⅰ(中砂)制備C50混凝土。

從保護(hù)生態(tài)環(huán)境角度并結(jié)合2.1節(jié)中關(guān)于混合砂制備混凝土所具備的工作性能及力學(xué)性能的結(jié)論可得：連續(xù)級配機(jī)制砂Ⅰ與河砂Ⅰ(中砂)配比形成混合砂中，50%摻量的機(jī)制砂制備的混凝土和易性較好，抗壓強(qiáng)度較高，且用砂成本節(jié)省最高，達(dá)24%；連續(xù)級配機(jī)制砂Ⅰ與河砂Ⅱ(細(xì)砂)配比形成混合砂中，30%～70%摻量的機(jī)制砂制備的混凝土和易性均較好，抗壓強(qiáng)度均較高，摻量70%的機(jī)制砂用砂成本節(jié)省最高，達(dá)34%；單一級配機(jī)制砂Ⅱ與河砂Ⅱ(細(xì)砂)配比形成混合砂中，40%摻量的機(jī)制砂制備的混凝土和易性較好，抗壓強(qiáng)度較高，且用砂成本節(jié)省最高，達(dá)20%。

3 結(jié)論

(1)連續(xù)級配機(jī)制砂Ⅰ與河砂Ⅰ(中砂)配比形成混合砂中，機(jī)制砂的摻量不超過50%時(shí)級配較好，制備的混凝土和易性較好，抗壓強(qiáng)度較高，且用砂成本節(jié)省最高可達(dá)24%。連續(xù)級配機(jī)制砂Ⅰ與河砂Ⅱ(細(xì)砂)配比中，機(jī)制砂Ⅰ摻量由30%增大至70%時(shí)，混合砂細(xì)度模數(shù)為2.31～2.91均為中砂且其相應(yīng)級配分布于較好的Ⅱ區(qū)，混合砂級配連續(xù)合理，密實(shí)度高，所配制的混凝土和易性較好，抗壓強(qiáng)度較高。機(jī)制砂摻量為70%時(shí)用砂成本節(jié)省最高，達(dá)34%。

(2)機(jī)制砂級配不連續(xù)的情況下，單一級配機(jī)制砂Ⅱ與河砂Ⅱ(細(xì)砂)配比形成混合砂，機(jī)制砂摻量不超過40%時(shí)級配較好，制備的混凝土和易性較好，抗壓強(qiáng)度較高，用砂成本節(jié)省最高可達(dá)20%，較為適用；單一級配的機(jī)制砂Ⅱ與河砂Ⅰ配比形成的混合砂較粗，級配較差，制備的混凝土不符合相關(guān)要求。

(3)結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，利用較粗的機(jī)制砂按照合適比例形成混合砂替代河砂配制高性能混凝土，其抗壓強(qiáng)度較高，替代比例可達(dá)40%，用砂成本可節(jié)省20%以上，有效緩解建筑用砂矛盾，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。