阮裕和，李洪斌

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

近年來由于河砂過多開采以及環(huán)境保護的限制，造成了資源逐漸枯竭，隨著社會經濟的發(fā)展，混凝土的需求越來越多，以河砂為主要原材料的混凝土將無法滿足這種增長的需求，河砂被機制砂替代已成為發(fā)展的趨勢［1］。目前國內外對機制砂混凝土已有大量的研究，也廣泛應用于工程當中，但C60 機制砂高性能混凝土用于大型預制箱梁的實例較少。市場上機制砂質量良莠不齊，給混凝土性能的控制帶來了較大的困難。同時，本項目對混凝土的耐久性要求較高（使用壽命120 年），混凝土配合的設計也存在一定的難度。因此，必須控制好機制砂及其它原材的質量，優(yōu)化混凝土的配合比，在生產過程中控制好混凝土的拌制質量、優(yōu)化澆筑工藝，使混凝土性能滿足大型箱梁的澆筑需要，并采取材料降溫、拌制過程加冰等溫控措施，防止箱梁開裂。

1 工程概況

香港某跨灣連接路工程共有預應力混凝土預制箱梁18 榀，為不規(guī)則變截面曲線箱梁，分單室和雙室2種結構形式。梁體具有體形大、高度大、長度大的特點，最大跨度75 m，梁高3.85 m，梁頂板寬度最大24.5 m，腹板厚度0.4～0.8 m，底板厚度0.25～0.40 m，端部橫隔墻厚度2 m，為大體積混凝土，單榀最大混凝土方量1 250 m3，重量3 125 t。結構斷面如圖1所示。

圖1 箱梁斷面Fig.1 Sectional View of Box Girder

箱梁在廣東省江門市某預制廠預制，使用的混凝土具有3大特點：①采用C60機制砂高性能混凝土；②混凝土生產供應需符合香港混凝土生產供應協議（即QSPSC）標準，所有原材料及混凝土試塊檢測采用英國標準（British Standard），需要委托具有香港實驗室（HOKLAS）認可的試驗室進行檢測；③混凝土澆筑需在高溫季節(jié)施工，最高環(huán)境溫度達38℃。

2 機制砂混凝土原材料選擇

香港某跨灣橋箱梁所用材料性能參數必須符合英國標準，拌制的混凝土強度等級、耐久性等必須滿足設計及技術規(guī)格書的要求。同時，混凝土的工作性能必須滿足現場泵送及振搗的要求。

2.1 機制砂

機制砂普遍具有顆粒形狀較為尖銳、表面粗糙、級配較差、細度模數較大、石粉含量較大等特點，與河砂顆粒圓潤、級配細度模數較好的特點相對比，存在明顯的差異，因此導致了機制砂混凝土的性能與河砂也存在著較大的差異［2］。

2.1.1 機制砂石粉含量與混凝土工作性能的關系

機制砂石粉是指在生產過程中產生小于75 μm 的顆粒，不同的石粉含量會給混凝土的工作性能帶來一定的影響。石粉的細度與水泥的細度比較接近，能在一定程度上彌補由于機制砂高性能混凝土漿體不足而導致包裹性較差的缺陷，隨著石粉含量的增加，混凝土的黏聚性也相應增加，同時也容易使得混凝土的流動性不足，石粉含量過大會導致混凝土的工作性變差［3］。

通過研究（見圖2）得出：C60混凝土的坍落度在機制砂石粉含量小于5%時，有向上增大的趨勢，在機制砂石粉含量大于5%時，有向下降低的趨勢。但按照目前市場上機制砂的普遍情況，石粉含量控制在5%有一定難度，根據經驗，石粉含量限制最好在8%以下。

圖2 C60混凝土石粉含量與坍落度關系Fig.2 C60 Concrete Stone Powder Content and Slump

2.1.2 機制砂級配和細度模數與混凝土工作性能的關系

機制砂的另外2 個重要參數是級配和細度模數。粗顆粒較多、細度模數較高的機制砂，拌制的混凝土流動性較好，但保水性、黏聚性較差，容易造成混凝土泌水、離析。顆粒較細、細度模數較小的機制砂，會增加拌制需水量，對混凝土的強度造成影響。選擇級配和細度模數合適的機制砂，是保證混凝土的工作性能及質量的前提條件［4］。

表1 為2 個產源、級配、細度模數各不相同的機制砂配制的混凝土坍落度及特性情況。

由表1 可知，石場2 機制混凝土工作性能優(yōu)于石場1機制砂混凝土，在石粉含量不變的情況下，不同的機制砂級配、細度模數拌制的混凝土坍落度、黏聚性、保水性有較大的區(qū)別。

故選用石場2 生產的機制砂，各項技術指標［5］如表2所示。

2.2 水泥

按照設計要求，C60混凝土采用硅酸鹽水泥，強度等級不低于52.5，質量除了符合英國標準BSEN 197-1∶2011外，還需符合《通用硅酸鹽水泥：GB 175-2007》。本工程采用的是某品牌PⅡ52.5N水泥，水泥中的熟料鋁酸三鈣C3A含量小于8%，水泥比表面積在300～360 m2/kg之間，各項技術指標如表3所示。

表1 混凝土工作性能情況及特征Tab.1 Performance and Characteristics of Concrete

表2 機制砂技術指標Tab.2 Technical Index of Machine Sand

表3 水泥技術指標Tab.3 Cement Technical Indicators

2.3 摻合料

為提高混凝土的致密性、耐久性及其它工作性能，通過等量替換，摻入硅粉和粉煤灰來替換等量的水泥，降低混凝土水化熱，改善混凝土內部毛細孔隙大小和毛細孔徑結構，充分發(fā)揮摻合料的活性、填充、密實等效應。

本工程選用東莞市某電廠F 類Ⅰ級粉煤灰，各項技術指標如表4所示。

表4 粉煤灰技術指標Tab.4 Fly Ash Technical Index

硅灰選用廬江縣某建材公司生產的S95 硅灰，各項技術指標如表5所示。

表5 硅粉技術指標Tab.5 Silicon Powder Technical Index

2.4 碎石

碎石的顆粒級配、顆粒形狀、洛杉磯磨耗值對混凝土的工作性能和強度有較明顯的影響。本工程碎石產自經過香港認證的新會石場2，母材為無堿活性花崗巖，級配為5～10 mm、10～20 mm 2 種單級配。使用時按3∶7 的比例配成5～20 mm 的連續(xù)級配，各項技術指標如表6所示。

表6 碎石技術指標Tab.6 Crushed Stone Technical Indicators

3 機制砂混凝土配合比設計

該香港工程箱梁設計采用C60強度等級的機制砂混凝土，根據香港QSPSC要求，C60混凝土配置強度不低于75 MPa［6］?；炷涟韬衔锾涠却笥?75 mm，擴展度（450±50）mm。混凝土使用壽命120 年。為了保證箱梁混凝土的耐久性，在設計要求的基礎上，增加混凝土耐久性控制指標，混凝土56 d氯離子滲透系數不大于1.2×10-12m2/s。

基于香港現行土工工程通用規(guī)范中對硅粉、粉煤灰摻量的基本要求，以及該項目技術參數中對混凝土的力學性能和耐久性的要求，確定硅粉摻量分別取5%和8%，粉煤灰摻量取25%。因此，混凝土設置3種配合比，膠凝材料總量分別為：470 kg/m3、490 kg/m3、510 kg/m3，膠材組成分別采用：水泥+5%硅灰+25%粉煤灰、水泥+8%硅灰+25%粉煤灰，其配合比如表7所示。

試驗結果如表8所示。

由表 8 可知，編號 4、5、6、7、8混凝土符合配合比要求。其中編號4 富余強度較小，編號6 富余強度較大，編號5、7、8強度相差不大，但從混凝土開裂敏感性的角度出發(fā)，應適當降低混凝土膠凝材料總量（主要是降低硅粉摻量，硅粉摻量取5%），以滿足混凝土各項設計性能，因此采取編號7 配合比作為目標配合比。

表7 不同膠材種類及用量試驗配合比Tab.7 Test Mix Ratio of Different Types of Rubber Materials and Dosage

表8 性能測試項目Tab.8 Performance Test Items

4 混凝土生產

箱梁混凝土生產需符合香港QSPSC 要求，同時攪拌站也必須通過香港品質保證局（HKQAA）認證，建立符合ISO09000 和QSPSC 的質量體系。攪拌站的秤量系統(tǒng)、混凝土的出機溫度、坍落度等指標必須符合硬性要求。因此，在混凝土生產前，需做好機械設備的檢查，考慮好各種應急措施。生產時采取各種溫控措施，保證混凝土出倉溫度滿足設計要求。

4.1 混凝土攪拌均勻性試驗

混凝土的均勻性是影響其工作性能的主要因素，因此攪拌是混凝土生產過程中的關鍵工序。若攪拌時間過短，會造成各種原材料攪拌不均勻，或者有加冰要求的混凝土冰片不能完全融化。若攪拌時間過長，會造成混凝土離晰等降低和易性的問題。為了驗證攪拌時間是否合適，需進行混凝土攪拌均勻性試驗。通過檢測坍落度、含氣量、粗骨料、砂漿密度的相對誤差，考察混凝土拌合物是否均勻，確定合理的攪拌時間及各項指標相對誤差控制范圍。根據均勻性試驗結果，混凝土最佳攪拌時間為120 s。

4.2 混凝土材料計量及投料順序

根據香港QSPSC 要求，原材料的計量誤差為水泥、粉煤灰、骨料、水＜2%，硅粉、外加劑＜5%。

加冰混凝土要注意冰片要有足夠的融合時間，生產投料順序為：骨料?冰?粉料?水?外加劑。

4.3 混凝土溫度控制

4.3.1 溫控措施

根據香港QSPSC的要求［7］，混凝土的入模溫度應小于30℃，而夏天現場大氣溫度高達38℃，為保證混凝土入模溫度滿足要求，需要采取以下降溫措施：⑴石料倉增加霧化器降溫，砂石料溫度小于30℃；⑵水泥、粉煤灰、硅粉等膠材提前進場，溫度＜55℃；⑶粉料罐噴淋降溫；⑷制備冷卻水，水溫控制低于6℃；⑸混凝土摻冰片攪拌。

一般情況下，在大氣溫度低于25℃時，采取措施⑴～⑷可以控制混凝土出倉溫度小于30℃，在大氣溫度高于25℃時，需要采取加冰措施。

4.3.2 加冰施工措施

對混凝土出倉溫度有強制要求的情況下，攪拌站一般必須配置制冰系統(tǒng)［8］。制冰系統(tǒng)有螺旋桿輸送方式和風送輸送方式2種。傳統(tǒng)的螺旋桿輸送系統(tǒng)對場地的布置要求較高，風送輸送系統(tǒng)則較為靈活，對場地的要求不高。因此，根據本工程場地的具體情況，選擇了風送制冰系統(tǒng)（見圖3）。風送制冰系統(tǒng)主要由制冰機、儲冰庫、風送系統(tǒng)3部分組成。制冰機制作的冰片厚度約3 mm，一般需提前將冰片制好存放在儲冰庫中。使用時，由儲冰庫中的刮刀將冰片刮到緩沖倉中，經過秤量系統(tǒng)秤量后，由風送系統(tǒng)將冰片輸送到攪拌站中。

圖3 攪拌站制冰系統(tǒng)Fig.3 Mixing Station Ice Making System

根據《建筑施工計算手冊（第二版）》［9］，混凝土摻冰屑拌和溫度計算公式為：

式中：T0為混凝土的出倉溫度（℃）；Ts、Tg為機制砂、碎石的溫度（℃）；Tc、Tw為水泥、水的溫度（℃）；mc為水泥的重量（kg）；ms、mg為扣除含水量的機制砂及碎石的重量（kg）；mw為水的重量（kg）；ws、wg為機制砂、碎石中水的重量（kg）；P為加冰率，為用水量的百分比（%）。

根據配合比，公式可簡化為：

由上式可知：⑴各種原材料的溫度對混凝土出倉溫度的影響程度，最大的是碎石和砂的溫度，其次是水的溫度，最后是水泥的溫度；⑵每增加10%的用冰量，混凝土的出倉溫度可降低1.5℃左右。

5 箱梁混凝土澆筑

由于現場攪拌站的生產能力有限，梁的長度較長，總體混凝土方量大，無法采用傳統(tǒng)的全面分層工藝進行澆筑，而采用縱向分段，斜面分層的工藝進行澆筑?；炷翝仓剂享樞驈囊欢讼蛄硪欢送七M，連續(xù)澆筑完成。過程中關鍵要避免混凝土冷縫的出現，新舊澆筑混凝土間隔時間控制在2 h以內。

為使混凝土保持濕潤，減少后期混凝土裂縫的產生，箱梁頂面、箱內底板采用高分子養(yǎng)護膜養(yǎng)護，箱梁側面安裝自動噴淋系統(tǒng)，淋水養(yǎng)護。

6 混凝土溫度監(jiān)測

為驗證溫度應力對混凝土的影響，在箱梁橫隔板處（厚度2 m）埋設溫度傳感器進行實時溫度監(jiān)測，溫度傳感器布置如圖4所示［10］。

箱梁混凝土各中心溫度的發(fā)展趨勢如圖5所示。

圖4 溫度傳感器布置Fig.4 Temperature Sensor Layout

圖5 箱梁混凝土各中心溫度隨時間變化曲線圖Fig.5 Temperature Change Curve of Concrete Center of Box Girder over Time

從表9 得知，混凝土最大中心溫度出現在澆筑完成后36 h 的測點3，為67.5℃，對應外表測點4 溫度49.3℃，最大內外溫差為18.2℃；混凝土最大外表溫度出現在澆筑完成后20 h 的測點8，為52.6℃，對應環(huán)境溫度30℃，最大溫差22.6℃，滿足規(guī)范要求。

表9 最高溫測點數值統(tǒng)計Tab.9 Highest Temperature Measurement Point Statistics

7 結語

⑴ 在采取了上述一系列的措施，混凝土性能滿足施工的要求，箱梁未出現開裂情況，C60機制砂高性能混凝土在大型預制箱梁中取得了成功的應用。

⑵ 目前國內機制砂生產工藝較為簡單，生產出來的機制砂質量良莠不齊。有的設備生產的砂級配不達標，有的石粉含量過大。要選擇符合要求的優(yōu)質機制砂，必須考察生產廠家的綜合能力，如制砂設備性能是否達標、生產工藝流程是否正常、質量控制措施是否完善等因素。

⑶ 機制砂的顆粒形狀、顆粒級配、細度模數、石粉含量對混凝土的工作性能、強度、耐久性等影響較為明顯。配置高強度高性能混凝土機制砂級配應選擇級配區(qū)2 區(qū)級配，細度模數應控制在2.5～3.0 之間為宜，石粉含量控制在5%左右比較合適，最好不超過8%。

⑷ 南方地區(qū)夏季溫度一般高達38℃以上，混凝土采取加冰措施的溫控效果比較顯著。

⑸ 由于機制砂與河砂各種特性差異較大，拌制的混凝土性能也有一定的區(qū)別，一般機制砂混凝土在施工早期表面失水更快，更容易出現收縮裂縫，尤其要注意加強二次抹面和及時覆蓋養(yǎng)護。