鄭宇欣, 揭繼興

(廣東省高速公路有限公司, 廣州 510000; 2.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務所有限公司, 廣州 510641)

在中國公路工程建設(shè)中,通常選用天然河砂作為細骨料,但隨著中國路網(wǎng)系統(tǒng)在分階段規(guī)劃下不斷完善,消耗了體量龐大的天然河砂資源。由于天然資源的不可再生性,加之公眾對環(huán)保的要求不斷提升,逐步出臺了多條河流限采的規(guī)定,造成市面上優(yōu)質(zhì)河砂資源不斷減少,產(chǎn)生供應質(zhì)量波動、原材料價格上漲等問題。因此,在一些地區(qū)不得不采用機制砂、山砂等人工砂作為細骨料。

自20世紀60年代始中國即開展了對機制砂和機制砂混凝土的研究[1]。隨著研究的深入,多個地區(qū)根據(jù)當?shù)刭Y源特點,先后制定了相應地方標準和應用規(guī)程。2011年先后頒布了《人工砂混凝土應用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 241—2011)和《建筑用砂》(GB/T 14684—2011),2022年更新發(fā)布了《建筑用砂》(GB/T 14684—2022),這些標準和規(guī)程的制定均對機制砂及機制砂混凝土的實踐產(chǎn)生極大的推動效果,但目前仍然存在機制砂防腐蝕混凝土制備技術(shù)匱乏,難以滿足腐蝕環(huán)境下橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性要求;機制砂防腐蝕混凝土質(zhì)量控制薄弱,缺少針對機制砂防腐蝕混凝土性能特點而制定的技術(shù)規(guī)程與管控文件等問題,從而使工程技術(shù)人員無從著手開展工作[2]。

潮州至惠州高速公路(以下簡稱潮惠高速)線路橫跨五市十縣,沿途地質(zhì)條件復雜,氣候條件惡劣,部分區(qū)域存在河砂資源緊缺和價格過高的情況,加之周邊地區(qū)同期規(guī)劃公路建設(shè)項目較多,加劇了項目地區(qū)供砂緊張,預計施工期間難以獲得充足、穩(wěn)定的河砂供應。針對潮惠高速項目沿線地區(qū)的河砂、巖石資源進行實地勘察及取樣檢驗,在此基礎(chǔ)上進行砂、石資源儲量和價格等技術(shù)經(jīng)濟性分析,確定了在該項目使用花崗巖碎石生產(chǎn)機制砂的可行性。鑒于上述情況以及目前缺少機制砂防腐蝕混凝土技術(shù)的現(xiàn)狀,有必要開展機制砂防腐蝕混凝土耐久性設(shè)計及其應用技術(shù)研究。

因此,針對潮惠高速項目優(yōu)質(zhì)河砂資源匱乏的現(xiàn)狀,擬采用花崗巖碎石制作機制砂代替制備防腐蝕混凝土,鑒于目前機制砂防腐蝕混凝土生產(chǎn)應用的部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)缺乏技術(shù)指導,開展了系列專項技術(shù)研究,建立機制砂混凝土防腐蝕性能指標體系,以期為類似項目的應用提供經(jīng)驗參考。

1 機制砂生產(chǎn)工藝

機制砂的生產(chǎn)流程主要包括料場規(guī)劃、開采、除雜、破碎、篩分、除塵等步驟,對成品機制砂的性能和質(zhì)量至關(guān)重要。結(jié)合潮惠高速公路總體機制砂使用規(guī)劃量,確定了機制砂料場規(guī)劃方案;分析機制砂生產(chǎn)加工關(guān)鍵環(huán)節(jié)的常用工藝設(shè)備,提出推薦設(shè)備組合及參數(shù)設(shè)置。

1.1 料源選取與料場規(guī)劃

根據(jù)施工需求確定機制砂所需用量進行砂石料源勘測。分別以預估用量的2倍確定礦山詳勘最低儲量;以預估用量的1.5倍確定最低可采儲量;以預估用量的1.25～1.5倍作為規(guī)劃開采量規(guī)劃料場,并綜合考慮地形、地質(zhì)、運輸?shù)纫蛩?最終確定料場規(guī)劃方案位置。開采場區(qū)須進行地下水位探測,當水位過高時采取相應措施降水。開采前徹底清除料源覆蓋層,以確保成品毛料質(zhì)量與級配穩(wěn)定。

1.2 機制砂生產(chǎn)加工工藝

機制砂的生產(chǎn)加工需經(jīng)過破碎、篩分、除塵等步驟,加工產(chǎn)品的質(zhì)量主要受到石料本身性能以及生產(chǎn)加工工藝的影響[3]。以潮惠高速TJ16標為例,加工廠采用干法工藝生產(chǎn),加工廠生產(chǎn)采用三階段破碎和三篩工藝,最終得可以生產(chǎn)3～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～31.5 mm碎石和0～4.75 mm機制砂,生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 機制砂生產(chǎn)流程

常規(guī)生產(chǎn)線制備機制砂多使用三級破碎工藝,常用的集料加工設(shè)備包括顎式破碎機、反擊式破碎機、圓錐式破碎機、錘式破碎機、立軸沖擊式破碎機[4]。在粗破時宜選擇破碎效率較高、進料粒度大的顎式破碎機;中破時宜選擇效率高的、具有一定整形作用和合適出料粒度的反擊式破碎機,不造成加工時等料、溢料等情況;細碎時宜選擇處理能大、出料顆粒合理、具備整形效果的立軸沖擊式破碎機或圓錐式破碎機。合理配置各類破碎機,才能提高生產(chǎn)效率,防止等料、溢料現(xiàn)象產(chǎn)生,減少機械的零部件更換。

以潮惠高速TJ16標為例,初破采用PE鄂式破碎機(圖2),其前端設(shè)置有振動給料機(圖3),其作用是將粒徑630 mm以下的石料加工粗破至粒徑215 mm以下。

圖2 顎式破碎機

二破前段采用圓錐式破碎機,共安裝2臺(圖4)。通過振動給料機(圖5)把顎破破碎的石料送到第一臺S155B中型S彈簧圓錐破碎機進行處理,第一道篩分機上的超限料則進入第二臺S155D細型S彈簧圓錐破碎機進行二次破碎。

圖4 圓錐式破碎機

圖5 喂料皮帶

二破后階段采用反擊式破碎機,共安裝2臺反擊破為一組,圓錐破碎機的料將直接進入反擊破進行破碎。

三破采用的是立軸式?jīng)_擊破碎機,用于生產(chǎn)機制砂。進料粒徑為4.75～9.5 mm粗骨料,設(shè)計處理能力為240～380 t/h(圖6)。

圖6 立軸式?jīng)_擊破碎機

篩分工序通常采用振動篩,振動篩面積與篩孔大小需合理選擇,以在生產(chǎn)效率與機制砂細度模數(shù)及石粉含量中取較為適宜的平衡;篩面傾斜設(shè)置角度對機制砂生產(chǎn)影響較大,適宜的篩面傾角不但可以提高礦料的過篩效果,還能提高生產(chǎn)效率,傾斜角度設(shè)計處于20～24°范圍為宜;若篩體的振動幅度太高則易使破碎料在篩網(wǎng)上過度晃動,無法快速完成過篩;若振動幅度太低則破碎料易卡住篩孔,從而導致溢出,無法實現(xiàn)有效篩分,通常將振動幅度設(shè)定為3～4.5 mm為宜,振動頻率設(shè)定為17～25 Hz為宜[5]。

以潮惠高速TJ16標為例,一篩設(shè)計有2臺篩分機(圖7),均采用二層套篩,篩孔尺寸分別為 4.75 mm×4.75 mm和31.5 mm×31.5 mm。直接篩分出0～4.75 mm、4.75～31.5 mm、大于 31.5 mm 三種規(guī)格的粒料,4.75 mm以下的直接堆放到石粉堆,大于31.5 mm的超限骨料將回到圓錐式破碎機重新破碎。二篩(圖8)采用兩層套篩,篩孔尺寸分別為9.5 mm×9.5 mm和19.5 mm×19.5 mm,直接篩分出9.5～19.5 mm和19.5～31.5 mm兩種規(guī)格的粗骨料,4.75～9.5 mm直接進入制砂機。三篩(圖9)配二層篩網(wǎng),采用篩孔尺寸為3.0 mm×3.0 mm和4.75 mm×4.75 mm。經(jīng)過篩分機三篩分后,直接篩分出3.0～4.75 mm和4.75～9.5 mm兩種規(guī)格的粗骨料,3 mm以下直接進入選粉機。

圖7 一篩

圖8 二篩

圖9 三篩

除了粉工序是調(diào)整產(chǎn)品含粉量的重中之重,為使砂里含粉量符合設(shè)計需求,且降低對混凝土整體級配擾動,推薦選擇干法制砂分級設(shè)備、輪式洗沙機設(shè)備開展該工序。

以潮惠高速TJ16標為例,用干法生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生較多灰塵,整個生產(chǎn)線設(shè)置有一臺脈沖袋式除塵器,設(shè)置在破碎的第三階段(圖10)。生產(chǎn)配備SEPAX高效渦流選粉機一臺,用于機制砂級配調(diào)整。進料0～3 mm(圖11)。

圖10 制砂機處除塵器

圖11 選粉機

2 機制砂的性能要求

隨著行業(yè)對機制砂應用技術(shù)的大力發(fā)展,依次頒布了《建筑用砂》(GB/T 14684)、《普通混凝土用砂石質(zhì)量及檢驗方法標準》(JGJ 52)、《人工砂混凝土應用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 241)等系列標準,不同地區(qū)分析本區(qū)域巖石特性,頒布了許多地方機制砂應用標準或規(guī)程,有力地推動機制砂在建設(shè)領(lǐng)域的應用推廣。廣東地區(qū)由于河砂資源天然儲備相對豐富,對機制砂的應用探索起步較晚。參考各項國家標準及地方標準,結(jié)合項目應用具體要求與地方資源特征,潮惠高速提出了對機制砂產(chǎn)品的具體性能要求。

2.1 機制砂的石粉和泥塊含量

機制砂在制備工序中必定會伴生部分細小顆粒,通常將其中直徑小于75 μm或公稱粒徑不足 80 μm、成分與所使用母巖一致的微粒判定為石粉[6]。由圖12可知,圓形度隨微粉含量的增大而減小,即細骨料中微粉部分的圓形度最小,其含量的增加必然導致細骨料顆粒體系圓形降低。由圖13可知,圖中A、B、C、D、E為不同石粉含量/含泥量細骨料的流動時間(流出孔徑為16 mm),其流動時間隨微粉含量的增加而延長。由于微粉圓形度小,其含量的增加導致顆粒間咬合力增大,使得細骨料通過流出孔的速率減緩。我國諸多國家標準與地方標準對于機制砂中石粉爭議焦點主要在于石粉含量限值,強度等級越高,混凝土用機制砂中石粉含量限值越低,云南省《人工砂技術(shù)標準及應用規(guī)程》更是分別規(guī)定了 150 μm 和 75 μm 粒徑粉末的含量,《人工砂應用技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 01-65—2002)規(guī)定經(jīng)亞甲藍試驗合格的人工砂石粉含量,對強度等級C30及以下的混凝土在試驗的基礎(chǔ)上可按不大于10%使用,在砂漿中使用時可按不大于12%使用,參考各國家標準及地方標準,潮惠高速對機制砂的石粉和泥塊含量做出如下技術(shù)要求(表11)。

表1 機制砂的石粉和泥塊含量

A、B、C、D、E代表五個不同單位制備的機制砂試驗結(jié)果曲線

A、B、C、D、E代表五個不同單位制備的機制砂試驗結(jié)果曲線

2.2 機制砂壓碎值與母巖強度

機制砂強度有兩種表征方式,一母巖強度,二是壓碎指標值。母巖強度與質(zhì)量直接影響骨料的質(zhì)量,進而最終影響成品混凝土在力學與耐久方面的性能,尤其是耐磨能力[7]。壓碎值可表征機制砂抵抗其被壓碎的性能,可以側(cè)面反映母巖強度,壓碎值對中低等級混凝土的強度關(guān)聯(lián)較弱,對高等級混凝土抗凍能力影響微弱,但會大幅削弱混凝土的耐磨能力[8]。參考《人工砂混凝土應用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 241—2011)和云南省《人工砂技術(shù)標準及應用規(guī)程》,對制砂母巖的強度做出如下技術(shù)要求(表2)。

表2 機制砂母巖的強度

以《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2022)為代表的規(guī)范根據(jù)砂的等級來區(qū)分別規(guī)定壓碎指標。上海市《機制砂在混凝土中應用技術(shù)規(guī)程》(DG/T J08-506—2002)要求生產(chǎn)機制砂的母巖強度需滿足《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2022)的要求?！顿F州省高速公路機制砂高強混凝土技術(shù)規(guī)程》(DBJ 52-55—2008)中也要求母巖強度需不低于生產(chǎn)集料的礦料,所生產(chǎn)砂的壓碎值需不高于30%。參考以上標準,潮惠高速對機制砂壓碎指標做出如下技術(shù)要求(表3)。

表3 機制砂的壓碎指標

2.3 機制砂顆粒參數(shù)

標準機制砂顆粒的參數(shù)應包括細度模數(shù)、顆粒級配和顆粒形貌[9]?，F(xiàn)多用細度模數(shù)與顆粒級配來表征,而顆粒形貌表征尚且處于研究階段。

1)機制砂規(guī)格宜使用中、粗砂,細度模數(shù)宜處于2.3～3.2,應選擇細度模數(shù)處于2.6～2.9的機制砂來生產(chǎn)泵送機制砂混凝土。相同混凝土配合比中所使用砂的細度模數(shù)波動幅度需低于0.2[10]。

2)《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2022)相較于2011版本對機制砂的顆粒級配做出了更嚴格的要求,參考該表標準給出潮惠高速機制砂級配范圍要求(表4)。

表4 機制砂的顆粒級配范圍

2.4 其他性能指標

機制砂的其他的關(guān)鍵性能指標還包括密度、空隙率、耐久性、有害物質(zhì)含量等。機制砂的耐久性與堿骨料反應、堅固性、吸水率和抗凍能力等性能相關(guān)[11];吸水率與機制砂的石粉占比相關(guān),當石粉占比升高,吸水率增大;堅固性用來表征骨料防止其被環(huán)境因素腐蝕的性能。當機制砂混凝土用于路面或橋面混凝土時,需額外考慮磨光性能。機制砂中有害成分占比包含云母、輕物質(zhì)、有機物含量、氯離子和泥塊等物質(zhì)的占比。參考各類國家與地方標準,對上述機制砂性能提出指標如表5所示。

表5 機制砂的其他性能指標

3 機制砂防腐蝕混凝土配合比與性能指標

3.1 配合比設(shè)計

機制砂防腐蝕混凝土的配合比在參考相關(guān)標準基礎(chǔ)上進行,根據(jù)機制砂材料性能特征及高速公路應用場景需求,對不同強度等級混凝土配合比提出設(shè)計要求如表6所示。

表6 機制砂防腐蝕混凝土配合比技術(shù)設(shè)計

3.2 拌合物性能指標

根據(jù)目前機制砂在高速公路領(lǐng)域具體應用項目經(jīng)驗及相關(guān)技術(shù)規(guī)范,用于不同部位的機制砂混凝土,由于施工工藝與環(huán)境的區(qū)別,其性能側(cè)重有所差異。用于灌注樁時,混凝土施工工藝為自密實,無法振搗且滿于水/土中,因此要求混凝土有較高流動性,且能自動密實;用于墩身、承臺等結(jié)構(gòu)時,混凝土結(jié)構(gòu)體積大,更需控制水化升溫,抑制結(jié)構(gòu)開裂;用于梁體時,梁體中鋼筋布設(shè)密集,且存在預應力部件,要求所使用的混凝土流動和黏聚能力較好,以減少收縮徐變[12]。因此,對于應用于不同結(jié)構(gòu)的機制砂防腐蝕混凝土拌合物,提出性能要求如表7所示。

表7 用于不同部位的機制砂混凝土拌合物性能指標

3.3 防腐蝕性能指標

潮惠高速項目地區(qū)處于沿海地區(qū),對于其各部分混凝土結(jié)構(gòu)而言,需著重考慮其防腐蝕性能。由于機制砂代替河砂作為參與混凝土組分時,其含有的部分石粉具有類似于粉煤灰與礦渣粉的性質(zhì),可有效加強水泥混凝土的密實程度,并因此增強抗腐蝕因子滲透的能力[13];結(jié)合相關(guān)混凝土質(zhì)量控制國家標準和公路工程行業(yè)標準,對不同環(huán)境作用下不同結(jié)構(gòu)機制砂防腐蝕混凝土防腐蝕性能提出不同的要求和檢測方法(表8)。

表8 不同部位機制砂防腐蝕混凝土耐久性要求和檢測方法

4 工程應用驗證

為驗證機制砂防腐蝕混凝土配合比和拌和物性能指標的實際應用可行性和科學性,在潮惠高速公路項目進行了預制梁C50機制砂防腐蝕混凝土配合比設(shè)計和性能試驗以及結(jié)構(gòu)試驗。為充分利用工程副產(chǎn)物,進一步降低施工成本和實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保,現(xiàn)場采用隧道花崗巖洞渣生產(chǎn)機制砂,嘗試代替河砂來制備防腐蝕混凝土。

4.1 試驗室配合比設(shè)計

預制梁使用C50機制砂防腐蝕混凝土進行澆筑,采用隧道洞渣所生產(chǎn)花崗巖機制砂,根據(jù)上文提出的配合比設(shè)計范圍,最終確定試驗梁配合比,花崗巖機制砂性能與混凝土配合比分別如表9和表10所示。

表9 花崗巖機制砂性能

表10 試驗梁配合比

測試按照如上配合比所制拌合物性能,坍落度為200,擴展度在450左右,比值約0.44,含氣量為2.6%,而當混凝土坍落度與擴展比處于0.425±0.025范圍內(nèi)時施工性能較好[14],因此可認定按該配方所制得拌合物性能良好。

根據(jù)試驗梁配合比,測試了各齡期混凝土相關(guān)力學及耐久表現(xiàn),主要包括彈性模量、抗折性能、抗壓性能、氯離子擴散系數(shù)、電通量,匯總結(jié)果如表11所示。

表11 混凝土性能試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果,機制砂防腐蝕混凝土彈性模量和抗折性能試驗結(jié)果均證實制備的混凝土力學性能優(yōu)良,符合預制梁制備需求。各齡期抗壓性能發(fā)育明顯,3天抗壓性能便可達52.9 MPa,56天時已高達87.4 MPa,其性能滿足設(shè)計要求。氯離子擴散系數(shù)與電通量試驗均說明其抗?jié)B性能與耐久性能優(yōu)越。

對于山區(qū)來說，橋梁建設(shè)必須要考慮的問題是排水問題，尤其是在多雨的南方山區(qū)。山區(qū)高速公路的橋梁一般都采用鋼筋混凝土澆筑,如果橋梁排水不暢就會導致積水，積水長期浸泡橋梁就會導致橋梁滲水，從而影響橋梁的生命周期，因此，山區(qū)橋梁施工一定要考慮排水性。在山區(qū)高速公路橋梁施工時，在橋梁路面增加防水層，在兩側(cè)增加排水通道，防治雨水對橋梁腐蝕，從而影響高速公路橋梁的使用狀況。

4.2 實體結(jié)構(gòu)測試

在制備試驗梁時,采用上述配合比下的機制砂防腐蝕混凝土以及純水泥河砂混凝土,在相同的施工及養(yǎng)護環(huán)境下分別澆筑的預制梁實體結(jié)構(gòu)形成對比實驗,在28天齡期時比對測試實體結(jié)構(gòu)性能,以對混凝土性能進行分析。采用的河砂混凝土配合比匯總表12。

表12 純水泥河砂混凝土預制梁配合比

對機制砂防腐蝕混凝土現(xiàn)場取樣,對混凝土試件開展性能測試,通過無損檢測技術(shù)分別對28天齡期的機制砂防腐蝕混凝土、純水泥河砂混凝土所澆筑預制梁的表面回彈強度、抗氯離子滲透性、表面吸水率以及表面電阻率等指標進行了檢測。

4.2.1 表面回彈強度

分別對兩種混凝土所澆筑梁體表面強度進行測試,各取50個測點部位,均勻遍布梁體表面。測試結(jié)果顯示,機制砂防腐蝕混凝土梁試件表面回彈強度最小值為57.4,強度高于60 MPa的測點比率為84%;純水泥河砂混凝土試件表面回彈強度最小值為56.1,強度高于60 MPa的測點比率為56%,強度低于機制砂防腐蝕混凝土梁。

4.2.2 抗氯離子滲透性能

使用PERMIT離子遷移法評估兩種梁體抗氯離子滲透混凝土能力強弱,分別取兩點位進行測量,測定機制砂防腐蝕混凝土梁結(jié)果僅6.28×10-12m2/s,遠低于純水泥河砂混凝土預制梁的10.17×10-12m2/s,參照能力等級評定,機制砂防腐蝕混凝土相較于純水泥河砂混凝土要高出1級,抗腐蝕因子表現(xiàn)更優(yōu)(圖14)。

圖14 梁體抗氯離子滲透性能測試數(shù)據(jù)對比

4.2.3 表面吸水率

對兩種混凝土梁體的頂板、側(cè)面上部、側(cè)面下部分別于相同位置取4個測點進行表面吸水率測試,分析吸水性能,檢測結(jié)果如圖15所示。由圖15可知,機制砂防腐蝕混凝土梁各區(qū)位均值均低于純水泥河砂混凝土,其梁體表面抗水滲性能更優(yōu)。

4.2.4 表面電阻率

使用表面電阻測試儀開展梁體表面電阻率試驗,分別對兩種梁體試件表面電阻率進行試驗,各取測試點位18個,均勻分布與梁體一側(cè)表面,測試結(jié)果如圖16所示。

圖16 梁體各點位表面電阻率對比

根據(jù)結(jié)果分析,純水泥河砂混凝土梁體表面電阻率在3～11 kΩ·cm波動,平均為 6.9 kΩ·cm,而機制砂防腐蝕混凝土梁體表面電阻率在8～14 kΩ·cm波動,平均達到 12.9 kΩ·cm,幾乎兩倍于純水泥河砂混凝土梁體,其保護梁體內(nèi)部鋼筋防止銹蝕的性能較好。

5 結(jié)論

分析了機制砂生產(chǎn)加工關(guān)鍵環(huán)節(jié)的常用工藝設(shè)備,提出推薦設(shè)備組合為顎式破碎機前破+圓錐式破碎機、反擊式破碎機中破+立軸式?jīng)_擊破碎機后破+振動篩+干法制砂分級設(shè)備、輪式洗沙機。振動篩參數(shù)設(shè)置宜為傾斜角度20°～24°、振幅 3～4.5 mm、振頻17～25 Hz。

針對機制砂防腐蝕混凝土的應用場景,對生產(chǎn)指標提出了控制范圍,要求重點控制含泥/粉含量、顆粒參數(shù)、壓碎值和母巖強度等性能指標。

對不同應用場景特性下混凝土的配合比設(shè)計、性能測試、工藝要點進行了分析設(shè)計,分別提出了建議的配合比設(shè)計范圍,并對拌合物性能、防腐蝕性能提出指標要求及檢測方法。

對比機制砂防腐蝕混凝土和純水泥河砂混凝土試驗梁性能,兩種試驗梁強度均達使用需求,機制砂防腐蝕試驗梁強度表現(xiàn)更優(yōu)、抗氯離子滲透性能高62%、表面吸水率低6.3%、表面電阻率高87%,所建立機制砂混凝土防腐蝕性能指標體系具備工程實踐可行性。