谷 飛

（中鐵二十三局第六工程有限公司，重慶 400000）

1 前言

1.1 研究背景與目的

在國家環(huán)保政策指導(dǎo)下，常用的高強(qiáng)度巖石如花崗巖和玄武巖經(jīng)處理成為混凝土骨料的主要來源。然而，原料地理位置和輸送成本直接影響集料生產(chǎn)成本及其環(huán)保效益。在云南楚雄州公路工程項(xiàng)目前期的材料調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厣皫r雖力學(xué)性能較弱，但考慮成本和環(huán)境因素，研究其作為混凝土骨料的潛力是必要的。通過科學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證砂巖骨料的性能，旨在提供經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的混凝土方案，同時(shí)可能推動(dòng)骨料領(lǐng)域的材料應(yīng)用創(chuàng)新。

1.2 砂巖的基本特性

砂巖是一種沉積巖，絕大部分砂巖是由石英或長石組成的。其母巖保水抗壓強(qiáng)度在最低為30MPa，最高為75MPa 表觀密度在2600m3～2650m3，在規(guī)范要求的最低限度。吸水率范圍在1.8%到2.9%。

2 砂巖作為粗骨料的可行性分析

在公路工程建設(shè)項(xiàng)目中，混凝土作為關(guān)鍵材料需求量達(dá)到數(shù)百萬方。面對(duì)如此大的需求，砂巖的開采與應(yīng)用成為重點(diǎn)。然而砂巖礦床的巖層復(fù)合性導(dǎo)致了石英砂巖等高抗壓強(qiáng)度巖石與長石砂巖、紅砂巖等低抗壓強(qiáng)度巖石的共存，這對(duì)于骨料的選擇和加工提出了挑戰(zhàn)。

本研究首先通過化學(xué)分析，確認(rèn)砂巖的有害成分（包括有機(jī)物含量、硫化物及硫酸鹽含量、氯離子含量以及堿骨料反應(yīng)）均滿足行業(yè)規(guī)范要求，從而保證了巖石利用的基本條件得以滿足。

為確保供應(yīng)的骨料質(zhì)量能夠符合工程的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施了管理與技術(shù)層面的精細(xì)化控制策略。首先，對(duì)礦床進(jìn)行詳盡的巖層劃分，明確標(biāo)記出不符合抗壓強(qiáng)度要求的區(qū)域。其次，在砂巖加工之前對(duì)原石進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)選，利用震動(dòng)篩分技術(shù)去除大量泥土和弱顆粒，以優(yōu)化碎石粒徑分布并實(shí)現(xiàn)5mm～10mm、10mm～16mm 和16mm～25mm 這三個(gè)粒徑等級(jí)的高效摻配[1]。采用反擊式破碎機(jī)和整形設(shè)備，提升骨料的粒型和潔凈度。最后，實(shí)行了以結(jié)果為導(dǎo)向的質(zhì)量管理策略，即通過對(duì)混凝土實(shí)際性能的持續(xù)監(jiān)測(cè)來指導(dǎo)骨料生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，以此確?；炷凉橇系母哔|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。成品粗集料試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)為：碎石壓碎值指標(biāo)19%，吸水率1.7%，堅(jiān)固性7%，針片狀顆粒含量4.8%，表觀密度2610kg/m3，孔隙率40.8%。

3 砂巖作為細(xì)骨料的可行性分析

在分析砂巖作為細(xì)骨料的適用性時(shí)，需首先關(guān)注粗骨料生產(chǎn)過程中的碎石顆粒尺寸分布和產(chǎn)量。根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)踐，碎石的尺寸配比通常遵循5mm～10mm、10mm～16mm 和16mm～25mm 顆粒的生產(chǎn)比例為5：4：3。在這一配比下，5mm～10mm 尺寸的顆粒產(chǎn)量較高，但在實(shí)際使用中，其消耗量卻相對(duì)較低，這就導(dǎo)致了資源的潛在過剩。破碎過程中產(chǎn)生的余料的檢測(cè)表明，其堅(jiān)固系數(shù)僅為15%，這一數(shù)據(jù)指出了軟弱顆粒的顯著存在。石粉含量高達(dá)21%，即使借助集塵設(shè)備控制其含量，也面臨著控制難度大、成本經(jīng)濟(jì)性低下的雙重挑戰(zhàn)。盡管如此，這些余料可以作為路基材料得到重新利用。

鑒于上述情況，將5mm～10mm 粒級(jí)的碎石作為細(xì)骨料生產(chǎn)的原材料，顯得更為合理與高效。不僅可以更好地平衡各尺寸顆粒的供需關(guān)系，而且用已成型的顆粒加工石粉含量相對(duì)更低。過多的石粉會(huì)導(dǎo)致混凝土的粘性增大，從而影響其可泵性、和易性。此外，使用已成型的顆粒作為原材料可以在一定程度上預(yù)測(cè)和控制最終產(chǎn)品的粒度分布，這對(duì)于確保混凝土的整體性能至關(guān)重要。

成品細(xì)集料試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)為：最大壓碎值指標(biāo)24%,吸水率1.9%，細(xì)度模數(shù)2.9，石粉含量8.9%，表觀密度2640kg/m3，孔隙率42.1%。

4 混凝土的配合比設(shè)計(jì)

4.1 原材料的選擇與基本設(shè)計(jì)方案

在混凝配比設(shè)計(jì)的初始階段以C35 泵送混凝土作為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)試。鑒于骨料的表觀密度偏低，采用體積法進(jìn)行配比計(jì)算以確保更高的準(zhǔn)確性。所選材料包括華潤品牌的P.O42.5 型號(hào)水泥，來自昆明發(fā)電廠的F類-Ⅱ級(jí)粉煤灰，以及山西恒泰偉業(yè)生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑。其中水膠比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定取值為0.40，膠材用量根據(jù)公式B=180+b*fcu,k（b=6.1～6.5）b 取值6.3得出大致膠材用量為400.5 ≈400。通過參10%，15%，20%，25%粉煤灰的膠砂試驗(yàn)確定粉煤灰摻量在20%時(shí)擴(kuò)展度及強(qiáng)度最優(yōu)。減水劑為了更低的敏感性以及整套混凝土配合比的適應(yīng)性選擇摻量為1.3%。

在砂率的選擇上，如果砂率過高，由于細(xì)集料總表面積增大，在一定用水量的條件下，砂漿會(huì)變得過黏，從而使混凝土的流動(dòng)性變差。相反，若砂率過小，漿體就少，也減弱了膠結(jié)漿體的潤滑作用，同樣會(huì)使混凝土的流動(dòng)性變差，造成不易泵送，甚至堵泵等現(xiàn)象。

眾所周知，骨料作為混凝土的骨架，大一點(diǎn)的石子填充整體空間，小一點(diǎn)的石子填充大石子之間空隙，細(xì)集料填充粗集料的空隙。所以，粗骨料和細(xì)骨料應(yīng)作為一個(gè)整體看待。砂0.075mm 以下的顆粒并不能單純地用于填充作用，0.075mm 以下顆粒更多的是參與漿體體系。通過對(duì)粗細(xì)集料的篩分結(jié)果排除0.3mm 以下顆粒在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行最佳曲線模擬，得出最佳曲線附近的碎石摻配比例以及砂率，碎石5mm～10mm、10mm～16mm 和16mm～25mm摻配比例3：4：3，砂率為41%。砂率通過規(guī)范給出的公式驗(yàn)算為42%，先取用41%作為試配砂率。碎石5mm～10mm、10mm～16mm 和16mm～25mm 摻配比例通過空隙率試驗(yàn)得出，分別為2：5：3 與3：4：3，空隙率相差無幾，考慮到在石子質(zhì)量相同時(shí)，細(xì)石顆粒越多石子的總表面積越大，砂漿量一定的情況下，包裹石子所需的漿體量就多，最終確認(rèn)碎石5mm～10mm、10mm～16mm 和16mm～25mm 摻配比例為2：5：3。最終C35 泵送混凝土初步設(shè)計(jì)配比為水泥320KG，粉煤灰80KG，細(xì)集料753KG，粗集料1071KG，水160KG，減水劑5.20KG。

4.2 配合比的優(yōu)化與調(diào)整

初次試拌后的混凝土坍落度在3 小時(shí)內(nèi)持續(xù)下降，流動(dòng)性和包裹性不佳、工作性差。為了改善混凝土的這些性能指標(biāo)，對(duì)細(xì)集料中的石粉含量進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)整和測(cè)試，涵蓋了6%、9%、12%和15%這四個(gè)不同的摻量水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示出，在6%的石粉含量時(shí)，混凝土展現(xiàn)出最佳的流動(dòng)性；而當(dāng)石粉含量提高至15%時(shí)，則展現(xiàn)出最優(yōu)的包裹性。綜合考慮流動(dòng)性和包裹性兩方面的需求，最終確定將石粉的摻量定為11%。盡管如此，混凝土的流動(dòng)性仍未能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

在對(duì)混凝土工作性問題進(jìn)行更深入的分析后發(fā)現(xiàn)，因骨料吸水率較高，在拌合過程中吸收了過量的自由水分及減水劑，從而導(dǎo)致了水泥漿體的粘稠性增強(qiáng)，對(duì)混凝土的流動(dòng)性構(gòu)成了不利影響。由于至此尚未進(jìn)行混凝土強(qiáng)度的驗(yàn)證測(cè)試，調(diào)整水膠比并不是一個(gè)恰當(dāng)?shù)倪x擇。因此，作為一種替代方案，決定著手調(diào)整減水劑的配方，特別是其引氣成分，以期改善混凝土的流動(dòng)性。由于粘稠漿體中容易形成的有害氣體難以排出，采用了“先消除后引入”的策略，即先通過添加消泡劑來消除有害氣泡，然后通過添加十二烷基苯磺酸鈉來引入有利的微細(xì)氣泡，這一策略能夠增加漿體的體積率，從而改善混凝土的工作性。此外，還引入了德固賽品牌的液體引氣劑，這種劑型能夠形成稍大的有益氣泡，有助于提高混凝土的整體流動(dòng)性。經(jīng)過調(diào)整混凝土的含氣量精確控制在3.0%，顯著提升了混凝土的工作性[2]。

此時(shí)，已經(jīng)完成了混凝土配合比的初步設(shè)計(jì)，但為了進(jìn)一步優(yōu)化配合比，同時(shí)出于成本控制的考慮，接下來的工作側(cè)重于在不犧牲混凝土強(qiáng)度和工作性能的前提下降低水泥用量。為此進(jìn)行一系列試驗(yàn)來確定水膠比與強(qiáng)度之間的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，在滿足混凝土包裹性和流動(dòng)性的前提下，漿體體積越小可以使干縮裂縫發(fā)生的可能性降低，增加混凝土的體積穩(wěn)定性。以此選用正交試驗(yàn)法來設(shè)計(jì)混凝土配合比。選擇水泥用量，水膠比和砂率三因素，每個(gè)因素3 個(gè)水平，以28 天抗壓強(qiáng)度以及坍落度為考察指標(biāo)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)方案如表1 所示。

表1

通過極差與方差分析，對(duì)于混凝土強(qiáng)度水膠比的權(quán)重影響為6.1，大于水泥權(quán)重的1.267，砂率的權(quán)重很小。而方差分析更為明顯，說明砂率在此范圍內(nèi)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響有限。而對(duì)于坍落度的影響權(quán)重則為水泥大于水膠比大于砂率，說明砂率在此范圍內(nèi)對(duì)坍落度的影響較小。

理論和實(shí)踐均表明，水膠比與混凝土強(qiáng)度之間存在反比關(guān)系，而在一定范圍內(nèi)這一關(guān)系可以被近似看作是線性的。因此使用線性回歸得出關(guān)系式y(tǒng)=-0.0065x+0.7014。利用關(guān)系式根據(jù)各標(biāo)號(hào)混凝土配置強(qiáng)度可以得出各標(biāo)號(hào)的水膠比。利用公式B=180+b*fcu,k（b=6.1～6.5）可以計(jì)算出各標(biāo)號(hào)大致膠材用量，有了水膠比和水泥用量即可以算出各標(biāo)號(hào)混凝土配合比，然后再進(jìn)行調(diào)整[3]。后續(xù)計(jì)算及調(diào)整不再贅述。

5 集料控制工藝的優(yōu)化

在混凝土試拌過程中發(fā)現(xiàn)流動(dòng)性低下和坍落度持續(xù)下降這兩個(gè)問題。經(jīng)過試驗(yàn)分析，歸納出流動(dòng)性不足的根本原因在于集料的過高吸水性，其中尤其是小于0.075mm 細(xì)集料對(duì)于漿體影響尤為明顯。此外，坍落度的降低可歸因于骨料在拌合過程中及其后持續(xù)吸收水分和減水劑，使得混凝土的工作性難以穩(wěn)定控制[4]。

為了解決這些問題，轉(zhuǎn)而優(yōu)化集料的生產(chǎn)工藝。通過調(diào)節(jié)制砂設(shè)備的集塵系統(tǒng)，可以精確控制細(xì)集料中小于0.075mm 顆粒的百分比。根據(jù)前面的試驗(yàn)結(jié)果，確定將石粉含量維持在9%～11%的范圍內(nèi)是最佳的，這個(gè)比例能夠兼顧流動(dòng)性和坍落度的要求。

針對(duì)坍落度快速降低的問題，采取了在骨料生產(chǎn)階段進(jìn)行預(yù)濕處理，并在實(shí)際混合生產(chǎn)時(shí)，從配比中扣除相應(yīng)的含水率。這一措施帶來了多方面的優(yōu)勢(shì)：首先，它減少了生產(chǎn)過程中的揚(yáng)塵，有效避免了環(huán)境污染問題；其次，它提高了細(xì)集料的可控性，在生產(chǎn)完成下料時(shí)減少了由于顆粒級(jí)配不均而產(chǎn)生的問題。經(jīng)過一系列的試驗(yàn)和調(diào)整，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粗集料含水率控制在3%時(shí)，細(xì)集料的含水率控制在6%，不僅能解決骨料在拌合過程中持續(xù)吸附水和減水劑的問題，還可以防止因含水率不均而引起的混凝土強(qiáng)度偏差。

6 砂巖混凝土的應(yīng)用局限與挑戰(zhàn)

在后續(xù)的試驗(yàn)中，砂巖作為骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗?jié)B性可以滿足規(guī)范要求，彈性模量相較其他巖石的混凝土偏低，這使其在一定程度上適用于非結(jié)構(gòu)性或低負(fù)荷的應(yīng)用場(chǎng)景。

混凝土中使用砂巖作為骨料，一方面可以降低材料成本，另一方面有助于廢物利用和環(huán)境保護(hù)。然而，砂巖混凝土也存在一定的局限性。砂巖的孔隙性較高，可能導(dǎo)致強(qiáng)度不均勻和耐久性問題，特別是在長期水力侵蝕和凍融循環(huán)的環(huán)境中。此外，砂巖中不同成分的不均勻分布，也可能影響混凝土的整體性能。因本項(xiàng)目位置條件受限，對(duì)混凝土耐久性等長期性能未能進(jìn)行測(cè)試。其對(duì)混凝土拌和物的工作性及硬化后混凝土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響仍需深入研究和優(yōu)化[5]。

7 未來砂巖混凝土工藝的改進(jìn)方向

砂巖混凝土未來的改進(jìn)方向主要包括以下幾個(gè)方面：首先，通過改良砂巖的預(yù)處理過程，例如采用適當(dāng)?shù)拿芊鈩┗蚋男詣﹣頊p少其孔隙率和吸水率，從而提高混凝土的整體性能。其次，開發(fā)新型的混合設(shè)計(jì)，利用砂巖的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)引入其他材料如高性能纖維等，以彌補(bǔ)其不足，增強(qiáng)混凝土的結(jié)構(gòu)性能。最后，利用現(xiàn)代化測(cè)試和模擬技術(shù)，對(duì)砂巖混凝土的長期性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，以指導(dǎo)實(shí)際的應(yīng)用。通過這些改進(jìn)措施，砂巖混凝土有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。