大橋工程使用機(jī)制砂混凝土的建議

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摘要：隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施和基本建設(shè)的大力開(kāi)展，混凝土需求量巨大，河砂資源愈發(fā)緊缺。采用機(jī)制砂（人工砂）配制混凝土將是我國(guó)建筑行業(yè)的大勢(shì)所趨。機(jī)制砂混凝土與傳統(tǒng)的河砂混凝土雖然配合比設(shè)計(jì)的方法和水化反應(yīng)硬化的機(jī)理大致相同，但由于目前我國(guó)生產(chǎn)的機(jī)制砂規(guī)格不一、機(jī)制砂產(chǎn)品的級(jí)配不太合理、表面非常粗糙、石粉含量普遍偏高、導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土的需水量較大，對(duì)混凝土的工作性（和易性）影響較大。雖然我國(guó)使用機(jī)制砂配制混凝土已有50多年的歷史，但橋梁工程采用機(jī)制砂混凝土施工的工程技術(shù)不成熟，本文主要針對(duì)大橋工程在使用機(jī)制砂混凝土時(shí)，可能存在的問(wèn)題進(jìn)行深入探討，為今后機(jī)制砂在橋梁高性能混凝土應(yīng)用上提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂；機(jī)制砂混凝土；石粉；單方用水量；砂率

1機(jī)制砂的特性

國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，機(jī)制砂（人工砂）是指經(jīng)除土處理、機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，并不是風(fēng)化、軟質(zhì)的顆粒。橋梁工程用機(jī)制砂目前基本為中粗砂，細(xì)度模數(shù)一般在2.3~3.6之間，顆粒級(jí)配不規(guī)則，含有一定量的石粉，棱角尖銳，且表面十分粗糙。然而，由于各地機(jī)制砂工藝方法、加工設(shè)備及生產(chǎn)礦源等方面存在較大區(qū)別，各地生產(chǎn)出的機(jī)制砂在級(jí)配和顆粒等方面均存在一定差別。但差別雖然存在，只要機(jī)制砂的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，即可采用相關(guān)技術(shù)措施應(yīng)用到實(shí)際的橋梁工程施工中。由于機(jī)制砂與天然砂之間除了明顯的形狀差異外，其母巖的特性也不同，材料力學(xué)性能的不同也會(huì)導(dǎo)致混凝土的和易性、力學(xué)性能及耐久性的不盡相同。天然砂的特點(diǎn)是級(jí)配和細(xì)度模數(shù)比較一致，而機(jī)制砂不同，其特點(diǎn)決定了它被實(shí)際應(yīng)用到混凝土施工中時(shí)即使其他外界條件一樣，采用天然砂和機(jī)制砂配置出來(lái)的混凝土呈現(xiàn)出不同的性能特點(diǎn)，機(jī)制砂混凝土特點(diǎn)表現(xiàn)為：坍落度減小，28d混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度提高；若保持坍落度不變，則混凝土用水量增加。若在配置機(jī)制砂混凝土?xí)r采用天然砂的方法進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其用水量會(huì)更大，和易性稍差，易產(chǎn)生泌水，尤其是在一些低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中，由于這類混凝土所需水泥用量較少，較大的用水量會(huì)使其強(qiáng)度大打折扣。湖北省恩來(lái)恩黔高速公路工程項(xiàng)目為湖北省鄂西北地區(qū)高速公路建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目，由于所處的地理環(huán)境情況屬鄂西北山地，有“山原”之稱。鄂西北山區(qū)特殊的地理?xiàng)l件帶來(lái)交通運(yùn)輸上的非常不便；因?yàn)楹恿飨∩?，造成了無(wú)天然形成的河砂開(kāi)采資源，若采用從外地引進(jìn)砂源運(yùn)輸?shù)焦さ?，產(chǎn)地最近的是湖南省岳陽(yáng)洞庭湖，每方砂運(yùn)至工地價(jià)格要達(dá)到400元左右，施工材料成本較大。中鐵大橋局集團(tuán)承建的湖北恩來(lái)恩黔高速公路工程項(xiàng)目第六合同段，包括中小型橋梁9座及特大橋5座，已經(jīng)部分采用機(jī)制砂混凝土進(jìn)行了施工，樁基、承臺(tái)、C55鋼管混凝土都有比較多的應(yīng)用，取得了良好的效果。

2機(jī)制砂配制混凝土

2.1石粉的利與弊

按照傳統(tǒng)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，由于石粉和泥兩種成分都是指砂中粒徑小于0.075mm的顆粒，在亞甲藍(lán)試驗(yàn)方法未被采納之前，未發(fā)現(xiàn)有效的判定泥和石粉的方法。過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，石粉的特質(zhì)一直不被廣泛了解，甚至部分工程師們認(rèn)為它是對(duì)混凝土有害無(wú)益的，應(yīng)設(shè)法將其清除。很多施工單位想盡方法除去石粉，包括風(fēng)選、水洗等方法，導(dǎo)致施工單位吃力不討好。通過(guò)我們實(shí)驗(yàn)室的研究及中鐵大橋局應(yīng)用情況表明，機(jī)制砂含有適量的石粉對(duì)混凝土性能提高是十分有利的，石粉是惰性摻合料，適當(dāng)?shù)氖凼够炷琳吵矶仍龃?，改善了混凝土的粘聚性，保水性提高，石粉取代部分粉煤灰和礦粉，可改善細(xì)粉料的顆粒級(jí)配，提高漿體之間的機(jī)械咬合力。石粉在機(jī)制砂混凝土中的作用機(jī)理可以總結(jié)為以下四個(gè)方面：①級(jí)配調(diào)節(jié)作用：對(duì)于機(jī)制砂混凝土中細(xì)集料級(jí)配比較差的情況，合理的石粉含量可以適當(dāng)調(diào)節(jié)細(xì)集料的級(jí)配，改善混凝土的工作性。對(duì)于低、中強(qiáng)度等級(jí)的機(jī)制砂混凝土來(lái)說(shuō)，能夠彌補(bǔ)膠凝材料用量少、拌合物工作性差的缺陷。②參與水泥水化反應(yīng)：試驗(yàn)研究表明，石粉作為核晶對(duì)水泥的水化反應(yīng)有促進(jìn)作用和勻化作用，若石粉中含有碳酸鈣成分，由于其能夠在水泥水化早期有效抑制鈣礬石在后期向單硫型硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)化，從而具有良好的提高水泥石強(qiáng)度的效果。此外，若石粉中含有活性碳酸鈣，通過(guò)和C3A的水化反應(yīng)，還能夠有效增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。③填充混凝土毛細(xì)孔：石粉可充當(dāng)混凝土的細(xì)填料，將其毛細(xì)孔空隙進(jìn)行有效填充，如此不僅可提高混凝土的密實(shí)度，還可提高混凝土的抗凍性和抗?jié)B性。④使混凝土保水增稠：一定量的石粉存在，在新鮮混凝土中的吸收拌合用水，混凝土的單方用水量會(huì)因此增加，隨之增強(qiáng)的還有石粉含量，如此可增大混凝土的粘聚度，及降低離析風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率。另外，混凝土在硬化的過(guò)程中石粉會(huì)將之前吸收的水分釋放出來(lái)，便于水泥的后期水化反應(yīng)，客觀上降低了混凝土的收縮和徐變的絕對(duì)值大小。中鐵大橋局試驗(yàn)人員經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：機(jī)制砂的石粉含量并非越大越好。機(jī)制砂中石粉的主要化學(xué)成份是碳酸鈣，盡管參與水泥水化反應(yīng)會(huì)取得一些良好的效果，但能夠參與到水泥水化反應(yīng)中的數(shù)量是十分有限的，多余的石粉會(huì)游離在外圍，有礙于集料和水泥石的粘結(jié)，限制混凝土強(qiáng)度提升。機(jī)制砂石粉含量超過(guò)一定限值后，干縮反而明顯加大，也降低了混凝土的長(zhǎng)期性能和耐久性能。我們認(rèn)為，C50以下混凝土機(jī)制砂石粉含量控制在10~18%是合適的，C50及以上混凝土石粉含量限制在6~10%，是比較合理的?，F(xiàn)行有效的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)制砂石粉含量的要求不一。各個(gè)國(guó)家出于自身實(shí)際情況考慮，對(duì)石粉含量的限值規(guī)定并不一致，甚至相差甚遠(yuǎn)。例如英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS882：1992根據(jù)混凝土使用性能來(lái)規(guī)定其細(xì)集料中的石粉含量，劃分重載混凝土路面和普通混凝土來(lái)規(guī)定的；美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTMC33－2007是根據(jù)混凝土耐磨性來(lái)限制細(xì)集料中石粉最大含量的等。各個(gè)國(guó)家的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，我國(guó)多數(shù)地區(qū)對(duì)石粉含量的規(guī)定主要參考的是混凝土強(qiáng)度等級(jí)。對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，比如混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50及以上，石粉含量可以采用JGJ52-2006_《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，控制機(jī)制砂石粉含量5～10%比較合理。但對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的細(xì)集料石粉含量要求小于10%過(guò)于苛刻，若無(wú)法滿足實(shí)際工程使用需求，可參考國(guó)外對(duì)于石粉含量的要求，適當(dāng)提高含量。

2.2機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)的思考

2.2.1混凝土用水量

天然河砂由于長(zhǎng)期自然流動(dòng)形成的特點(diǎn)，顆粒表面非常光滑，顆粒之間相互的內(nèi)摩擦力很小，在混凝土中顆粒間絞合力小，對(duì)拌合用水的需求量與機(jī)制砂比相對(duì)較小。而機(jī)制砂的采用機(jī)械破碎表面比較粗糙，有棱有角，在混凝土中顆粒間絞合力大，聚羧酸外加劑的過(guò)量使用會(huì)造成混凝土粘性急劇增加，從而導(dǎo)致混凝土泵送困難。

2.2.2砂率

我國(guó)山區(qū)目前生產(chǎn)出的混凝土機(jī)制砂一般要求為中粗砂，機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)在2.3~3.6，一些機(jī)制砂生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品1.18mm以上的顆粒較多，占到了50~65%，砂中0.315mm的組分在7~14%波動(dòng)，級(jí)配不太合理，從篩分情況看，兩頭多，中間顆粒比較少。我國(guó)多數(shù)工程實(shí)踐表明，采用中砂適宜泵送，砂中通過(guò)0.315mm篩孔的數(shù)量對(duì)混凝土可泵性影響很大。日本泵送混凝土規(guī)程規(guī)定為10~30%，美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)推薦的細(xì)骨料級(jí)配曲線建議為20%；國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐亦證明，此值過(guò)低輸送管易堵塞，四川、湖北、山東、廣東等地泵送混凝土施工經(jīng)驗(yàn)表明，此值都在15%以上。相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中要求，細(xì)骨料應(yīng)符合《普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》規(guī)定，通過(guò)0.315mm篩孔的砂不應(yīng)少于15%，有良好的連續(xù)粒級(jí)。砂場(chǎng)生產(chǎn)出的機(jī)制砂顆粒0.315mm級(jí)的數(shù)量略顯不足，同時(shí)顆粒直徑在1.18mm以上的偏多，導(dǎo)致泵送的機(jī)制砂混凝土配比較困難，我們采用的方法是適當(dāng)提高砂率，增加0.315mm級(jí)的顆粒的數(shù)量，滿足機(jī)制砂混凝土的可泵性和工作性。不要認(rèn)為砂率越大越好施工，過(guò)大的砂率雖然對(duì)混凝土的工作性有利，卻大大增加了混凝土的早期收縮，體積穩(wěn)定性差及出現(xiàn)塑性開(kāi)裂等風(fēng)險(xiǎn)，在夏季溫度較高的時(shí)候施工會(huì)表現(xiàn)得格外明顯。進(jìn)行機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，注意選擇適宜的砂率，我們通過(guò)大量的試驗(yàn)表明，通常配制機(jī)制砂泵送混凝土要比河砂混凝土高出5~10%的砂率。

2.2.3水泥及減水劑的影響

水泥作為橋梁混凝土中最重要的膠凝材料，對(duì)機(jī)制砂混凝土性能起至關(guān)重要的作用，硅酸鹽水泥的主要礦物組分是硅酸三鈣，硅酸二鈣、鐵鋁酸四鈣、鋁酸三鈣。硅酸二鈣水化速度慢，對(duì)混凝土后期強(qiáng)度影響大，水化硅酸三鈣，鋁酸三鈣，鐵鋁酸鈣水化速度快，主要影響混凝土產(chǎn)品的早期強(qiáng)度。鈣礬石是由水泥水化產(chǎn)物C—A—H（水化鋁酸鈣）和硫酸根離子結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)晶物水化硫鋁酸鈣（簡(jiǎn)稱AFt）。鈣礬石產(chǎn)物可以提高機(jī)制砂混凝土的早期強(qiáng)度，同時(shí)可以對(duì)機(jī)制砂混凝土的收縮進(jìn)行補(bǔ)償，而延遲鈣礬石卻引起混凝土的膨脹開(kāi)裂破壞，這就是所謂鈣礬石作用的矛盾的二重性。硅酸鹽水泥的凝結(jié)、硬化，以及主要水化產(chǎn)物的特性，水化硅酸鈣（C—S—H）凝膠約占水化產(chǎn)物總量的68%，提供水泥石硬化的主要粘結(jié)力和硬化體的主要強(qiáng)度，并對(duì)水泥石的耐久性起主要作用。聚羧酸系減水劑是我國(guó)市政工程、交通工程和鐵路工程中最常用的一種混凝土超塑化劑（減水劑），減水劑與水泥及其他各種砂石料的適應(yīng)性至關(guān)重要。配合比設(shè)計(jì)非常重要，通過(guò)試驗(yàn)，配制出具有一定的經(jīng)濟(jì)性、工作性好、強(qiáng)度高、長(zhǎng)期性能及耐久性良好的機(jī)制砂混凝土。

3結(jié)語(yǔ)

①對(duì)于鄂西北山區(qū)高速公路混凝土施工，運(yùn)輸條件限制的情況下，采用優(yōu)質(zhì)的機(jī)制砂及高性能減水劑可以配制出工作性能好，流動(dòng)性較大的高強(qiáng)度混凝土，對(duì)于節(jié)約施工成本達(dá)到了十分顯著的成效。②隨著我們國(guó)家各地的基本建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施工程的大力開(kāi)展，現(xiàn)有的河砂資源越來(lái)越緊缺，今后一段時(shí)間機(jī)制砂混凝土應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多，也是大勢(shì)所趨。機(jī)制砂目前存在著規(guī)格不一、機(jī)制砂的兩頭級(jí)配量大、中間級(jí)配量少、表面非常粗糙、當(dāng)前石粉含量偏高、導(dǎo)致需水量較大等缺陷，在機(jī)制砂混凝土配制技術(shù)上和河砂存在差異。在機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，混凝土實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員不可生搬硬套河砂混凝土配合比設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，對(duì)機(jī)制砂石粉的作用、混凝土用水量、砂率等幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，機(jī)制砂混凝土的各種原材料必須通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)合格，混凝土配合比設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)際使用的原材料進(jìn)行驗(yàn)證后，方可在橋梁工程中使用。③中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司同中鐵大橋局五公司在湖北恩來(lái)恩黔高速公路項(xiàng)目龍橋鋼管混凝土C55，采用機(jī)制砂和天然砂相結(jié)合，成功配制了大流動(dòng)度和高強(qiáng)度混凝土并應(yīng)用成功，經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。④在橋梁工程建設(shè)中，砂作為結(jié)構(gòu)混凝土重要的組成材料，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響著混凝土的性能和橋梁工程質(zhì)量。隨著我國(guó)天然河砂的日益匱乏和國(guó)家環(huán)保局對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)嚴(yán)格要求，有些地區(qū)已對(duì)河砂過(guò)度開(kāi)采下達(dá)了禁令，因此，采用機(jī)制砂代替河砂將是今后混凝土發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于目前生產(chǎn)的機(jī)制砂在粒形、級(jí)配、石粉含量等特性指標(biāo)上達(dá)不到天然河砂的內(nèi)在品質(zhì)，在機(jī)制砂混凝土設(shè)計(jì)配制技術(shù)上又與河砂有所不同，用機(jī)制砂設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)不能機(jī)械地套用河砂混凝土的設(shè)計(jì)配合比的配制方法，必須針對(duì)機(jī)制砂固有特性指標(biāo)，分析可能對(duì)混凝土性能帶來(lái)的影響，采取相應(yīng)的措施配制出符合橋梁工程的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、工作性穩(wěn)定，流動(dòng)性好、長(zhǎng)期耐久性和經(jīng)濟(jì)合理的高性能混凝土，推動(dòng)機(jī)制砂混凝土全面地發(fā)展應(yīng)用。

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作者：潘立泉 丁兆民 單位：中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 武漢橋梁建筑工程監(jiān)理有限公司