大橋工程使用機制砂混凝土的建議
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摘要：隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施和基本建設(shè)的大力開展，混凝土需求量巨大，河砂資源愈發(fā)緊缺。采用機制砂（人工砂）配制混凝土將是我國建筑行業(yè)的大勢所趨。機制砂混凝土與傳統(tǒng)的河砂混凝土雖然配合比設(shè)計的方法和水化反應硬化的機理大致相同，但由于目前我國生產(chǎn)的機制砂規(guī)格不一、機制砂產(chǎn)品的級配不太合理、表面非常粗糙、石粉含量普遍偏高、導致機制砂混凝土的需水量較大，對混凝土的工作性（和易性）影響較大。雖然我國使用機制砂配制混凝土已有50多年的歷史，但橋梁工程采用機制砂混凝土施工的工程技術(shù)不成熟，本文主要針對大橋工程在使用機制砂混凝土時，可能存在的問題進行深入探討，為今后機制砂在橋梁高性能混凝土應用上提供參考。
關(guān)鍵詞：機制砂；機制砂混凝土；石粉；單方用水量；砂率
1機制砂的特性
國家相關(guān)技術(shù)標準中規(guī)定，機制砂（人工砂）是指經(jīng)除土處理、機械破碎、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，并不是風化、軟質(zhì)的顆粒。橋梁工程用機制砂目前基本為中粗砂，細度模數(shù)一般在2.3~3.6之間，顆粒級配不規(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)出的機制砂在級配和顆粒等方面均存在一定差別。但差別雖然存在，只要機制砂的各項技術(shù)指標均符合相關(guān)標準，即可采用相關(guān)技術(shù)措施應用到實際的橋梁工程施工中。由于機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，材料力學性能的不同也會導致混凝土的和易性、力學性能及耐久性的不盡相同。天然砂的特點是級配和細度模數(shù)比較一致，而機制砂不同，其特點決定了它被實際應用到混凝土施工中時即使其他外界條件一樣，采用天然砂和機制砂配置出來的混凝土呈現(xiàn)出不同的性能特點，機制砂混凝土特點表現(xiàn)為：坍落度減小，28d混凝土標準強度提高；若保持坍落度不變，則混凝土用水量增加。若在配置機制砂混凝土時采用天然砂的方法進行配比設(shè)計，會發(fā)現(xiàn)其用水量會更大，和易性稍差，易產(chǎn)生泌水，尤其是在一些低強度等級混凝土中，由于這類混凝土所需水泥用量較少，較大的用水量會使其強度大打折扣。湖北省恩來恩黔高速公路工程項目為湖北省鄂西北地區(qū)高速公路建設(shè)的重點項目，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)特殊的地理條件帶來交通運輸上的非常不便；因為河流稀少，造成了無天然形成的河砂開采資源，若采用從外地引進砂源運輸?shù)焦さ?，產(chǎn)地最近的是湖南省岳陽洞庭湖，每方砂運至工地價格要達到400元左右，施工材料成本較大。中鐵大橋局集團承建的湖北恩來恩黔高速公路工程項目第六合同段，包括中小型橋梁9座及特大橋5座，已經(jīng)部分采用機制砂混凝土進行了施工，樁基、承臺、C55鋼管混凝土都有比較多的應用，取得了良好的效果。
2機制砂配制混凝土
2.1石粉的利與弊
按照傳統(tǒng)試驗方法標準，由于石粉和泥兩種成分都是指砂中粒徑小于0.075mm的顆粒，在亞甲藍試驗方法未被采納之前，未發(fā)現(xiàn)有效的判定泥和石粉的方法。過去很長一段時間，石粉的特質(zhì)一直不被廣泛了解，甚至部分工程師們認為它是對混凝土有害無益的，應設(shè)法將其清除。很多施工單位想盡方法除去石粉，包括風選、水洗等方法，導致施工單位吃力不討好。通過我們實驗室的研究及中鐵大橋局應用情況表明，機制砂含有適量的石粉對混凝土性能提高是十分有利的，石粉是惰性摻合料，適當?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，可改善細粉料的顆粒級配，提高漿體之間的機械咬合力。石粉在機制砂混凝土中的作用機理可以總結(jié)為以下四個方面：①級配調(diào)節(jié)作用：對于機制砂混凝土中細集料級配比較差的情況，合理的石粉含量可以適當調(diào)節(jié)細集料的級配，改善混凝土的工作性。對于低、中強度等級的機制砂混凝土來說，能夠彌補膠凝材料用量少、拌合物工作性差的缺陷。②參與水泥水化反應：試驗研究表明，石粉作為核晶對水泥的水化反應有促進作用和勻化作用，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度的效果。此外，若石粉中含有活性碳酸鈣，通過和C3A的水化反應，還能夠有效增強混凝土的抗壓強度。③填充混凝土毛細孔：石粉可充當混凝土的細填料，將其毛細孔空隙進行有效填充，如此不僅可提高混凝土的密實度，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因此增加，隨之增強的還有石粉含量，如此可增大混凝土的粘聚度，及降低離析風險發(fā)生的概率。另外，混凝土在硬化的過程中石粉會將之前吸收的水分釋放出來，便于水泥的后期水化反應，客觀上降低了混凝土的收縮和徐變的絕對值大小。中鐵大橋局試驗人員經(jīng)過大量的試驗發(fā)現(xiàn)：機制砂的石粉含量并非越大越好。機制砂中石粉的主要化學成份是碳酸鈣，盡管參與水泥水化反應會取得一些良好的效果，但能夠參與到水泥水化反應中的數(shù)量是十分有限的，多余的石粉會游離在外圍，有礙于集料和水泥石的粘結(jié)，限制混凝土強度提升。機制砂石粉含量超過一定限值后，干縮反而明顯加大，也降低了混凝土的長期性能和耐久性能。我們認為，C50以下混凝土機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)范標準對機制砂石粉含量的要求不一。各個國家出于自身實際情況考慮，對石粉含量的限值規(guī)定并不一致，甚至相差甚遠。例如英國標準BS882：1992根據(jù)混凝土使用性能來規(guī)定其細集料中的石粉含量，劃分重載混凝土路面和普通混凝土來規(guī)定的；美國標準ASTMC33－2007是根據(jù)混凝土耐磨性來限制細集料中石粉最大含量的等。各個國家的規(guī)范標準并不統(tǒng)一，我國多數(shù)地區(qū)對石粉含量的規(guī)定主要參考的是混凝土強度等級。對于高強度等級混凝土，比如混凝土強度等級C50及以上，石粉含量可以采用JGJ52-2006_《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》，控制機制砂石粉含量5～10%比較合理。但對于低強度等級混凝土的細集料石粉含量要求小于10%過于苛刻，若無法滿足實際工程使用需求，可參考國外對于石粉含量的要求，適當提高含量。
2.2機制砂混凝土配合比設(shè)計的思考
2.2.1混凝土用水量
天然河砂由于長期自然流動形成的特點，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，對拌合用水的需求量與機制砂比相對較小。而機制砂的采用機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，聚羧酸外加劑的過量使用會造成混凝土粘性急劇增加，從而導致混凝土泵送困難。
2.2.2砂率
我國山區(qū)目前生產(chǎn)出的混凝土機制砂一般要求為中粗砂，機制砂的細度模數(shù)在2.3~3.6，一些機制砂生產(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，級配不太合理，從篩分情況看，兩頭多，中間顆粒比較少。我國多數(shù)工程實踐表明，采用中砂適宜泵送，砂中通過0.315mm篩孔的數(shù)量對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%，美國混凝土協(xié)會推薦的細骨料級配曲線建議為20%；國內(nèi)工程實踐亦證明，此值過低輸送管易堵塞，四川、湖北、山東、廣東等地泵送混凝土施工經(jīng)驗表明，此值都在15%以上。相關(guān)規(guī)范標準中要求，細骨料應符合《普通混凝土用砂質(zhì)量標準及檢驗方法》規(guī)定，通過0.315mm篩孔的砂不應少于15%，有良好的連續(xù)粒級。砂場生產(chǎn)出的機制砂顆粒0.315mm級的數(shù)量略顯不足，同時顆粒直徑在1.18mm以上的偏多，導致泵送的機制砂混凝土配比較困難，我們采用的方法是適當提高砂率，增加0.315mm級的顆粒的數(shù)量，滿足機制砂混凝土的可泵性和工作性。不要認為砂率越大越好施工，過大的砂率雖然對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)塑性開裂等風險，在夏季溫度較高的時候施工會表現(xiàn)得格外明顯。進行機制砂混凝土配合比設(shè)計時，注意選擇適宜的砂率，我們通過大量的試驗表明，通常配制機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，對機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，對混凝土后期強度影響大，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（簡稱AFt）。鈣礬石產(chǎn)物可以提高機制砂混凝土的早期強度，同時可以對機制砂混凝土的收縮進行補償，而延遲鈣礬石卻引起混凝土的膨脹開裂破壞，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度，并對水泥石的耐久性起主要作用。聚羧酸系減水劑是我國市政工程、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性至關(guān)重要。配合比設(shè)計非常重要，通過試驗，配制出具有一定的經(jīng)濟性、工作性好、強度高、長期性能及耐久性良好的機制砂混凝土。
3結(jié)語
①對于鄂西北山區(qū)高速公路混凝土施工，運輸條件限制的情況下，采用優(yōu)質(zhì)的機制砂及高性能減水劑可以配制出工作性能好，流動性較大的高強度混凝土，對于節(jié)約施工成本達到了十分顯著的成效。②隨著我們國家各地的基本建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施工程的大力開展，現(xiàn)有的河砂資源越來越緊缺，今后一段時間機制砂混凝土應用將會越來越多，也是大勢所趨。機制砂目前存在著規(guī)格不一、機制砂的兩頭級配量大、中間級配量少、表面非常粗糙、當前石粉含量偏高、導致需水量較大等缺陷，在機制砂混凝土配制技術(shù)上和河砂存在差異。在機制砂混凝土配合比設(shè)計時，混凝土實驗室技術(shù)人員不可生搬硬套河砂混凝土配合比設(shè)計的計算方法，對機制砂石粉的作用、混凝土用水量、砂率等幾個指標進行重點關(guān)注，機制砂混凝土的各種原材料必須通過試驗檢驗合格，混凝土配合比設(shè)計通過實際使用的原材料進行驗證后，方可在橋梁工程中使用。③中鐵大橋科學研究院有限公司同中鐵大橋局五公司在湖北恩來恩黔高速公路項目龍橋鋼管混凝土C55，采用機制砂和天然砂相結(jié)合，成功配制了大流動度和高強度混凝土并應用成功，經(jīng)驗值得借鑒。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)量優(yōu)劣直接影響著混凝土的性能和橋梁工程質(zhì)量。隨著我國天然河砂的日益匱乏和國家環(huán)保局對生態(tài)環(huán)境保護嚴格要求，有些地區(qū)已對河砂過度開采下達了禁令，因此，采用機制砂代替河砂將是今后混凝土發(fā)展的必然趨勢。由于目前生產(chǎn)的機制砂在粒形、級配、石粉含量等特性指標上達不到天然河砂的內(nèi)在品質(zhì)，在機制砂混凝土設(shè)計配制技術(shù)上又與河砂有所不同，用機制砂設(shè)計混凝土配合比時不能機械地套用河砂混凝土的設(shè)計配合比的配制方法，必須針對機制砂固有特性指標，分析可能對混凝土性能帶來的影響，采取相應的措施配制出符合橋梁工程的設(shè)計強度等級、工作性穩(wěn)定，流動性好、長期耐久性和經(jīng)濟合理的高性能混凝土，推動機制砂混凝土全面地發(fā)展應用。
參考文獻：
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[2]楊善順.石粉對機制砂混凝土性能的影響[J].科技風，2009（14）：1.
作者：潘立泉 丁兆民 單位：中鐵大橋科學研究院有限公司 武漢橋梁建筑工程監(jiān)理有限公司