混合砂配制高性能混凝土在铁路工程中的应用

赵淮生

(中铁十五局集团公司，河南 洛阳 471013)

随着建设工程的不断增多，资源性材料消耗很大，其中生产混凝土所需的细骨料(砂子)每年约需20多亿t。目前混凝土用细骨料主要采用天然河砂或山砂，随着需求量的不断扩大，满足要求的天然砂数量越来越少，砂资源短缺，价格上涨，另一方面天然砂的开采对河床、农田自然生态及环境破坏严重。

我国在20世纪80年代就有人开始开展机制砂的性能和机制砂混凝土的性能研究，通过20多年的探索、研究，取得了一些有价值的科研成果。国标《建筑用砂》(GB/T14684—2001)增加了人工砂为建筑用砂之一，并规定了人工砂的定义、技术要求、检验方法。国内以人工砂替代天然河砂生产混凝土的规模越来越大，今后人工砂将作为建筑用砂的重要来源进入建材市场。

淮河特大桥地处安徽省蚌埠市境内，全长80多公里，高性能混凝土用量300多万 m3，工程设计使用寿命100年。当地石灰岩丰富，质量满足要求的河砂资源比较匮乏，附近只有明光女山湖出产河砂，但质量不稳定，山东沂河及河南信阳砂质量稳定但运距非常远，价格高。为保证工程质量、降低工程成本、充分利用当地丰富的石灰岩，对混合砂在高速铁路水下高性能混凝土中的应用进行了研究。

1 混凝土原材料

采用蚌埠海螺P.O42.5水泥、淮南常华Ⅰ级粉煤灰、宿州始源S95级矿粉，物理性能指标见表1～表3。

表2 粉煤灰的主要性能

表3 矿粉的主要性能

混合砂由灵壁县虞姬二山机制砂和明光女山湖天然砂组成，主要物理性能表4～表6。

表4 天然砂主要物理性能

机制砂级配性能比河砂差，颗粒棱角突出，粉尘含量高，这都是造成机制砂混凝土流动性差、拌和物干涩的主要因素，表7说明机制砂石粉含量对混凝土用水量或坍落度的影响。因此机制砂的生产控制对于机制砂质量尤为重要，重点监控级配和石粉含量，一是选用合格干净及满足强度要求的母岩做机制砂的原材料，二是选择适宜的制砂设备，建议选用湿法、锤击式生产工艺，再采用一定的石粉收集装置。

表5 机制砂的主要物理性能

表6 混合砂主要性能

表7 机制砂不同石粉含量对混凝土的影响

高性能混凝土用机制砂的具体技术指标一般应满足如下要求:①细度模细应控制在2.6～3.2之间;②压碎值指标应 <25%，有条件的最好控制在20%以内;③机制砂母材强度应>70 MPa;④机制砂的含粉量应控制在4%～8%之间。

采用灵璧青龙山碎石(5～15 mm和10～25 mm二级配)，掺配比例为30∶70。碎石物理性能见表8。

表8 碎石的物理性能

外加剂采用山西黄腾聚羧酸高效减水剂，减水率24.5%。采用地下饮用水。

2 混凝土配合比设计

按JGJ/T55-2000《普通混凝土配合比设计规程》的方法和步骤，进行机制砂混凝土配合比设计，得到的结果与普通河砂得到的混凝土强度增长规律基本相同，保米罗公式在机制砂配合比设计中依然能够起到很强的指导作用。

采用混合砂后需要改进的问题是:

1)混合砂的颗粒形状为尖锐、棱角形，有别于浑圆状的天然砂，其黏结力大，机械咬合作用强，故机制砂高强混凝土比河砂高强混凝土的强度高。在配制机制砂超高强混凝土的实践中发现:同水灰比的机制砂高强混凝土比河砂高强混凝土的强度一般高5～10 MPa，可对混凝土配合比的系数进行部分修正。

2)采用水下混凝土灌注工艺时，混凝土配制强度应提高10%。

3)由于机制砂混凝土的抗渗性差，所以必须从多孔材料渗透理论出发充分体现混凝土抗渗性的特殊要求，这是保证机制砂混凝土结构耐久性的前提条件。

混合砂中机制砂和河砂占不同比例对混凝土初始性能的影响见表9。

表9 混合砂对混凝土初始性能的影响(同水胶比、同单方用水量)

为改善机制砂混凝土流动性差、拌和物干涩的状况，一方面要控制机制砂石粉含量和级配外，还可以掺用适量的矿物掺合料来改善其级配状态。结合工程实际情况，最终混合砂混凝土配合比如表10所示，其中混合砂中机制砂∶河砂=62∶38(质量比)，混凝土和易性、保水性均较好，满足设计强度42 MPa、坍落度180～220 mm、含气量≥2.0%要求。

表10 混合砂混凝土配合比

对试配混凝土试块进行抗压强度及电通量测定，结果见表11。

表11 抗压强度及电通量

由以上数据可知，该配合比完全满足淮河特大桥水下C30混凝土施工要求。

1)机制砂的配合比设计必须体现高性能混凝土配合比设计理念和应用实践。

2)当混凝土的耐久性、和易性有特殊要求时可根据现场实际情况掺入适当的掺合料，同时掺合料的掺入可有效防止机制砂造成的干涩和收缩变形。

3)当采用粉煤灰、矿粉等掺合料时采用超量取代法较等量取代法更有利于改善混凝土的性能。

4)由于机制砂的级配颗粒较大、筛分区间较集中，拌和物的性能较差，所以机制砂混凝土的砂率应比普通混凝土的砂率高2%～5%。

3 混凝土的拌和、运输和浇筑

根据试验得出的机制砂混凝土配合比，在淮河特大桥桩基施工中进行了使用。

机制砂混凝土的拌和与天然砂混凝土相同，其运输除应满足天然砂混凝土要求外，还应符合下列规定:

1)高性能混凝土的运输应尽量采用混凝土罐车进行运输，同时运输车辆应能够自身进行二次拌合，不能满足运输能力的混凝土运输设备应及时更换。

2)混凝土在出机或入模时其落差不大于2 m，当落差较大时应采用滑槽、串筒等器具来防止混凝土的离散和水分蒸发。

3)运输过程中应加强检验，主要包括出机温度、坍落度、扩展度、含气量等信息。混凝土的运输过程应严格控制运输时间，对水下混凝土(掺缓凝高效减水剂)而言，混凝土运至浇筑处的时间一般不宜超过180 min(并小于混凝土初凝时间2 h)。

机制砂混凝土的浇筑除应满足天然砂混凝土要求外，还应符合下列规定:

1)浇筑混凝土时应避开风、雨、雪天。冬季宜尽量放在白天气温较高的时段进行。夏季气候炎热时宜在下午5时至次日9时浇筑。混凝土运至浇筑处的时间应满足要求。

2)运输、浇筑要衔接好，间歇时间要短，要连续作业。

3)在浇筑过程中如发现混凝土的和易性、坍落度、出机温度等不符合要求时应在拌和站及时处理，不合格品不得出厂。运至现场的混凝土入模前应进行入模温度测试和和易性试验，不符合要求的应交试验人员处理。

4 结论

通过试验室试验和现场应用，得出以下结论:

1)严格控制机制砂原材料的质量关，重点监控级配和石粉含量。一是选用合格干净及满足强度要求的母岩做机制砂的原材料，二是选择适宜的制砂设备。

2)机制砂级配性能比河砂差，颗粒棱角突出，粉尘含量高，这都是造成机制砂混凝土流动性差、拌和物干涩的主要因素，混凝土配合比设计过程在遵循普通混凝土设计规程的同时，还应将改善机制砂混凝土和易性的措施综合于配合比设计过程中，以提高混凝土拌和性能、力学性能和耐久性能。可以通过以下途径来改善其功能性状:一是控制机制砂中的粉尘含量;二是控制机制砂的颗粒级配，三是采用掺加外掺料等方法改善其级配状态。

3)机制砂混凝土的施工应更强调协调性、统一性和质量管理全过程控制。

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