兰新铁路第二双线鄯善至乌鲁木齐段骨料性能试验研究

于本田,刘树红,王起才,任 高

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070；2.兰新铁路新疆有限公司安全质量部,乌鲁木齐 830011)

兰新铁路第二双线跨甘肃、青海、新疆三省区,经过西宁、兰州、乌鲁木齐三省会城市及海东、张掖、酒泉、嘉峪关、吐鲁番、哈密等六个地级市。建成后将是沿线地区的骨干铁路线,是亚欧大陆桥铁路通道的重要组成部分,在国民经济与路网中均具有非常重要的意义和作用。线路建筑长度1 776.885 km,其中甘肃境内正线长795.727 km,青海境内正线长267.758 km,新疆境内正线长713.400 km[1～2]。

兰新铁路第二双线(新疆段)沿线为干旱少水、大风、夏季高温、冬季低温、昼夜和季节温差大的恶劣戈壁环境条件,加之沿线碳化环境等级、氯盐环境等级、化学侵蚀环境等级、冻融破坏等级、磨蚀等级均较高,因此对混凝土的和易性、强度和耐久性要求较高,混凝土性能的好坏决定了混凝土结构物是否能满足100年的设计使用寿命要求。我国混凝土中的水泥用量和拌和用水比发达国家至少多用20%,不仅资源浪费严重,且使硬化后的混凝土开裂敏感性大,威胁结构物的耐久性,其主要原因就是砂石质量太差[3]。砂石原材料作为混凝土的主要组成,其性能对高性能混凝土的性能影响巨大[4],虽然我国也有关于骨料产品质量的强制性标准,由于骨料质量有区域性,就一个特定的地区而言,现场生产供应的骨料少有完全真正符合标准的,多数要因地制宜地进行级配调整[5]。通过对鄯善至乌鲁木齐段内骨料性能试验研究,分析沿线骨料的性能对混凝土性能的影响,并提出相应的解决建议,对优化沿线高性能混凝土的配合比设计具有重要意义。

1 试验方案

1.1 试验研究对象

在鄯善至乌鲁木齐区段内35个砂石料场内,抽取了27个砂试样,其中天然砂25个,人工砂2个；抽取了35个石子试样,其中碎石9个,破碎砾石8个,砾石18个作为试验研究对象。

1.2 试验方法及内容

按普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准(JGJ52)[6]对抽取的砂、石试样的含泥量、泥块含量,砂的细度模数、颗粒级配和石子的针片状颗粒含量、紧密空隙率进行了测试。依据铁路混凝土用骨料碱活性试验方法(TB/T2922)[7]对砂、石进行碱活性指标测试。

2 试验结果与分析

表1和表2为沿线砂、石性能指标测试结果,依据铁建设[2009]152号文《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》混凝土分项工程原材料标准局部修订条文(下简称152号文)对各项性能进行分析。

表1 砂性能测试结果

表2 石子性能测试结果

2.1 砂含泥量和石子泥块含量高

铁建设[2009]152号文规定：配制C30及以下强度等级的混凝土,砂中含泥量不得超过3.0%,石子含泥量不得超过1.0%；配制C30～C45之间强度等级的混凝土,砂中含泥量不得超过2.5%,石子含泥量不得超过1.0%；配制C50及以上强度等级的混凝土,砂中含泥量不得超过2.0%,石子含泥量不得超过0.5%。砂中泥块含量不大于0.5%,石子中泥块含量不大于0.2%。

图1为所抽取砂、石试样含泥量分布。由图1(a)可看出,在抽取的27个砂试样中,含泥量超过3.0%的有3个,占总数的11.11%；含泥量在2.5%～3.0%的有3个,同样占总数的11.11%；含泥量在2.0%～2.5%的有6个,占总数的22.22%；含泥量在2.0%以上的共有12个,占总数的44.44%。由图1(b)可知,在抽取的35个石子试样中,含泥量超过1.0%的有3个,在0.5%～1.0%的有5个,分别占总数的8.57%和14.29%,而含泥量小于0.5%的共有27个,占总数的77.14%。

图1 砂、石试样含泥量分布

图2为所抽取砂、石试样泥块含量分布。由图2(a)可看出,在抽取的27个砂试样中,泥块含量超过0.5%的有11个,占总数的40.74%。由图2(b)可知,在抽取的35个石子试样中,18个砾石试样有13个泥块含量超过0.2%；8个破碎砾石试样有2个泥块含量超过0.2%；9个碎石试样中有4个泥块含量超过0.2%,分别占各类型石子总数的83.33%、25.00%和44.44%,而泥块含量超过0.2%的石子占总试样数的60.00%。

图2 砂、石试样泥块含量分布

由图1、图2分析可知,抽取的砂样含泥量较高,而石中泥块含量较高。由于泥和泥块的含量较高,会引起混凝土拌和需水量增加、减弱混凝土性能或使混凝土更容易被风化、阻碍水泥与骨料胶结的充分发展、妨碍水泥的正常水化或与水泥中成分进行化学反应,对混凝土的强度、收缩、徐变、抗渗、抗冻、耐磨等性能往往都会产生不利的影响[8]。

2.2 砂、石碱活性含量高

采用岩相法测试抽取的石试样是否会发生碱-碳酸反应。试验结果表明，所有石试样不会发生碱-碳酸反应。采用快速砂浆棒法测试砂、石试样是否会发生碱-硅酸反应,图3为14 d的砂浆棒膨胀率值,膨胀率在0.10%～0.20%的砂子试样有15个,占试样总数的55.56%；石子试样有21个,占试样总数的60.0%,说明鄯善至乌鲁木齐区段内砂、石试样的活性二氧化硅含量较高。这是因为新疆砂石骨料属于天山系水域形成的岩石,岩石含有50%以上凝灰岩,而这种岩性骨料是具有发生碱-硅酸反应的潜在碱活性骨料[9]。由于鄯善至乌鲁木齐区段内砂、石试样的活性二氧化硅含量普遍较高,因此在该地区进行混凝土配合比设计时,若水泥、外加剂和矿物掺和料中碱含量较高时,混凝土极易发生碱骨料反应,影响混凝土耐久性。

图3 砂、石试样碱活性指标值分布

2.3 砂颗粒偏粗、级配差

在抽取的27个砂试样中,其中Ⅰ区砂级配不合格的有6个,Ⅱ区砂级配不合格有9个,共有15个颗粒级配不合格,占抽样总数量的55.56%。表3、表4为颗粒级配不合格的砂的筛分测试结果。

表3 级配不合格的Ⅰ区砂筛分结果 %

表4 级配不合格的Ⅱ区砂筛分结果 %

由表3、表4可以看出,抽取砂样的颗粒级配不合格主要是因为粗颗粒偏多,相应的累计筛余值超出规范要求。造成这一现象的主要原因是新疆地区砂的含泥量较大,砂场为降低含泥量,对砂进行了水洗,在水洗过程中,砂中细小颗粒也随泥被水带走,致使细颗粒流失,导致粗颗粒所占比例升高,并最终使得砂的颗粒级配无法满足要求。级配不合格的砂在拌制混凝土时,由于粗颗粒较多,空隙率较大,需要填充空隙的水泥浆就多,并易导致形成的混凝土和易性、强度和耐久性差。

2.4 石紧密空隙率大、针片状颗粒含量高

铁建设[2009]152号文规定：配制C30及以下强度等级的混凝土,石子中针片状颗粒总含量不得超过10%；配制C30～C45之间强度等级的混凝土,石子中针片状颗粒总含量不得超过8%；配制C50及以上强度等级的混凝土,石子中针片状颗粒总含量不得超过5%。由表2可知,在抽取的石子试样中针片状颗粒含量在10%以上的有2个,针片状颗粒含量在8%～10%的有1个,针片状颗粒含量在5%～8%的有7个。由于针片状颗粒与接近立方体或球体的粒径相比,影响混凝土拌和物的和易性,且由于应力集中的程度较高,会导致凝结硬化后的混凝土强度较低。

由表2可知,紧密空隙率大于40%的有12个,其中最大达到了52%。而铁建设[2009]152号文规定：石子的紧密空隙率应小于40%。石子的空隙率越大,拌和的混凝土和易性越差,会导致胶凝材料用量增加,且凝结硬化的混凝土内部容易出现较多孔隙,影响混凝土的强度和耐久性[10]。

3 结论及建议

通过对抽取的27个砂试样和35个石子试样的性能试验结果分析可知,新建兰新铁路鄯善至乌鲁木齐段砂石原材料存在砂含泥量和石泥块含量高,砂、石碱活性含量高,砂颗粒偏粗、级配差及石子紧密空隙率大、针片状颗粒含量高等问题,将严重影响混凝土和易性、强度和耐久性。针对沿线原材料存在的问题,在进行高性能混凝土的配合比设计时有以下建议。

(1)针对沿线含泥量和泥块含量不合格的砂石,建议采用水洗的方法降低其含泥量和泥块含量,但考虑到由于采用水洗,会使砂中细小颗粒也会随之减少,并导致砂颗粒偏粗、级配不符合规范要求的问题出现,可将冲洗砂子的水过0.16 mm的筛子,对被水带走的砂中细小颗粒进行“反捞”,保证砂的颗粒级配。另外,也可通过在水洗后的砂中添加细颗粒的机制砂，以使其满足颗粒级配要求。

(2)砂石骨料砂浆膨胀率0.10%～0.20%时,为具有潜在活性骨料,在混凝土的使用中必须控制混凝土的总碱含量。因此在进行混凝土配合比设计时可通过采用低碱水泥和优化矿物掺和料的掺量,减少水泥用量的方法降低混凝土中的总碱含量。控制水泥细度、选取合理的水胶比、使用高效减水剂、控制混凝土的含气量,也能防止混凝土发生碱骨料反应。

(3)紧密空隙率大、针片状颗粒含量超标的石子不能用来配制高性能混凝土,要解决这一问题主要应从破碎设备和破碎工艺着手。石子的破碎应采用反击式破碎机,不应采用颚式破碎机和锤式破碎机进行石子的破碎。在进行砾石的破碎时,应严格控制破碎母体的尺寸,对于尺寸过小的卵石,在破碎时极易形成针片状颗粒,且破碎面达不到要求,影响黏结强度。

[1]中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线初步设计总说明书[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.

[2]王进华.兰新铁路第二双线甘青段工程地质条件与评价[J].铁道勘察,2010(1):72-75.

[3]廉慧珍.砂石质量是影响混凝土质量的关键[J].混凝土,2010(8):28-32.

[4]吴历斌,颜志勇,江 莞.高强高性能混凝土中的集料研究[J].四川建筑科学研究,2002(3):55-58.

[5]陈 智.客运专线耐久性混凝土对骨料的指标要求及原因浅析[J].现代隧道技术,2010(2):97-101.

[6]GJ52—2006,普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准[S].

[7]TB/T2922-1998,铁路混凝土用骨料碱活性试验方法[S].

[8]袁 杰,范永德,葛 勇，等.含泥量对高性能混凝土耐久性能的影响[J].混凝土,2003(8):31-33.

[9]薛海生.新疆高寒强腐蚀环境下混凝土材料的选择[J].水力发电,2010(2):73-75.

[10]张粉芹,霍曼琳,等.土木工程材料[M].北京:中国铁道出版社,2008:65.