贵州地区机制砂配制中低强度混凝土的应用研究

柯俊涛

(葛洲坝集团第二工程有限公司，成都，610091)

1 概述

贵州六盘水机场高速公路工程，地处贵州山区，混凝土浇筑以泵送为主，按设计要求，C20、C25和C30等中低强度混凝土主要使用在桥梁桩基、墩柱、盖梁及涵洞等位置，需用量约10万m3左右，施工和易性要求好同时对混凝土外观也有很高要求。项目部初始计划两种方案:一种是用河沙作为混凝土细集料;一种是全部采用机制砂，粗集料、水泥和外加剂均采用相同型号。结合本工程特点，对这两种方案进行技术经济分析。河沙配置的混凝土施工工艺成熟，流动性好，泵送方便，易于施工，强度和工作性都容易满足现场要求，但是当地无合格的河沙，采用此方案缺点是运距远，运输成本大，到场价格高(每m3280元)，且货源不稳定。机制砂本地料源丰富，机制砂场密布，价格低(每m3仅60元)，且质量易控制，缺点是级配差，棱角多，石粉多，比表面积大，导致水泥浆需求多。综合考虑质量及进度成本要求，项目部选用机制砂配制混凝土，针对其缺点采用技术措施解决。

2 机制砂混凝土实验

2.1 实验用原材料

本次实验以配制C25机制砂混凝土为例，设计坍落度140mm～180mm。

水泥:贵州博宏实业有限公司水泥分公司生产的“水钢”P.O42.5普通硅酸盐水泥，28d实测强度45.0MPa;

外加剂:KDSP缓凝减水剂;

粗集料:石灰石，采用2种碎石混合成5～31.5连续级配碎石;

细集料:母岩为石灰石，干法生产，细度模数3.2，原状石粉含量14%。考虑本次实验用石粉含量不同的细集料，将原状砂水洗烘干得水洗砂，再用水洗砂和石粉按比例配制出不同石粉含量的试验用机制砂。

2.2 水灰比选择

贵州省建设厅规程编制组在广泛调研认真总结实践经验，参考国内有关标准，并广泛征求意见的基础上，出台了地方标准《山砂混凝土技术规程》(DB24/016－2010)。本文参考此规程进行水灰比的初步选定，山砂混凝土的配制强度(fcu，0)应按式(1)计算:

式中:fcu，0——混凝土配制强度(MPa);

fcu，k——混凝土立方体抗压强度标准值(MPa);

σ——混凝土立方体抗压强度标准差(MPa)。

山砂混凝土的水灰比(w/c)按式(2)计算:

式中:w/c——水灰比;

αa、αb——回归系数;

fce——水泥28d抗压强度实测值(MPa)。

其中，σ取4，回归系数αa、αb分别取0.46、0.30。贵州山砂混凝土的最大水灰比应符合现行标准《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55－2011的规定。通过计算，得出C25理论水灰比为0.55。其试验配合比如表1所示。

表1 C25机制砂混凝土试验配合比

图1 灰水比与实测机制砂混凝土强度对应关系

从图1可以看出，机制砂配制出的混凝土的灰水比与实测抗压强度同样存在良好的对应关系，相关系数为0.98。此次实验C25的配制强度为31.6，理论计算得出的水灰比为0.53，结合实验实测的强度，考虑工程实际施工水平，选择28d实测强度在33MPa左右比较合适，结合图1，确定C25水灰比为0.53。

2.3 砂率的确定

砂率的变动会使骨料的空隙率和表面积显著改变，在混凝土配制中，砂率过大，水泥浆不能充分包裹砂粒表面，砂粒之间的摩擦阻力加大使混凝土拌合物流动性减小，且会增大混凝土的干缩现象;砂率过小，砂浆量不足，不能充分包裹石子，使混凝土拌合物流动性减小，并易于离析、泌水。最优砂率是在用水量和水泥用量一定的情况下，能使混凝土拌合物获得最大流动性，并保持黏聚性、保水性良好。根据贵州当地很多使用机制砂的工程经验，机制砂混凝土的砂率一般较天然砂混凝土高3%～7%，具体以实际试验而定。本次实验在恒定水泥用量、用水量及外加剂用量条件下，按“五点法”进行砂率的优选，在砂率40%～48%范围内每隔2%选取一个砂率进行混凝土拌合物和易性试验，以混凝土坍落度最大时为最优砂率，同时对比混凝土试件强度。试验用配合比如表2所示。

表2 砂率变化实验用配合比

对上述配合比进行试拌，并测其坍落度和试件强度。砂率对混凝土坍落度影响如图2所示。

图2 砂率与混凝土坍落度的关系

同时，对上述不同砂率的配合比成型混凝土试件，测得混凝土强度与砂率关系如图3所示。

图3 砂率与混凝土强度的关系

从图2和图3可以看出，砂率在46%时，坍落度和强度达到最大值，可以定义为最优砂率。砂率对工作性尤其是坍落度影响较大，在最优砂率46%时，流动性和保水性最好，对强度的影响与坍落度相比，变化不显著但在最优砂率时强度仍为最高值。综上所述，机制砂混凝土的砂率一般较大，不能简单套用天然砂混凝土推荐的砂率，配合比设计时必须通过试验确定出最优砂率。

2.4 石粉含量对坍落度及抗压强度的影响

机制砂是岩石经除土开采破碎和筛分制成，不可避免产生石粉，其矿物成分和化学成分与母岩相同，含量较高通常在10%以上。在实际应用时很多项目“谈粉色变”，高价选用天然砂或高成本增加水洗设备除去石粉。按照《公路工程水泥混凝土用机制砂》(JT/T819－2011)规定，≤C30的混凝土用的机制砂当MB＜1.4时，石粉含量应≤10.0，这和武汉理工大学编写的《机制砂在混凝土中的应用》要求一样。本文结合现有规程规范，通过配制不同的石粉含量机制砂混凝土，研究石粉含量对低标号混凝土的工作性及抗压强度的影响。

参考以上的水灰比及砂率，固定水灰比为0.53，砂率46%，用水量150kg，外加剂掺量不变，选用石粉含量为8%、10%、12%、14%、16%、18%进行配合比试验，研究混凝土的工作性能和力学性能(如图4、图5所示)。

图4 石粉含量与坍落度的关系

从图4可以看出，随着石粉含量的增加，坍落度先增加后减小，在石粉含量达14%时最大，同时在拌合时发现此时保水性、粘聚性也是在最佳状态。对比这几组石粉含量不同的混凝土，可明显看出拌合物的粘聚性随着石粉含量的增加而增加，离析现象也随石粉含量增加明显改善，可能是因为机制砂中的石粉增加了混凝土中浆体的比例，从而提高了混凝土的流动性，同时石粉还起到了微滚珠的作用，减少砂与砂之间摩擦而改善混凝土的和易性〔1〕。但石粉含量过高时，浆体过粘，流动性也不足。从此低标号C25混凝土来看，石粉含量在8%～16%之间，坍落度均可满足要求。

同时，制作混凝土试件测得试块抗压强度(如图5所示)。

图5 石粉含量与抗压强度的关系

从图5可以看出，随着石粉含量的增加强度先增加后减小，在12%～14%时达到最大值。结合工作性试验，这时坍落度最大，和易性也最好，试件成型容易，密实度好，破型后发现气泡也较少。原因可能是石粉在水泥水化过程中起到晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化;石粉还对钙矾石向单硫型转化有阻止作用，从而提高了混凝土强度。

3 机制砂质量控制

施工现场严格控制机制砂的质量。用于加工机制砂的母岩，抗压强度不低于75MPa，检验方法和结果处理按现行标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》执行。机制砂生产料场选定前，对母岩的种类、成分进行鉴定，检验骨料中活性成分的品种和含量。

开采前，清除干净表层覆盖土和夹层土，并剥离风化层，强风化的碳酸盐类岩石坚决不能用于生产。通过现场高频率检测，确定生产工艺参数，按设备的特性进行优化，加强设备的维护，及时更换易磨损配件，稳定山砂的质量。成品机制砂干料堆料高度不宜超过5m，堆存的地面硬化，并设置防雨篷，堆场四周排水良好。

通过对料场取样发现，虽然随母岩的变化不可避免地出现石粉含量波动，但主要集中在10%～16%之间，结合工程实际发现仍然能满足其工作性和强度的要求，无需刻意增加水洗设备，无谓增加成本。通过实践证明，该工程浇筑的中低标号混凝土，工作性好，强度高，且结构物外观平整，罕见气泡孔洞，在质量保证的同时，也节约了工程成本，为项目部创造了经济效益。

4 结语

贵州地区机制砂资源丰富，级配较差，石粉含量也高，配制中低强度混凝土时，水灰比大，水泥用量少，混凝土容易离析泌水。适当提高砂率且有适当比例的石粉存在，可以很好地解决上述问题，使其工作性能大为改善的同时，强度也能很好保证。从该工程实践可看出，配制中低强度的混凝土，含适当比例石粉的机制砂作为细集料完全没问题，这对缺少天然砂的贵州地区来说，既可以充分利用现有资源、节约运输成本、创造经济效益，又解决了洗砂生产中产生的环境污染问题，同时也切实贯彻了“因地制宜，就地取材，节约资源，保护环境”的原则。

〔1〕蔡基伟，李北星，周明凯，胡晓曼．石粉对中低强度机制砂混凝土性能的影响．武汉理工大学学报，2006，(4):27～30．