高速公路工程中机制砂高性能混凝土的应用

陈建荣

文章对机制砂高性能混凝土在广西松旺至铁山港东岸公路中的应用及施工质量控制措施进行探讨。结果表明，机制砂高性能混凝土具有良好的耐久性以及强度、密实度、抗渗性、抗碳化性等力学性能。但是，机制砂高性能混凝土施工工序繁琐，对原材料和掺合料要求较高，应从原材料、配料、配合比、掺合料、拌合等方面严格把关，确保工程施工质量。

高速公路;机制砂高性能混凝土;质量控制

0 引言

随着我国高速公路等基础设施建设规模的不断增大，对混凝土等建筑材料的使用量逐年增大，但天然砂等建筑材料资源分布不均匀而且在短期内再生难度大，尤其是中西部地区，天然砂几近枯竭，所以研究机制砂代替天然砂在高性能混凝土中的应用意义重大。国外对机制砂的研究起步较早，而且已经将机制砂列入国家标准[1]，反观国内，对机制砂的研究仍处于起步阶段。虽然机制砂已经在三峡工程、小浪底等工程中有所应用并取得了宝贵的工程经验，但对机制砂高性能混凝土的理论研究仍停留在力学性能层面。基于此背景，本文对机制砂高性能混凝土在广西松旺至铁山港东岸公路中的应用及施工质量控制进行深入探讨，研究结果可为类似工程提供一定的指导。

1 工程概况

广西松旺至铁山港东岸公路属于《2010—2020广西高速公路网规划》中梅溪至铁山港高速公路的重要支线，在广西玉林博白县和北海合浦县交界处，起点位于博白县松旺镇西南位置，连接玉林至铁山港高速公路后，与合浦至山口高速公路对接。该公路路线范围内地势呈南低北高态势，地貌单元主要包括剥蚀丘陵、剥蚀残丘准平原和河流堆积阶地地貌三种类型。工程区海拔在30～100 m之间，局部区域海拔>150 m，自然坡度为20°～45°，第四系黏土、淤泥质黏土覆盖层厚度较大，砂岩、粉砂岩和页岩等下覆基岩发育，地表积水严重，地形起伏大，岩土组合边坡稳定性良好。

2 机制砂高性能混凝土在高速公路工程中的应用

2.1 配合比设计

高性能混凝土工作性能良好，具有较好的力学性、耐久性及体积稳定性。为提高材料的渗透性，在高性能混凝土配置的过程中必须减少水的使用量;为保证混凝土结构的体积稳定，还应控制水泥用量;为了优化颗粒级配，增强密实度，保证混凝土结构堆积密度增大，应采用活性掺和料和高效减水剂双掺做法，并减少水量，优化结构耐久性。机制砂中包含石粉，所以在水泥与减水剂用量既定时，为保证机制砂塌落度符合设计要求，其用水量必须要高出天然砂混凝土用水量。总之，机制砂高性能混凝土配比所需的减水剂掺和量比天然砂混凝土略多，由于机制砂比天然砂略粗糙，所以還应适当地增大砂率[2]。

（1）水胶比

在水泥强度fce（52.5 MPa）、粗骨料、C50混凝土配置强度fcu，0（59.9 MPa）既定的情况下，水胶比主要根据混凝土强度公式加以确定，如式（1）所示：

WC=Afcefcu，0+A·B·fce=0.46×52.559.9+0.46×0.07×52.5=0.39（1）

由于《混凝土强度耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）所规定的耐久性C50混凝土水胶比≤0.36，所以，将广西松旺至铁山港东岸公路机制砂高性能混凝土的水胶比暂定为0.36。根据实践经验，强度等级C50混凝土浆体的体积≤35%，浆体体积过小将不利于拌合物性能的发挥，而浆体体积过大必将影响结构收缩徐变，不利于体积稳定性。为此，将广西松旺至铁山港东岸公路工程中的机制砂高性能混凝土浆体体积比控制在25%～30%之间。

（2）用水量

由混凝土耐久性设计标准和相关理论可知，耐久性C50机制砂高性能混凝土胶凝材料使用量≤480 kg/m3。考虑到本工程实际情况，将其胶凝材料用量暂定为450 kg/m3，根据本文初步确定的机制砂高性能混凝土水胶比，其用水量暂定为450 kg/m3×0.36=162 kg/m3。

（3）砂率

混凝土砂率增大，则骨料表面积和孔隙率必将增加，如果泥浆含量不变，则混凝土流动性必将减小。反之，混凝土砂率较小，则骨料之间的砂浆层便难以保证，也会降低混凝土的流动性。所以砂率必须保持在合理的范围内。通过对天然砂和机制砂适配试验可知，机制砂高性能混凝土砂率的最佳值为39%，天然砂混凝土砂率应为35%。这种情况下混凝土塌落度达到最大值，分别为180 mm和200 mm。砂率对耐久性C50机制砂高性能混凝土性能及强度的影响结果见表1。

由表1试验结果可知，砂率为39%时，C50机制砂高性能混凝土性能良好。所以在水胶比小、水用量少、黏度大的情况下，为提升混凝土性能，应尽可能选择偏低的砂率[3]。

（4）配合比设计

根据上述分析可以确定，机制砂高性能混凝土的砂率和减水剂掺和量略高于天然砂，机制砂砂率和减水剂掺量分别为40%和1.2%。而且为了达到相关设计要求，氯离子与碱含量必须严格控制，并考虑通过添加硅粉、细矿砂和粉煤灰以提升混凝土性能。减水剂用量主要根据对减水剂与胶凝材料相容性的试验结果予以确定，其余材料用量则可根据上述材料用量结合体积法求得。最终确定的广西松旺至铁山港东岸公路机制砂高性能混凝土配合比为水泥225 kg/m3、粉煤灰68 kg/m3、矿粉162 kg/m3、砂721 kg/m3、石1 076 kg/m3、水量162 kg/m3、减水剂5.6 kg/m3;而天然砂高性能混凝土配合比为水泥225 kg/m3、粉煤灰68 kg/m3、砂645 kg/m3、石1 143 kg/m3、水量162 kg/m3、减水剂4.5 kg/m3。

2.2 机制砂高性能混凝土施工质量控制

2.2.1 施工工艺要求

广西松旺至铁山港东岸公路工程混凝土施工必须从混凝土的密实度、体积的稳定性、均质性等方面加强质量控制。具体包括：（1）严格控制水胶比，加强对机制砂高性能混凝土水化热的控制，防止混凝土内外温差超过设计规范;（2）因机制砂中所含石粉会产生较强的吸附高效减水剂的不利作用，所以应严格按照预设步骤，尽可能防止减水剂投入拌合机后因被吸附而丧失性能。此外，应加强对施工操作人员的培训管理，确保公路工程混凝土施工作业安全高效进行。

2.2.2 机制砂高性能混凝土的强度

混凝土强度是高速公路工程施工和质量控制的重要依据。对不同龄期机制砂高性能混凝土强度进行分析可知，机制砂高性能混凝土的強度在任何时期都高于天然砂高性能混凝土，其在28 d的抗压强度为天然砂的103%，究其原因主要是机制砂混凝土表面粗糙，能与水泥石更加密切地粘结，表面孔隙率降低，强度提升。

2.2.3 机制砂高性能混凝土的收缩变形

机制砂高性能混凝土在非荷载作用下也会因自收缩、干燥收缩、塑性收缩、碳化收缩和温度收缩而产生裂缝。通过收缩试验可知，与天然砂混凝土相比，机制砂混凝土早期收缩大，后期两者的收缩值逐渐接近。这主要是因为机制砂所含有的石粉会加剧水泥水化过程，并产生水化碳铝酸盐，加剧机制砂混凝土早期的自收缩。此外机制砂混凝土中所掺加的减水剂也起到了加剧其收缩变形的作用。广西松旺至铁山港东岸公路工程机制砂石粉含量仅为3.6%，对高性能混凝土自收缩不会产生很大影响。

2.2.4 机制砂高性能混凝土的抗渗性

高性能混凝土水胶比小，同时又有粉煤灰和矿渣等矿物掺和料的掺入，有效改善了混凝土结构的孔径分布及几何形状，水化过程中所生成的凝胶堵塞了渗透通路，提升了混凝土结构的抗渗性。抗渗性是衡量混凝土结构抵抗压力、水渗透及耐久性的重要指标。广西松旺至铁山港东岸公路工程机制砂高性能混凝土透水高度为23 mm，高于抗渗性试验19 mm的标准，抗渗性能良好，密实度较高。

2.2.5 机制砂高性能混凝土的抗碳化性

水泥水化后将生成碱性物质，所以混凝土孔隙溶液也呈碱性，对钢筋表面能起到保护作用，但是，这种碱性物质会因接触空气中的CO2而使碱度降低，引发混凝土结构的收缩、开裂和钢筋锈蚀，即产生碳化反应。而机制砂提升了高性能混凝土的抗渗性及密实度，外界空气中的CO2很难渗入混凝土结构中，使混凝土抗碳化能力大大增强。

3 结语

本文通过研究机制砂高性能混凝土在广西松旺至铁山港东岸公路工程中的应用，得出以下结论：（1）机制砂表面粗糙，能与水泥更紧密地粘结，所配制出的高性能混凝土具有较高的抗压强度;（2）机制砂中掺加了石粉，能推动水泥水化过程，虽会加剧机制砂高性能混凝土的早期收缩，引发裂缝产生，但后期这种作用会逐渐消失;（3）机制砂高性能混凝土密实度高，透水高度可达23 mm，抗渗性强，所以空气中的CO2渗入困难，其抗碳化能力增强。随着我国高速公路建设规模的不断扩大，通车量及车辆荷载不断提高，这对用于铺路的混凝土结构本身的性能提出了更高要求，机制砂高性能混凝土必将在高速公路工程建设中扮演更加重要的角色。机制砂高性能混凝土施工工序繁琐，就配置而言，从原材料、配料、配合比、掺和料、拌合等方面都须严格把关。在具体工程中，必须因地制宜，加强科学管理与规范化操作，以确保高速公路工程中机制砂高性能混凝土的成功应用。

[1]张俊峰.提高机制砂清水混凝土的施工质量[J].工程建设与设计，2019（2）：207-208.

[2]刘桂宾，于 琦，刘宗祥，等.利用机制砂制备轻骨料混凝土试验研究[J].青岛理工大学学报，2019，40（1）：138-144.

[3]杨大田，陈富强.机制砂水泥混凝土路面在广西二级公路中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2018，35（12）：103-107.