机制砂高性能混凝土在大型预制箱梁中的应用

阮裕和，李洪斌

（中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

0 引言

近年来由于河砂过多开采以及环境保护的限制，造成了资源逐渐枯竭，随着社会经济的发展，混凝土的需求越来越多，以河砂为主要原材料的混凝土将无法满足这种增长的需求，河砂被机制砂替代已成为发展的趋势［1］。目前国内外对机制砂混凝土已有大量的研究，也广泛应用于工程当中，但C60 机制砂高性能混凝土用于大型预制箱梁的实例较少。市场上机制砂质量良莠不齐，给混凝土性能的控制带来了较大的困难。同时，本项目对混凝土的耐久性要求较高（使用寿命120 年），混凝土配合的设计也存在一定的难度。因此，必须控制好机制砂及其它原材的质量，优化混凝土的配合比，在生产过程中控制好混凝土的拌制质量、优化浇筑工艺，使混凝土性能满足大型箱梁的浇筑需要，并采取材料降温、拌制过程加冰等温控措施，防止箱梁开裂。

1 工程概况

香港某跨湾连接路工程共有预应力混凝土预制箱梁18 榀，为不规则变截面曲线箱梁，分单室和双室2种结构形式。梁体具有体形大、高度大、长度大的特点，最大跨度75 m，梁高3.85 m，梁顶板宽度最大24.5 m，腹板厚度0.4～0.8 m，底板厚度0.25～0.40 m，端部横隔墙厚度2 m，为大体积混凝土，单榀最大混凝土方量1 250 m3，重量3 125 t。结构断面如图1所示。

图1 箱梁断面Fig.1 Sectional View of Box Girder

箱梁在广东省江门市某预制厂预制，使用的混凝土具有3大特点：①采用C60机制砂高性能混凝土；②混凝土生产供应需符合香港混凝土生产供应协议（即QSPSC）标准，所有原材料及混凝土试块检测采用英国标准（British Standard），需要委托具有香港实验室（HOKLAS）认可的试验室进行检测；③混凝土浇筑需在高温季节施工，最高环境温度达38℃。

2 机制砂混凝土原材料选择

香港某跨湾桥箱梁所用材料性能参数必须符合英国标准，拌制的混凝土强度等级、耐久性等必须满足设计及技术规格书的要求。同时，混凝土的工作性能必须满足现场泵送及振捣的要求。

2.1 机制砂

机制砂普遍具有颗粒形状较为尖锐、表面粗糙、级配较差、细度模数较大、石粉含量较大等特点，与河砂颗粒圆润、级配细度模数较好的特点相对比，存在明显的差异，因此导致了机制砂混凝土的性能与河砂也存在着较大的差异［2］。

2.1.1 机制砂石粉含量与混凝土工作性能的关系

机制砂石粉是指在生产过程中产生小于75 µm 的颗粒，不同的石粉含量会给混凝土的工作性能带来一定的影响。石粉的细度与水泥的细度比较接近，能在一定程度上弥补由于机制砂高性能混凝土浆体不足而导致包裹性较差的缺陷，随着石粉含量的增加，混凝土的黏聚性也相应增加，同时也容易使得混凝土的流动性不足，石粉含量过大会导致混凝土的工作性变差［3］。

通过研究（见图2）得出：C60混凝土的坍落度在机制砂石粉含量小于5%时，有向上增大的趋势，在机制砂石粉含量大于5%时，有向下降低的趋势。但按照目前市场上机制砂的普遍情况，石粉含量控制在5%有一定难度，根据经验，石粉含量限制最好在8%以下。

图2 C60混凝土石粉含量与坍落度关系Fig.2 C60 Concrete Stone Powder Content and Slump

2.1.2 机制砂级配和细度模数与混凝土工作性能的关系

机制砂的另外2 个重要参数是级配和细度模数。粗颗粒较多、细度模数较高的机制砂，拌制的混凝土流动性较好，但保水性、黏聚性较差，容易造成混凝土泌水、离析。颗粒较细、细度模数较小的机制砂，会增加拌制需水量，对混凝土的强度造成影响。选择级配和细度模数合适的机制砂，是保证混凝土的工作性能及质量的前提条件［4］。

表1 为2 个产源、级配、细度模数各不相同的机制砂配制的混凝土坍落度及特性情况。

由表1 可知，石场2 机制混凝土工作性能优于石场1机制砂混凝土，在石粉含量不变的情况下，不同的机制砂级配、细度模数拌制的混凝土坍落度、黏聚性、保水性有较大的区别。

故选用石场2 生产的机制砂，各项技术指标［5］如表2所示。

2.2 水泥

按照设计要求，C60混凝土采用硅酸盐水泥，强度等级不低于52.5，质量除了符合英国标准BSEN 197-1∶2011外，还需符合《通用硅酸盐水泥：GB 175-2007》。本工程采用的是某品牌PⅡ52.5N水泥，水泥中的熟料铝酸三钙C3A含量小于8%，水泥比表面积在300～360 m2/kg之间，各项技术指标如表3所示。

表1 混凝土工作性能情况及特征Tab.1 Performance and Characteristics of Concrete

表2 机制砂技术指标Tab.2 Technical Index of Machine Sand

表3 水泥技术指标Tab.3 Cement Technical Indicators

2.3 掺合料

为提高混凝土的致密性、耐久性及其它工作性能，通过等量替换，掺入硅粉和粉煤灰来替换等量的水泥，降低混凝土水化热，改善混凝土内部毛细孔隙大小和毛细孔径结构，充分发挥掺合料的活性、填充、密实等效应。

本工程选用东莞市某电厂F 类Ⅰ级粉煤灰，各项技术指标如表4所示。

表4 粉煤灰技术指标Tab.4 Fly Ash Technical Index

硅灰选用庐江县某建材公司生产的S95 硅灰，各项技术指标如表5所示。

表5 硅粉技术指标Tab.5 Silicon Powder Technical Index

2.4 碎石

碎石的颗粒级配、颗粒形状、洛杉矶磨耗值对混凝土的工作性能和强度有较明显的影响。本工程碎石产自经过香港认证的新会石场2，母材为无碱活性花岗岩，级配为5～10 mm、10～20 mm 2 种单级配。使用时按3∶7 的比例配成5～20 mm 的连续级配，各项技术指标如表6所示。

表6 碎石技术指标Tab.6 Crushed Stone Technical Indicators

3 机制砂混凝土配合比设计

该香港工程箱梁设计采用C60强度等级的机制砂混凝土，根据香港QSPSC要求，C60混凝土配置强度不低于75 MPa［6］。混凝土拌合物坍落度大于 75 mm，扩展度（450±50）mm。混凝土使用寿命120 年。为了保证箱梁混凝土的耐久性，在设计要求的基础上，增加混凝土耐久性控制指标，混凝土56 d氯离子渗透系数不大于1.2×10-12m2/s。

基于香港现行土工工程通用规范中对硅粉、粉煤灰掺量的基本要求，以及该项目技术参数中对混凝土的力学性能和耐久性的要求，确定硅粉掺量分别取5%和8%，粉煤灰掺量取25%。因此，混凝土设置3种配合比，胶凝材料总量分别为：470 kg/m3、490 kg/m3、510 kg/m3，胶材组成分别采用：水泥+5%硅灰+25%粉煤灰、水泥+8%硅灰+25%粉煤灰，其配合比如表7所示。

试验结果如表8所示。

由表 8 可知，编号 4、5、6、7、8混凝土符合配合比要求。其中编号4 富余强度较小，编号6 富余强度较大，编号5、7、8强度相差不大，但从混凝土开裂敏感性的角度出发，应适当降低混凝土胶凝材料总量（主要是降低硅粉掺量，硅粉掺量取5%），以满足混凝土各项设计性能，因此采取编号7 配合比作为目标配合比。

表7 不同胶材种类及用量试验配合比Tab.7 Test Mix Ratio of Different Types of Rubber Materials and Dosage

表8 性能测试项目Tab.8 Performance Test Items

4 混凝土生产

箱梁混凝土生产需符合香港QSPSC 要求，同时搅拌站也必须通过香港品质保证局（HKQAA）认证，建立符合ISO09000 和QSPSC 的质量体系。搅拌站的秤量系统、混凝土的出机温度、坍落度等指标必须符合硬性要求。因此，在混凝土生产前，需做好机械设备的检查，考虑好各种应急措施。生产时采取各种温控措施，保证混凝土出仓温度满足设计要求。

4.1 混凝土搅拌均匀性试验

混凝土的均匀性是影响其工作性能的主要因素，因此搅拌是混凝土生产过程中的关键工序。若搅拌时间过短，会造成各种原材料搅拌不均匀，或者有加冰要求的混凝土冰片不能完全融化。若搅拌时间过长，会造成混凝土离晰等降低和易性的问题。为了验证搅拌时间是否合适，需进行混凝土搅拌均匀性试验。通过检测坍落度、含气量、粗骨料、砂浆密度的相对误差，考察混凝土拌合物是否均匀，确定合理的搅拌时间及各项指标相对误差控制范围。根据均匀性试验结果，混凝土最佳搅拌时间为120 s。

4.2 混凝土材料计量及投料顺序

根据香港QSPSC 要求，原材料的计量误差为水泥、粉煤灰、骨料、水＜2%，硅粉、外加剂＜5%。

加冰混凝土要注意冰片要有足够的融合时间，生产投料顺序为：骨料➝冰➝粉料➝水➝外加剂。

4.3 混凝土温度控制

4.3.1 温控措施

根据香港QSPSC的要求［7］，混凝土的入模温度应小于30℃，而夏天现场大气温度高达38℃，为保证混凝土入模温度满足要求，需要采取以下降温措施：⑴石料仓增加雾化器降温，砂石料温度小于30℃；⑵水泥、粉煤灰、硅粉等胶材提前进场，温度＜55℃；⑶粉料罐喷淋降温；⑷制备冷却水，水温控制低于6℃；⑸混凝土掺冰片搅拌。

一般情况下，在大气温度低于25℃时，采取措施⑴～⑷可以控制混凝土出仓温度小于30℃，在大气温度高于25℃时，需要采取加冰措施。

4.3.2 加冰施工措施

对混凝土出仓温度有强制要求的情况下，搅拌站一般必须配置制冰系统［8］。制冰系统有螺旋杆输送方式和风送输送方式2种。传统的螺旋杆输送系统对场地的布置要求较高，风送输送系统则较为灵活，对场地的要求不高。因此，根据本工程场地的具体情况，选择了风送制冰系统（见图3）。风送制冰系统主要由制冰机、储冰库、风送系统3部分组成。制冰机制作的冰片厚度约3 mm，一般需提前将冰片制好存放在储冰库中。使用时，由储冰库中的刮刀将冰片刮到缓冲仓中，经过秤量系统秤量后，由风送系统将冰片输送到搅拌站中。

图3 搅拌站制冰系统Fig.3 Mixing Station Ice Making System

根据《建筑施工计算手册（第二版）》［9］，混凝土掺冰屑拌和温度计算公式为：

式中：T0为混凝土的出仓温度（℃）；Ts、Tg为机制砂、碎石的温度（℃）；Tc、Tw为水泥、水的温度（℃）；mc为水泥的重量（kg）；ms、mg为扣除含水量的机制砂及碎石的重量（kg）；mw为水的重量（kg）；ws、wg为机制砂、碎石中水的重量（kg）；P为加冰率，为用水量的百分比（%）。

根据配合比，公式可简化为：

由上式可知：⑴各种原材料的温度对混凝土出仓温度的影响程度，最大的是碎石和砂的温度，其次是水的温度，最后是水泥的温度；⑵每增加10%的用冰量，混凝土的出仓温度可降低1.5℃左右。

5 箱梁混凝土浇筑

由于现场搅拌站的生产能力有限，梁的长度较长，总体混凝土方量大，无法采用传统的全面分层工艺进行浇筑，而采用纵向分段，斜面分层的工艺进行浇筑。混凝土浇筑布料顺序从一端向另一端推进，连续浇筑完成。过程中关键要避免混凝土冷缝的出现，新旧浇筑混凝土间隔时间控制在2 h以内。

为使混凝土保持湿润，减少后期混凝土裂缝的产生，箱梁顶面、箱内底板采用高分子养护膜养护，箱梁侧面安装自动喷淋系统，淋水养护。

6 混凝土温度监测

为验证温度应力对混凝土的影响，在箱梁横隔板处（厚度2 m）埋设温度传感器进行实时温度监测，温度传感器布置如图4所示［10］。

箱梁混凝土各中心温度的发展趋势如图5所示。

图4 温度传感器布置Fig.4 Temperature Sensor Layout

图5 箱梁混凝土各中心温度随时间变化曲线图Fig.5 Temperature Change Curve of Concrete Center of Box Girder over Time

从表9 得知，混凝土最大中心温度出现在浇筑完成后36 h 的测点3，为67.5℃，对应外表测点4 温度49.3℃，最大内外温差为18.2℃；混凝土最大外表温度出现在浇筑完成后20 h 的测点8，为52.6℃，对应环境温度30℃，最大温差22.6℃，满足规范要求。

表9 最高温测点数值统计Tab.9 Highest Temperature Measurement Point Statistics

7 结语

⑴ 在采取了上述一系列的措施，混凝土性能满足施工的要求，箱梁未出现开裂情况，C60机制砂高性能混凝土在大型预制箱梁中取得了成功的应用。

⑵ 目前国内机制砂生产工艺较为简单，生产出来的机制砂质量良莠不齐。有的设备生产的砂级配不达标，有的石粉含量过大。要选择符合要求的优质机制砂，必须考察生产厂家的综合能力，如制砂设备性能是否达标、生产工艺流程是否正常、质量控制措施是否完善等因素。

⑶ 机制砂的颗粒形状、颗粒级配、细度模数、石粉含量对混凝土的工作性能、强度、耐久性等影响较为明显。配置高强度高性能混凝土机制砂级配应选择级配区2 区级配，细度模数应控制在2.5～3.0 之间为宜，石粉含量控制在5%左右比较合适，最好不超过8%。

⑷ 南方地区夏季温度一般高达38℃以上，混凝土采取加冰措施的温控效果比较显著。

⑸ 由于机制砂与河砂各种特性差异较大，拌制的混凝土性能也有一定的区别，一般机制砂混凝土在施工早期表面失水更快，更容易出现收缩裂缝，尤其要注意加强二次抹面和及时覆盖养护。