花岗岩机制砂在高速公路中的应用研究

梁德兴　青志刚

摘要：为推广花岗岩机制砂在高速公路中的应用，文章对比研究了花岗岩和石灰岩原材特性及混凝土各项性能。试验结果表明：花岗岩母材强度高，压碎值也相对较大，快速法检测MB值不合格，应用中需严格控制其石粉含量;在现有条件下，花岗岩与石灰岩混合砂是解决花岗岩机制砂在中等标号混凝土应用问题的一个有效途径。

关键词：花岗岩机制砂;MB值;压碎值;石粉含量;混合砂

0 引言

近十年来广西高速公路发展进入快车道，截至2019年年底，全区高速公路里程突破6 000 km，全区111个县（区）已有102个通高速公路，县县通高速公路率为92%。根据《广西高速公路网规划（2018—2030年）》，至2030年广西高速公路总里程将达1.52万km，计划新建高速公路8 000 km，短期内大规模的建设对砂石等材料的供应造成很大压力。广西矿石资源丰富，这为机制砂的加工提供了物质基础，现今机制砂的应用已然普遍，但广西地区高速公路对花岗岩的应用报道较少。本文依托新柳南高速公路项目，重点研究了花岗岩机制砂对混凝土的工作性能和力学性能影响，为该项目及今后项目如何使用花岗岩机制砂提供技术参考。

1 花岗岩与石灰岩碎石和机制砂的对比研究

以石灰岩为参照物，选取相关石场花岗岩碎石和机制砂作为研究对象，各石场母材、碎石和机制砂各项技术指标试验结果如表1、表2所示。

表1显示，各花岗岩石场母材强度较高，均超过120 MPa，超过石灰岩母材强度20%以上。但从压碎值试验结果来看，花岗岩碎石却明显大于石灰岩碎石，在碎石压碎值Ⅱ级20%的界限点上下。可见碎石压碎值不仅仅取决于母材的抗压强度，还与其他因素如二次破碎的机械作用、碎石颗粒形状、针片状含量等有关[1]。影响压碎值大小的其他因素在机制砂上面有更明显的体现，从表2中可以看出，花岗岩机制砂压碎值均大幅超过规范压碎值Ⅲ级30%的界限，笔者认为这与花岗岩在加工过程中剥落的软弱颗粒，如云母等有很大的关联。试验中的5个机制砂样品，对比S1、S2，可以看出石粉含量对石灰岩MB值大小几乎无影响;对比S2、S3、S4、S5这4个机制砂样品石粉含量均大于现行国标规范10%的限值，其中3个花岗岩机制砂MB值均不合格。可见MB值虽然可以反映石粉的吸附特性，但与母岩的矿物成分相关，MB值大小不能等同于石粉含量多少[2-3]。可以确定的是，MB值不合格的机制砂必须要严控石粉含量，国标对该类机制砂石粉含量也做了明确规定。

2 混凝土的配制与试验结果分析

2.1 配合比设计思路和试验方法

本次试验选用C30强度等级的混凝土配合比作为研究对象，按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）进行设计，按两阶段进行配合比设计：（1）采用石灰岩机制砂，对比研究花岗岩碎石与石灰岩碎石对混凝土性能影响;（2）采用花岗岩碎石，对比研究了花岗岩机制砂和花岗岩、石灰岩混合砂对混凝土性能影响，并选择工作性能和力学性能均满足要求的优化配合比指导现场施工。各阶段混凝土设计配合比如表3所示。

[HT11.ZDX]2.2 不同岩性碎石及机制砂对混凝土性能影响分析

混凝土的工作性能和力学性能如表4所示。

在第一阶段配合比设计和试验过程中，控制初始坍落度保持基本相同。从表3和表4可以看出，花岗岩碎石比石灰岩碎石需水量稍大，二者在工作性能上拌和物坍落度损失相差不大，硬化后混凝土力学性能上表现也类似，但花岗岩混凝土的7 d、28 d强度相对偏低。可见，决定C30混凝土强度的决定因素是水胶比和胶凝材料用量。从对混凝土破碎试件的观察来看，主要表现为水泥基体与碎石胶结面处破坏，碎石基本无破碎，这也从侧面印证了母岩强度和压碎值的大小对中低标号混凝土强度影响不大。

第二阶段配合比设计采用产量较大的三工区花岗岩碎石，分别研究了不同石场花岗岩机制砂、花岗岩和石灰岩混合砂对混凝土各项性能的影响。保持其他因素不变，通过调整减水剂掺量来实现初始坍落度保持一致。与石灰岩机制砂相比，花岗岩机制砂需水量较大，导致相同用水量情况下，外加剂掺量大大增加。而不同石场的机制砂需水量也不相同，这与母岩矿物成分和加工工艺有关。从工作性能来看，混凝土拌和物坍落度从30 min开始损失，1 h后损失加大，90 min后混凝土几乎无流动性;从强度表现来看，混凝土早期强度较低，28 d强度增长5～7 MPa，56 d强度仍然有4 MPa以上的增长。由此可见，花岗岩机制砂，特别是石粉对混凝土的工作性能和浆体与骨料的胶结性能均有较大影响。

为此，需要继续优化配合比来控制混凝土的用水量，混合砂是个很好的选择。试验结果表明，混合砂中随着花岗岩机制砂比例的逐渐增大，外加剂掺量呈递增趋势。花岗岩机制砂比例在30%以内时，90 min混凝土坍落度损失较小，现场施工不受影响;当花岗岩机制砂比例超过50%时，1 h后坍落度损失加大，90 min后混凝土流动性很差。从强度表现来看，花岗岩机制砂比例越高，早期强度越低，但56 d强度增长越多。

3 工程应用

试验选取花岗岩机制砂和石灰岩机制砂各占50%的G4S550配合比作为墩柱生产配合比，并对混凝土的浇筑和半年内混凝土的回弹强度及碳化深度进行跟踪。从整理的试验数据来看，各项指标均符合技术要求。在高速公路施工中，C30及以下强度等级混凝土采用花岗岩机制砂混凝土施工，应用效果良好，也减少了对外购砂石的依赖，在保证工程质量的前提下，为项目节省成本、创造利润，赢得了良好的社会效益。

4 结语

（1）与石灰岩相比，花岗岩母岩抗压强度较高，但花岗岩压碎值也比石灰岩大。

（2）在石粉含量相近条件下，花岗岩机制砂MB值表现为不合格，而石灰岩机制砂MB值合格，且石粉含量多少对其影响不大。

（3）花岗岩机制砂中石粉含有大量的软弱颗粒，如云母等对混凝土的工作性能和力学性能均有较大的影响，必须对花岗岩中的石粉含量加以严格限制。

（4）与石灰岩相比，花岗岩碎石需水量略大，但花岗岩机制砂需水量大，混凝土浆体与骨料的胶结性能较差，导致其早期强度低，强度增长缓慢，但28 d后强度仍有所增长，建议在使用过程中观察其56 d强度。

（5）混合砂是解决花岗岩机制砂应用的有效途径，它可以很好地改善混凝土的工作性能和力学性能。但在应用和生产过程中，应根据花岗岩机制砂的石粉含量及时调整混合砂的比例和外加剂掺量，才能起到很好的效果。

参考文献：

[1]祝 明.广西地区石灰岩碎石压碎值特性及对混凝土抗压强度的影响[D].长沙：长沙理工大学，2012.

[2]岳海军.机制砂的岩性与级配对混凝土性能的影响研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[3]李晓光，裴秀卫，刘谨谨.不同类型机制砂中粉体种类及含量对MB值的影响[J].施工技術，2019，8（4）：109-113.