凝灰岩机制砂在高标号混凝土中的应用

张森林,肖建业

（中交二公局东萌工程有限公司,陕西 西安 710119）

0 前言

混凝土作为目前我国用量最大的建筑材料，砂的用量与日俱增，而天然砂在短时间不可能再生，供应早已跟不上工程建设的需要。我国不少地区由于过度开采已经出现了天然砂资源匮乏的现象，市场内河砂以次充好，质量越来越差。随着我国各类建设工程规模的加大、速度的加快，建筑砂问题成为难题，针对这一难题，国内外专家学者提出了以机制砂取代天然砂的解决方案[1]。利用工程中符合要求的开挖弃石方制作机制砂，不仅质量稳定，节约大量成本，还能减少弃方占用土地，符合绿色公路理念。

1 工程概况

太下线儒岙至常台高速双彩道口段改造工程位于浙江省绍兴市新昌县儒岙镇境内。该项目高标号混凝土为C50 混凝土预制预应力T 梁，其中30 m 预制T 梁185 片，20 m 预制矮T 梁60 片，C50 混凝土约8 500 m3，挖土石方总量约为56.5 万m3，填土石方总量约22.6 万m3，弃方约18.8 万m3，岩石种类主要为凝灰岩，经试验检测其抗压强度为110～160 MPa 之间，根据《公路桥涵施工技术规范》[2]（JTG/T3650—2020）岩石的抗压强度不小于1.5 倍混凝土强度的规定，加工的机制砂具备配置C50 高标号混凝土条件。

该项目地区受环保政策影响，周边河砂料场因手续不全大量关停，加之周边工程大量建设，天然河砂量少价高且质量不稳定，市场内大量海砂淡化后充当天然河砂，严重影响项目工程建设质量及进度，土方工程弃土石方还浪费大量土地，增加工程用地成本，不符合环保要求。

2 试验研究

采用自制合格的凝灰岩机制砂按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[3]（GB/T 50080—2016）和《普通混凝土配合比设计规程》[4]（JGJ55—2011）要求，经项目工地试验室室内试拌调整，并经监理工地试验室验证确定C50 混凝土配合比为水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶减水剂∶矿粉=360 ∶756 ∶1 044 ∶75 ∶8 ∶65，水胶比0.3。

高标号混凝土工作性能主要体现在强度、保水性、黏聚性与流动性等方面。通过高标号混凝土配置对比试验，探讨凝灰岩机制砂在不同石粉含量、细度模数及亚甲蓝（MB）值分别配置高标号混凝土的实际工作性能影响规律，同时对比分析凝灰岩机制砂与天然河砂配制高标号混凝土的性能差距，确定凝灰岩机制砂拌和C50 混凝土的相关指标检测区间，已指导后续工程施工。

2.1 凝灰岩机制砂的制备

凝灰岩机制砂采用水洗法加工自产，加工母岩选用工程弃石方抗压强度为110～160 MPa 之间的凝灰岩，制砂生产线主要有岩石母料破碎系统、制砂机、洗砂池、沉淀池等设备设施。水法加工的机制砂经筛选、水洗能有效控制机制砂石粉含量及含泥量，确保机制砂加工质量稳定。

加工成品凝灰岩机制砂随机取料3 批次，经工地试验室进行级配筛分等试验检测，检测石粉含量小于等于10%，细度模数2.3～3.0，亚甲蓝（MB）值小于1.0，级配等均符合《公路工程集料试验规程》[5]（JTG E42—2005）相关参数要求，见表1、图1。

图1 凝灰岩机制砂级配曲线

表1 凝灰岩机制砂检测结果

2.2 石粉含量对凝灰岩机制砂C50 混凝土强度及性能影响

选用经工地试验室筛分试验检测石粉含量为3.4%、5.7%、8.1%、10% 的自产机制砂进行同配比、同条件拌和配置C50 混凝土，观察拌和过程及30 min 后混凝土状态，并分别在工地试验室采用2000 型微机伺服压力试验机检测7 d、14 d、28 d 混凝土抗压强度，实际强度及性能见表2、表3。

表2 凝灰岩机制砂不同石粉含量对C50 混凝土工作性能对比

表3 石粉含量对所配置C50 混凝土强度的影响

由表2 可知，拌和C50 混凝土中机制砂中的石粉含量从3.4%增加到10%，所配置的C50 混凝土塌落度逐步增大，分析其原因为随着石粉含量的增加，可以对机制砂本身伴有的粗糙表面和尖锐棱角形状特征进行有效弥补，减少了机制砂之间的摩擦，石粉含量越高，同样配比和拌和条件下塌落度越大。

由表2 可知，自产的凝灰岩机制砂中的石粉含量从3.4%增加到10%，所配置的C50 混凝土的保水性、黏聚性等工作性能表现在8.1%时达到最好状态。在石粉含量相对较低时，配置的C50 混凝土的保水性、黏聚性等工作性能非常差，并且还出现离析现象。而在石粉含量控制在8.1%时可以使所配置的C50 混凝土拥有较好的黏聚性和保水性，基本上不会出现离析泌水现象。当石粉含量10%时配置的C50 混凝土黏聚性优良，但混凝土中石粉含量过高，随着时间增加大量吸水，流动性和保水性等工作性能明显变差。

由表3 可知，随着机制砂中石粉含量从5.7%～10%逐步变化，所拌和的C50 混凝土7 d、14 d 和28 d 试块抗压强度变化趋势和石粉含量变化趋势基本保持一致。在5.7%时，7 d、14 d、28 d 对应的抗压强度达到最低值，在10%时，7 d、14 d、28 d 对应的抗压强度达到最高值。在机制砂按照配合比拌和的C50 混凝土中，除机制砂石粉含量变化，其他材料保持不变的基础上，通过增加机制砂石粉含量可以提高所配置C50 混凝土的抗压强度。由于石粉粒径较小，可以填充混凝土孔隙，随着石粉含量的增加，混凝土孔隙率降低，使混凝土密实度增加，最终增加了其强度，同时机制砂中石粉含量越多，其拌和的C50 混凝土吸水能力变强，流动性及保水性等性能变差。

2.3 细度模数对凝灰岩机制砂高标号混凝土工作性能的影响

选用经试验检测细度模数为2.55、2.76、2.93 的自产机制砂拌和配置C50 混凝土，来探讨机制砂细度模数对所配置混凝土工作性能的影响情况，见表4。

表4 细度模数对所配置C50 混凝土工作性能的影响

由表4 可知，凝灰岩机制砂细度模数的大小直接影响所配置混凝土的塌落度，反映了不同凝灰岩机制砂配置的C50 混凝土具有不同的和易性，当细度模数为2.76时配置的C50 混凝土具有更好的和易性。分析其原因为机制砂细度模数越小，表明其粉含量越高，同样吸水率越高，拌和混凝土和易性越差。机制砂细度模数越大表明其粗砂较多，拌和混凝土流动性变差，表现为和易性越差。

2.4 亚甲蓝（MB）值对凝灰岩机制砂高标号混凝土性能的影响

选用经试验检测亚甲蓝（MB）为0.8、1.0、1.4、2.5、3.2 的自产机制砂进行C50 混凝土进行拌和配置，探讨机制砂亚甲蓝（MB）值对配置混凝土性能的影响，见表5。

表5 亚甲蓝（MB）值对多配置C50 混凝土工作性能的影响

由表5 可知，随着凝灰岩机制砂亚甲蓝（MB）值的增加，对应拌和C50 混凝土塌落度逐渐减小，主要由于随着亚甲蓝（MB）值的增加表明对应机制砂中的泥粉含量增多，对水和减水剂吸附能力变强，降低黏聚性和流动性等工作性能，同时强度降低，亚甲蓝（MB）值超过1.4，拌和的混凝土抗压强度达不到工地试验室适配C50混凝土强度59.5。

2.5 凝灰岩机制砂与天然河砂配制高标号混凝土性能对比

为更了解凝灰岩机制砂和天然河砂的性能差距，在拌和配比等条件一致、级配符合要求的情况下，分别采用自产自制工作性能最好的凝灰岩机制砂（含粉量8.1%，亚甲蓝值1.0，细度模数2.76）与河砂（含泥量0.8%）拌和C50 混凝土进行试验对比。观察拌和过程及30 min 后混凝土状态，分别进行了塌落度、黏聚性和保水性等工作性能试验检测对比，同时对比试验试块按照同条件标准养护7 d、14 d、28 d 分别在工地试验室采用2000 型微机伺服压力试验机进行强度试验检测。其试验结果见表6。

表6 机制砂与当地砂拌制混凝土性能对比

由于天然河砂经河水长时间侵蚀、相互碰撞摩擦，失去不规则的棱角，较为圆滑，配置的C50 混凝土黏聚性、保水性、和易性等工作性能良好。凝灰岩机制砂经破碎生产，其棱角分明，棱角相互咬合，在石粉含量大于8.1时，其缝隙由石粉填充密实，拌和的C50 混凝土有更好的抗压强度，保水性、和易性等工作性能和天然河砂相当，黏聚性方面相差不大。

2.6 试验结论

由上述试验和数据分析可知：

（1）凝灰岩机制砂各方面工作性能在石粉含量为8.1%时性能最好，石粉含量在5.7%～10%时可施工拌和高标号混凝土。

（2）凝灰岩机制砂细度模数在2.76 时混凝土和易性最好，细度模数在2.55～2.93 时可施工拌和高标号混凝土。

（3）凝灰岩机制砂工作性能在亚甲蓝值（MB）1.0时混凝土工作性能最好，小于1.4 时可拌和高标号混凝土。

（4）合格的凝灰岩机制砂配置的C50 高强混凝土强度高于河砂强度，且状态相当。

综上所述，凝灰岩机制砂的石粉含量、细度模数、亚甲蓝值等检测指标在上述合理区间内，其拌和混凝土各方面性能与合格的天然河砂相当，其抗压强度甚至优于天然河砂，自产的凝灰岩机制砂具备应用价值，能用于工程实体建设。

3 总结

通过各方面试验检测数据对比分析，凝灰岩机制砂相关指标在符合要求的合理区间具备良好的工作性能，能用于工程实体高标号混凝土施工。目前太下线儒岙至常台高速双彩道口段改造工程桥梁施工基本结束，凝灰岩机制砂配置拌和的高标号混凝土经实体工程检验其性能各方面基本和天然河砂相当，其混凝土强度表现优于天然河砂。凝灰岩机制砂的成功利用，实现了变废为宝，为项目节约大量砂外购成本，减少了原材料不稳定对施工质量和进度的影响。同时减少项目弃方及弃土场建设，少占用土地，节省项目征地成本，符合绿色公路理念。目前天然河砂接近枯竭，水洗后自产凝灰岩机制砂量大、质量稳定，用于制备高标号混凝土能创造较大的社会和经济效益，能为同类工程提供借鉴，具有较好的推广价值。