重庆地区C50混凝土使用人工砂掺配的可行性研究

徐 艳

（铁正检测科技有限公司，山东 济南 250014）

0 引言

近年来，重庆地区基础建设进程突飞猛进，由于当地的地理特殊性，有“桥都”之称的重庆在交通建设上的投入再创新高，连续五年的大规模桥梁建设给当地带来便利的同时，也消耗了大量的自然资源。重庆合川地区汇聚渠江、涪江和嘉陵江，地质以风化砂岩、页岩和石灰岩为主，是国内著名的生态保护城市之一，尤其是对河流和空气质量的保护尤为重视。然而，在基础建设中需要的地材资源难免要就地取材，有限的自然资源面临日益减少和过度浪费的危险。尤其是天然河砂资源，属于重庆稀少资源[1]，仅有的细砂因为级配问题还需要掺配粗机制砂来使用。但是重庆地区有地方标准规定，机制砂（下文称“人工砂”）限制使用，尤其是在特殊结构物上，人工砂不允许在桥梁墩身及以上部位使用。从外地采购的天然河砂价格远超预算2 倍以上，给项目建设带来沉重负担。长远考虑，一味地从外地购买天然河砂资源不是长久之计，一旦遇到环保检查就会限采或停产，另外对带动本地经济无益。综合考虑，用人工砂替代天然河砂意义重大。

1 重庆地区砂质量简析

根据近两年的实地调查，重庆地区能够生产人工砂的材料有2 种，一是山体石灰岩，二是河卵石。石灰岩碎石厂目前在政府管控下，生产过程越来越环保，废水不许随意排放，水洗法实施困难，大部分厂家选择除尘法生产，因此，石灰岩人工砂质量不稳定，存在石粉含量超标、颗粒菱角多、母材强度偏低等问题。石灰岩人工砂通过调整配比，可以在普通低标号混凝土中使用；卵石人工砂相对来说也是稀少资源，卵石本身母材强度远高于当地石灰岩母材，而且生产厂往往靠近岸边，水资源丰富，可以满足水洗条件，而且卵石携带的泥土很少，生产出来的人工砂亚甲蓝指标更容易合格，经过水淘洗的人工砂由于颗粒间的摩擦，去掉了大部分的棱角，粒形接近天然砂。

通过各地采样和检验，依据相关国家标准要求和行业标准[2]，已经筛选出各项指标均合格的卵石人工砂，其各项指标与天然河砂非常相近，两者外观如图1和图2 所示。重庆砂质量比对见表1，Ⅱ类人工砂需满足《建设用砂》（GB/T 14684-2011）要求，如表2所示[3]。

图1 外地采购的天然河砂

图2 水洗卵石人工砂

表1 重庆地区砂质量对比

表2 Ⅱ类人工砂技术要求

2 重庆关于人工砂使用的地标和文件要求

2013 年，由重庆市交通委员会发布了关于人工砂混凝土应用技术规程。2018 年9 月，重庆市交通委员会又下发关于人工砂混凝土应用有关事项的通知。

2.1 人工砂混凝土的基本要求

由于人工砂混凝土在拌合物性能、力学性能、耐久性能等方面与天然砂混凝土有一定差异，需要在配制人工砂混凝土时，通过试验优化配合比，确定最佳的减水剂配方和掺合料掺量。关于人工砂混凝土的具体要求如下：

（1）对于C35～C50 强度等级的混凝土，配合比设计和验证工作除了常规的拌合物和易性、泌水率、坍落度损失、含气量、抗压强度及弹性模量等试验外，增加早期抗裂试验。

（2）对于C55 及以上强度等级的混凝土以及特殊结构桥梁（如悬索桥、斜拉桥、连续箱梁、拱桥等）除基础、承台及其他附属结构外的混凝土，如果全部使用人工砂，施工单位应根据工程特点、设计要求、施工工艺、施工环境等因素，通过试验对混凝土配合比进行专项论证。编制人工砂混凝土施工质量控制专项方案。专项方案须通过专家评审，并经监理单位和建设单位审查批准后方可实施。

2.2 全过程控制人工砂混凝土质量

（1）生产方面。用于生产人工砂的母岩的饱水抗压强度不应低于60MPa；用于生产C50 及以上强度等级混凝土的人工砂母岩的饱水抗压强度，应不低于80MPa。施工单位通过考察自检后，申报建设单位和监理单位，建设单位组织监理、施工单位对人工砂生产厂的生产能力、工艺设备配置、存储条件、成品质量等综合情况进行料源考核，并按照交通行业水泥混凝土用人工砂标准的要求进行人工砂型式检验，形成书面的料源考察报告。

（2）使用过程方面。项目建设、监理和施工单位必须加强对人工砂产品质量检验及人工砂混凝土施工全过程的质量管控。包括进场原材料检验，配合比设计验证性试验、专项方案（含专项论证报告）按规定报批，混凝土的拌和、运输、浇筑、振捣、养护等各个环节，未报检、检验不合格或检验结果未报监理审批同意的，一律不得批准该方案混凝土浇筑施工[4]。

可见，当地政策已经明确，人工砂允许使用在C50以下的混凝土中，而且从2018 年9 月开始，C50 及以上的混凝土中也考虑使用优质人工砂，并把特殊结构桥梁列入其中，因此，施工单位在使用前需要一系列的试验和实践成果为依据，完善各个环节质量控制措施。

3 人工砂使用方案

3.1 C50泵送混凝土配比设计

设计要求：以嘉陵江特大桥为例，C50泵送混凝土使用部位为特大桥塔柱部分，设计坍落度180～200mm，泵送最大高度140m，设计使用年限100年，属于碳化Ⅰ类环境，设计弹性模量不小于34500MPa。

材料选择：混凝土配比设计使用P·O52.5水泥，F类Ⅰ级粉煤灰，5～25mm石灰岩碎石，中粗砂，聚羧酸高性能减水剂。

配比设计：配制强度59.9MPa，水胶比0.31，胶凝材料总用量481kg/m3，粉煤灰掺量20%，砂率39%，减水剂掺量1.2%，含气量2%～4%。

3.2 人工砂替代天然砂的方案

根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）[5]和水洗人工砂特点：细度模数3.0，石粉含量2.6%，级配范围满足Ⅱ区中砂，做如下调整：

方案一：采用水洗卵石人工砂，用水量不变，增加1%砂率，粉煤灰掺量不变，水胶比减小0.01。

方案二：采用水洗卵石人工砂，水胶比不变，增加用水量5kg，粉煤灰掺量降低5%，增加1%砂率。

具体方案数据见表3。

表3 人工砂混凝土配合比调整方案

经对比试验，确定方案一和方案二均能满足设计和使用要求，混凝土和易性良好，无早期裂纹。选定配比方案可根据人工砂实际特点和拌合物性能要求进行选择。

4 试验成果

C50泵送混凝土拌合物和易性良好，泵送高度70m以上，无离析泌水现象，脱模后的混凝土表面平滑，保持7d 养护后，实体表面无早期裂纹等缺陷，整体外观无明显差异，如图3和图4所示。

图3 天然河砂混凝土实体外观

图4 水洗人工砂混凝土实体外观

5 经济效益分析

当地卵石资源比较丰富，价格适中，可考虑自建制砂厂或购买当地优质人工砂。建厂直接费用按280 万元计算，其他直接费用占原材料价格的40%左右，其中包括设备折旧费占10%，设备配件耗材费占5%，油、电费占8%，水费占0.5%，人工成本30万元/a，税费占6%，环保安全投入占5%，材料运费20 元/m3，其他费用占2%等。按照年产量15 万m3，工期2 年，卵石母材价格55元/t，综合单价计算见表4。

表4 自建人工砂厂综合单价计算

例如，采购天然河砂价格280 元/m3，购买水洗人工砂价格220元/m3，按照16万m3C50混凝土计算，需要细集料约7.7万m3，按方案一调整混凝土配合比，分别计算混凝土单价，采用自建人工砂厂节省成本约1913万元；采用购买人工砂节省成本约485万元。需注意，该数据仅供参考，计算以实际为准。

6 结束语

人工砂替代天然中粗砂是未来混凝土生产的必然趋势，选择优质的人工砂，通过试验调整混凝土配合比可以达到设计使用要求，而且经济效益比较可观。当然，在生产环节要严格依据相关规范、标准的要求，从源头开始把关，过程控制严谨，加强成品材料检测，在人工砂质量可控的前提下，用水洗人工砂替代C50 混凝土中天然中粗砂能达到预期目标。