机制砂在公路桥梁混凝土中的试验及其应用

谢燕妮

（中铁二十三局集团第三工程有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

砂每年有着非常大的使用量，在混凝土的组成材料中，占有很高的一部分比例。如今，公路桥梁混凝土中经常使用的砂有两种，分别是机制砂和天然砂。机制砂就是将岩石多次破碎、逐次筛选得到的建筑材料。而天然砂是可以直接开采使用的一种砂，但却是一种不可再生的资源，而且如果过度开采还会造成水土流失，导致自然环境破坏。因此，公路桥梁混凝土适合用机制砂代替天然砂。但是机制砂比天然砂棱角性更强，级配范围更广，更易出现断档现象，虽然进一步提高了混凝土的强度，但是，会导致和易性降低[1]。因此，为了将机制砂在公路桥梁混凝土中的使用质量进一步提高，相关工作人员应该在试验路段，分析使用不同的机制砂级配以及岩石类型混凝土的施工状况，进一步探讨机制砂级配和岩石种类对公路桥桥梁混凝土施工的影响，为公路桥梁的施工质量提供更好的保障。

1 絮凝剂对混凝土性能影响

根据《建设用砂》（GB/T 14684—2011）规定，机制砂MB 值≤1.4 或快速法试验合格时，石粉含量最多不能超过10%，为了使生产的产品符合相关规定，机制砂通常需要经过水洗才能使用。而水洗过程中会产生大量的污水，为提升污水回收利用率，通常在制砂污水中加入具有较长线性结构的高分子化合物（絮凝剂），这些高分子化合物在水中溶解、充分伸展，长链上多个活性基团可同时黏附多个颗粒，使颗粒之间相互靠近，形成较大的絮团（絮凝），达到强化过滤与分离的目的。将分离得到的澄清液重新用于洗砂时，会在机制砂中引入一定量的絮凝剂，对使用机制砂的混凝土性能造成影响。目前，针对不同类型絮凝剂絮凝效果研究及对混凝土造成的影响，行业中相关研究较为缺乏。对絮凝剂加入对混凝土性能的影响进行研究，以指导絮凝剂在机制砂混凝土的应用及新型机制砂絮凝剂的开发。

1.1 原材料

试验采用红狮牌P·O42.5R 水泥。聚羧酸减水剂：含固量20%，科之杰新材料集团有限公司生产。聚丙烯酰胺（PAM）絮凝剂：阴离子型絮凝剂分子量为500 万、1200 万和2000 万；非离子型絮凝剂分子量为2000 万，阳离子型絮凝剂分子量为1000 万和2000 万。

1.2 试验方法

采用机制砂进行水洗2 遍后得到的泥水作为浊液进行絮凝效果测试，测定加入絮凝剂前上清液的吸光度A0。加入絮凝剂，搅拌10min 后静置2min，吸取上清液测定其吸光度A1。将浊液放入量筒中，测试絮团与上清液的界面从量筒220mL 刻度下降至120mL 刻度的时间t。

水泥净浆流动度按照《混凝土外加剂匀质性试验方法》（GB/T 8077—2012）中的方法测定，水灰比为0.29。新拌混凝土性能试验方法参照《混凝土外加剂》（GB 8076—2008）、《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）进行[2]，絮凝剂采用外掺方法加入，测试新拌混凝土初始坍落度、扩展度、1h 损失后混凝土的坍落度和扩展度，以及7d 和28d 抗压强度。

1.3 试验结果与讨论

选用分子量相同、不同类型的聚丙烯酰胺絮凝剂X-3、X-4 和X-6，加入混凝土中测试混凝土的初始及1h 坍落度、扩展度，以及7d 和28d 抗压强度，测试结果如表1 所示。

表1 絮凝剂混凝土试验结果

从表1 中坍落度和扩展度数据中可以看出，加入0.100%不同类型PAM 絮凝剂后，混凝土的初始坍落度、扩展度和1h 坍落度、扩展度均下降，说明加入絮凝剂会对混凝土的和易性造成一定负面影响。其中，加入非离子絮凝剂对混凝土的初始坍落度和扩展度影响最大，初始坍落度下降17.4%，初始扩展度下降17.5%，说明非离子絮凝剂的加入对混凝土和易性较为不利；阴离子和阳离子絮凝剂对混凝土初始和易性影响近似，但是加入阳离子絮凝剂的混凝土1h 坍落度损失为10.8%，对混凝土工作性能影响较大。比较3 种类型絮凝剂，阴离子型PAM 类絮凝剂对混凝土和易性影响最小[3]。

从表1 中强度数据中可以发现，加入不同类型PAM 絮凝剂后混凝土的7d 和28d 抗压强度均有所下降，7d 强度相较28d 强度下降幅度大，说明加入絮凝剂对混凝土的早强强度影响大于对后期强度的影响。加入非离子絮凝剂对混凝土的强度影响最小，7d 和28d的抗压强度分别为空白组的93.9%和94.7%。比较3 种类型絮凝剂，非离子型PAM 类絮凝剂对混凝土强度影响最小。综上得出结论，水洗机制砂中含有任何一种离子型絮凝剂，均会对混凝土和易性、强度、耐久性及施工有一定的影响。因此在施工过程中应严格控制絮凝剂含量。

2 机制砂在公路桥梁混凝土中的试验实例分析

2.1 工程概况

某项目为四川省高速公路工程项目，其中涉及跨桥子工程，主线按双向六车道高速公路标准建设，设计行车速度100km/h，路基宽度33.5m，路线全长20.193km；主线除控制性工程桥梁采用钢箱梁斜拉桥结构外，其他桥梁总体结构设计为预应力混凝土连续T梁（30m），设计基准期为100 年，汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，适用环境类别为Ⅱ类；本项目A5 合同段作为独立预制标，承担全线所有T 梁共2232 片的预制、架设及桥梁上部调平结构的施工任务，随着国家环保新政的实施以及全国基础建设投资规模的迅速扩大，全国范围内建筑用砂供需矛盾日趋突出，河砂出现资源制限、供应紧张且品质下降等背景，决定运用机制砂作为水泥混凝土细集料使用于本工程。

2.2 本项目拟使用的机制砂和混凝土原材料产地及规格

（1）机制砂。拟使用的机制砂为本项目A2 合同段主线隧道洞渣（凝灰岩）Ⅱ、Ⅲ级围岩经机械破碎加工的机制砂，规格为Ⅱ类；通过对机制砂的主要技术指标进行了检测，结果均符合规范《公路工程 水泥混凝土用机制砂》（JT/T 819—2011）以及《建设用砂》（GB/T 14684—2011）中Ⅱ类机制砂的技术要求[4]，其余指标经自检及第三方抽检试验结果均符合规范要求，结果如表2 所示。

表2 结果统计

（2）碎石：采石场生产4.75～19mm 连续级配碎石，掺配比例为（粒径4.75～9.5mm）∶（粒径9.5～19mm）=1:9。

（3）水泥：海螺水泥有限责任公司，规格P.Ⅱ52.5。

（4）掺合料：F 类Ⅱ级粉煤灰、S95 级矿渣粉。

（5）外加剂：YK-A 聚羧酸高性能减水剂。

（6）水：村可饮用水。

2.3 机制砂混凝土配合比设计

根据公路通道工程设计图纸要求，所有T 梁（主梁、横隔板、湿接缝、调平层）均采用C50 混凝土浇筑，其中主梁梁体混凝土耐久性要求：最大水胶比0.45，最小水泥用量350kg/m3（当掺用外加剂且能有效改善混凝土和易性时，水泥用量可减少15kg/m3），最大氯离子含量0.06%，最大碱含量2.3kg/m3，混凝土的28d 抗压弹性模量Ec=3.45×104MPa；粉煤灰掺量（%）：依据《粉煤灰混凝土应用技术规范》（GB/T 50146—2014）及《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）中粉煤灰最大掺量规定，粉煤灰的掺量为12%，影响系数取值为0.87、矿渣粉掺量为8%，影响系数取值为1.0，外加剂掺量为1.4%，混凝土含气量为1.3%，减水率为28%；结合《公路工程水泥混凝土用机制砂》（JT/T 819—2011）、《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476—2008）、《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）等相关现行规范标准规程进行配比[5]。C50 混凝土T 梁每立方米混凝土材料用量（kg）理论配合比如表3 所示。

表3 机制砂混凝土理论配合比

A5 合同段对A2 合同段生产的机制砂进行了多次试验，确定该机制砂的细度模数为2.8～3.3，累计筛余符合Ⅱ类机制砂级配范围要求。其间还会同外加剂厂家对机制砂配合比进行了多次试拌，通过提高砂率、适当增加减水剂掺量进行优化和调试，优化后混凝土坍落度为195mm、扩展度为535mm、砂率为43%、水胶比为0.32%、减水剂掺量为1.4%、容重为2510kg/m3、流动性、粘聚性和保水性均符合规范及设计施工要求，且不泌水、不板结，故最终确定。

C50 混凝土T 梁每立方米混凝土材料用量（kg）试验配合比如4 表所示。

表4 机制砂混凝土试验配合比

2.4 配合比参数对混凝土拌制浇捣梁体与张拉压浆

本项目T 梁混凝土拌和方式：采用水泥混凝土拌和楼集成强制式搅拌机，配料为自动称量系统，运输方式采用混凝土罐车运输；鉴于机制砂的特性粒形规则、表面粗糙、棱片状较多，原材料经进场每批量报验合格，通过试验检测石粉含量约占机制砂的5%；为符合混凝土和易性要求，所以用机制砂配制的混凝土搅拌时间比河砂要控制相应延长15～30s，T 梁混凝土浇筑振捣时间也要做相应延长10～15s，外加剂采用后掺法时间也相应延长15～25s，主要目的能使混凝土搅拌充分、质量更均匀密实、混凝土和易性能得到更好保障。

2.5 机制砂C50 混凝土和易性能及耐久性试验

机制砂混凝土含气量测试：在正常室温情况下（温度为21℃），经过仔细观察和多次试验，1h 混凝土坍落度无损失，没有明显泌水、抓地现象且翻拌后流动性良好，能满足现场施工要求。试验梁混凝土抗渗性能，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准》（GB/T 50082—2009）规程检测，所检项目符合设计要求[6]。

3 结语

综上所述，在当前的各类施工过程中，机制砂混凝土的应用越来越广泛，特别是在公路桥梁混凝中应用机制砂，可以最大限度满足用砂性能等相关指标。因此，对于机制砂的生产加工技术要更加重视，要进一步提高机制砂生产加工的质量，使其性能和质量得到更显著的提升，从而让机制砂在公路桥梁工程施工的过程中得到更加良好的应用。要从公路桥梁工程具体实施的情况出发，选取更加科学、合理的施工方案，以此充分满足公路桥梁混凝土的质量要求和相关标准，以及最大限度满足相对应的质量标准和技术规范，进一步提升公路桥梁工程的质量，延长公路桥梁的使用时间。