机制砂在靖那高速混凝土工程的应用

吕世明 麦伟雄 胡国祥

(1.广东省长大公路工程有限公司,广东广州 511431;2.武汉工程大学,湖北武汉 430073)

机制砂在靖那高速混凝土工程的应用

吕世明1麦伟雄1胡国祥2

(1.广东省长大公路工程有限公司,广东广州 511431;2.武汉工程大学,湖北武汉 430073)

以广西靖西-那坡高速公路第二合同段混凝土工程为背景,对比了机制砂与普通河砂混凝土的配合比、强度、施工性及工程质量,并对比了两种砂配制的混凝土的技术经济性。

靖那高速 机制砂 配合比 经济性分析

本文以广东长大公司承建的广西靖西-那坡高速公路第二合同段为依托，进行了机制砂混凝土的工程应用试验和推广工作。靖那第二合同段位于靖西和那坡县境内，起点位于靖西县安德镇堪怀村，与第一合同段终点K44+913.412相接，经安德镇坡荷乡，止于坡荷乡岩信K69+900，路线全长24.987km，隧道共6座，单洞长度14302米。项目处于典型的喀斯特地区，河砂资源严重匮乏。河砂必须从100多公里外运购买，每方到场价达165元以上，大大增加了混凝土工程的材料成本。本项目充分利用地材资源，通过利用隧道开挖施工产生的洞渣，生产合格的机制砂替代河砂，既可以解决隧道洞渣的堆放问题，通过碎石和石屑的复合投料消纳了碎石生产过程中的石屑，又能在保证工程质量的前提下大大降低混凝土的成本。对比了机制砂与普通河砂混凝土的配合比、强度、施工性及工程质量，并对比了两种砂配制的混凝土的技术经济性。

1 机制砂混凝土配合比

1.1 机制砂混凝土与河砂混凝土强度对比

在工程建设初期，由于建设方关于机制砂是否能在工程中应用没有明确的意见，靖那高速第二合同段项目部实验室采用天然砂进行了配合比设计，配合比设计以项目部实际采用的碎石、天然河砂、水泥以及外加剂为原材料进行。表1是采用河砂配制的各强度等级混凝土的配合比以及其工作性与强度试验结果。

针对那坡当地河砂资源匮乏，河砂运费高昂的现状，利用当地石场的原石或者是项目部隧道工程废石进行了联产碎石机制砂的试验，形成了机制砂生产工艺，并和采用武汉理工大学联合提出一种复合投料的方法，对机制砂的级配进行了改善，细度模数在2.8～3.0之间。课题组采用这种级配优化后的机制砂和与河砂混凝土相同的其他原材料，进行了各种强度等级的混凝土配合比设计。其配比和试验结果见表2。

表1 靖那高速二标河砂混凝土配合比

表2 机制砂混凝土配合比

表4 C20机制砂混凝土强度汇总

原材料：水泥：右江牌P.O42.5；细集料：黑水河中砂；粗集料：C15、C20、C25、C30普通混凝土碎石规格为大石16～31.5mm和小石5～16mm，C25防水、C30水下、C40、C50混凝土碎石规格为大石16～26.5mm和小石5～16mm；外加剂：信江牌XJ-JS聚羧酸高性能减水剂。

原材料：水泥：右江牌P.O42.5；细集料：果乱石场机制砂；粗集料：C15、C20、C25、C30普通混凝土碎石规格为大石16～31.5mm和小石5～16mm，C25防水、C30水下、C40、C50混凝土碎石规格为大石16～26.5mm和小石5～16mm；外加剂：信江牌XJ-JS聚羧酸高性能减水剂。

表5 C25防水、C25机制砂混凝土强度汇总

表6 C30机制砂混凝土强度汇总

表7 各标号机制砂混凝土回弹强度

表8 各标号机制砂混凝土芯样强度

表9 河砂与机制砂混凝土经济性对比

对比两种砂配制的混凝土可以看出：在配制相同用途和强度等级的混凝土时，在保证工作性都能满足设计要求的前提下，低强度等级的机制砂混凝土的坍落度提高比较大，对高强度等级的混凝土，两者的坍落度基本相同，对流动性比较高的水下混凝土则略有减少。这是因为对于强度比较低的混凝土，由于水泥用量较低，适当提高其坍落度可以保证混凝土振捣过程中容易密实，便于施工。由于机制砂混凝土中含有机制砂带入的石粉，在低强度等级的混凝土中由于胶凝材料用量小，石粉可以起到一定的填料作用，虽然也提高了混凝土的需水量，但强度仍满足要求。在高强和高流动性的混凝土中，富余浆体比较丰富，保证和河砂混凝土相似的坍落度则可以具有更好的密实性能。

在水泥用量不过多增加甚至有所减少的前提下，除C30水下混凝土和C50混凝土外机制砂混凝土的砂率都有一定的高，这是因为机制砂混凝土棱角性比较强，细度模数较大，适当提高砂率可以改善混凝土的工作性，但在水泥用量大，浆体体积比较高的高强和高流态混凝土，或者是本身砂率大于40%的混凝土，则不需要过高的提高机制砂混凝土的砂率。

采用机制砂后，在工作性有所改善的前提下，机制砂低强度混凝土的水灰比有所提高，是因为机制砂带入了一定的石粉含量，提高了混合料的需水量，而对于水泥用量比较高的高强或高流态的混凝土，石粉的掺入进一步改善了流动性，在砂率优化后水灰比并没有相应的提高，仍然可以达到相近甚至更好的工作性。

该项目计的机制砂混凝土的7天和28天强度大多和河砂混凝土相比大多有所提高，特别是中高强度等级的混凝土提高更为明显。这也进一步证明，只要经过精心设计，机制砂混凝土比常用的河砂混凝土强度在相似的条件下可以有明显的提高。

图1 采用河砂施工的结构物

图2 采用机制砂施工的结构物

2 机制砂混凝土工程质量检测情况

2.1 机制砂混凝土现场制件强度

采用机制砂生产混凝土并不需要特殊的设备和特别的施工工艺，只需要适当延长拌合时间10%左右即可保证拌合均匀性。由于机制砂中有一定的石粉、机制砂有一定的棱角性，振捣后流动性显著改善，振捣时间则宜减少20-30%。机制砂混凝土的现场拌和样的坍落度、坍落度损失和普通河沙混凝土趋势基本一致，主要受外加剂质量控制。通过对依托工程中各标号机制砂混凝土的应用情况资料的收集、整理发现：不同部位的各标号机制砂混凝土的实际强度与相应的试配强度相差不大。实验配制的机制砂混凝土强度都存在一定的富余，故各标号机制砂混凝土在实际工程应用中都表现出了良好的性能。各强度等级的机制砂混凝土强度汇总见表3、4、5和6。

通过大量的试验检测数据，可以看出各部位C15标号机制砂混凝土的平均强度都比试配强度要高，平均强度在22MPa以上。这表明C15标号的机制砂混凝土的强度完全能够达到要求，并有一定的强度富余。

通过表4、5、6三个表格的数据可以看出：各相应标号的机制砂混凝土实测的强度都会比相应试配强度略低，低于范围在1～2MPa之间，但是仍然可以达到设计的强度的要求。实验室在进行机制砂混凝土配合比设计的时候，为了更好的拥有稳定的强度表现，而选择了有一定量强度富余的配比。实际应用中的机制砂混凝土的强度虽然略低于试配强度，但是由于具有一定的强度富余，C20、C25、C25防水和C30标号的机制砂混凝土也能很好的满足施工要求。各级机制砂混凝土工程的实测强度都达到了强度指标并仍有一定的富余系数。

2.2 机制砂混凝土回弹强度汇总

除了测试从拌合楼或现场留取的各强度等级机制砂混凝土强度和工作性外，采用回弹法对混凝土工程的实际强度进行了检测。本项目也对依托工程中不同混凝土结构的混凝土的回弹强度进行了收集和整理，统计涵盖了117组机制砂混凝土的回弹强度。回弹强度汇总见表7所列。

通过表7可以看出，各个部位的不同强度等级的机制砂混凝土的回弹强度都达到了设计强度，并具有一定的富余强度，从这些数据可以看出机制砂混凝土工程的安全性不存在问题，机制砂取代河砂用于混凝土工程是可行的。

2.3 机制砂混凝土芯样强度汇总

回弹强度是一种间接推定混凝土强度的无损检测方法，混凝土芯样强度是对混凝土实体工程强度的直接检验，在机制砂混凝土结构中抽取混凝土芯样，切割成标准尺寸的圆柱体试样，测试其抗压强度，这是目前混凝土强度的仲裁检测方法，但是往往会对混凝土结构产生不同程度的破坏，是一种有损检测方法，不常使用。表8是不同部位和结构的机制砂混凝土的芯样强度汇总。

通过表8可以看出机制砂混凝土工程芯样都能很好的满足设计强度。综和各种混凝土强度检验方法的检测结果，不同工程部位的不同强度等级的机制砂混凝土的回弹强度、芯样强度基本与试配强度相当，具有很大的富余强度，测试结果和设计值比较接近，机制砂完全可以代替河砂用于各强度等级的混凝土。

3 混凝土成本分析

通过对各种标号的河砂与机制混凝土配合比及原材料成本相对比可知：采用机制砂混凝土成本明显降低，经济效益比较显著。详见下表9。

从表11中可以发现，机制砂混凝土的生产成本比外购河砂自产石混凝土成本低的多，采用机制砂明显能降低工程造价。靖那二标通过使用机制砂，单在材料这方面就能节省3088.9万元。所以只要控制好机制砂的生产质量，机制砂混凝土的施工质量和工程质量控制，机制砂取代河砂是完全可以实现的，经济效益十分显著。

4 工程应用实体

用机制砂混凝土施工的工程实体与用河砂混凝土施工的工程实体相比没有明显的差别，施工过程中机制砂混凝土通常更容易发生离析和泌水，在施工过程中注意振捣(严防过振)，施工的工程实体同样具有色泽均匀，外观更光滑等。详见下图：1，2。

以往由于机制砂混凝土中外加剂(减水剂)的使用率低，机制砂混凝土通常比河沙混凝土有更强的离析和泌水倾向，所以机制砂混凝土的外观往往赶不上河砂混凝土。但是近年来在我国减水剂的使用非常普遍，特别是第三代减水剂可以通过复配减少混凝土的泌水和离析，对机制砂混凝土的终饰效果有明显的改善。通过工程试验发现：只要保证机制砂的细度模数不大于3.2，机制砂级配可以满足相关规范，通过优选外加剂，控制好工作性，完全可以控制并杜绝混凝土的离析和泌水。机制砂混凝土通常更容易起浆密实，因而要适当减少插入振捣时间，严格避免过振现象，机制砂混凝土外观质量并不劣于河砂混凝土。而且，由于机制砂中有一定的石粉含量，增加了表层浆体的厚度，混凝土的终饰效果完全可以比天然砂混凝土更好。

5 结语

(1)采用机制砂配制的混凝土在采用适宜外加剂的条件下可以适当改善混凝土的工作性，有效降低机制砂混凝土的离析和泌水倾向，在机制砂质量合格时可以适当提高混凝土强度；(2)通过配合比优化的机制砂混凝土的工作性可以得到保证，无论是拌合楼混凝土强度，还是混凝土工程的回弹强度、芯样强度都与各强度等级的试配强度相差不大，完全可以保证机制砂混凝土的工作性。(3)机制砂混凝土应适当增加拌合时间，但适当减少插入振捣时间。只要保证机制砂的细度模数不大于3.2，优选外加剂，控制好工作性，减少离析和泌水，其终饰效果不亚于河砂混凝土。(4)机制砂作为一种替代砂，其直接经济效益体现在就地取材，可节省材料成本约3000万元；同时本依托工程充分利用了隧道开挖洞渣生产砂石、采用复合投料的方式充分利用了石屑，又能降低细集料的材料成本。减少了洞渣和石屑等废弃物的排放。

[1]广东省广乐高速隧道洞渣综合利用可行性研究报告[R].武汉理工大学,2010.

[2]卢洪波.人工砂生产新技、新工艺、新装备、新材料探讨[J].广东建材,2005(11)：14-15.

[3]蔡基伟.石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究[D]：[博士学位论文].武汉：武汉理工大学建筑材料系,2006.

[4]王稷良.机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D]：[博士学位论文].武汉：武汉理工大学建筑材料系,2008.

[5]吴明威,付兆岗 等.机制砂中石粉含量对混凝土性能影响的试验研究[J].铁道建筑技术,2004(4)：46-49.

吕世明(1986—),男,云南昭通人,工程师,北京交通大学本科毕业,广东省长大公路工程有限公司,从事公路建设管理工作。