花岗岩机制砂混凝土的性能研究及应用

丁海峰，程建铝

(中国铁建投资集团有限公司，广东 珠海 519000)



花岗岩机制砂混凝土的性能研究及应用

丁海峰，程建铝

(中国铁建投资集团有限公司，广东 珠海 519000)

摘要:随着我国基础设施建设的不断推进，河砂的需求量也日益增长。然而山岭重丘区需长远距离运输，不但极大地增加了混凝土施工成本，而且也影响施工进度，因此采用机制砂取代河砂已成为一种必然趋势。通过花岗岩机制砂混凝土的相关试验研究，结果表明：采用机制砂取代河砂进行混凝土配合比设计是可行的，且拌合物的工作性能、硬化混凝土力学性能都能够满足设计要求。同时，提出花岗岩机制砂混凝土主要配合比设计参数、要点以及施工质量控制措施。该技术在广西资源至兴安高速公路工程中全面应用，产生了良好的经济效益和社会效益。

关键词：花岗岩；机制砂；混凝土；配合比设计参数；质量控制措施

近年来，随着我国基础设施建设不断加快，混凝土用量呈逐年增长趋势。砂作为混凝土的原材料之一，对砂的需求量也日益增长。但由于部分地区天然河砂资源匮乏，交通不便，材料运输困难，河砂过度开采，对自然环境造成严重影响等缘故，因此采用机制砂代替河砂是混凝土行业可持续发展的一种发展趋势[1-2]。针对机制砂混凝土的性能研究与应用，国内外学者也取得了一些重要成果。在机制砂混凝土性能研究方面，Donza等[3]对比研究了花岗岩、石灰岩和白云岩的机制砂对高强混凝土性能的影响，得出花岗岩机制砂混凝土强度性能较好。Bonavetti等[4-6]都认为机制砂中的石粉可以有效填充骨料间的空隙，阻断水泥砂浆中孔隙的连通，石粉含量增加，可有效提高机制砂混凝土的抗渗透性能。唐凯靖等[7]认为母岩岩性差异对机制砂自身特性及其配制的机制砂混凝土性能的影响明显。芮捷等[8]通过试验研究了机制砂级配对高标号混凝土性能的影响，确定了最佳机制砂级配在Ⅱ区中值和下限之间。卢自立等[9]通过试验确定了机制砂混凝土较优配比设计参数。徐大祯等[10-11]采用室内试验研究了粉体体积对机制砂低强度等级混凝土和易性的影响，提出合理当量粉体体积为150～160 L/m3。在机制砂混凝土应用方面，美国、英国、日本等国家，较早开始了机制砂的应用研究，到目前为止已经有了相对丰富的应用经验[12]。2001年我国第一个包括机制砂的国家标准GB/T14684—2001《建筑用砂》[13]颁布实施。尹明等[14-16]都介绍了机制砂混凝土在工程中应用情况，此外三峡工程、云贵地区南昆、内昆和株六铁路、重庆嘉陵江黄花园大桥、中建大厦等大型工程[17]都采用了机制砂混凝土，其工程应用也越来越广泛、经济效益显著。然而机制砂大多数是来自石灰岩破碎制成的，针对其他岩性的机制砂和机制砂混凝土的性能研究较少，因此本文以广西资源至兴安高速公路工程为依托，基于多工况试验，探讨花岗岩机制砂替代天然河砂在本工程中应用的可行性，确定了机制砂混凝土合理的配合比设计参数，为花岗岩机制砂混凝土在依托工程中的应用提供了依据。

1花岗岩机制砂的制备及基本要求

1.1花岗岩机制砂生产

花岗岩机制砂是指经除土开采、机械破碎、筛分制成的粒径在4.75 mm以下的花岗岩岩石颗粒。应选取Ⅲ级及以上类别、较为完整的花岗岩用于机制砂生产，其生产施工工序流程如图1。

1.2花岗岩母岩强度要求

花岗岩机制砂应采用开采的新鲜的花岗岩母岩制作，母岩岩石的抗压强度宜满足表1规定。

1.3花岗岩机制砂的颗粒级配

机制砂生产必须严格控制其粒形和颗粒级配。相对于天然砂而言，机制砂颗粒多呈棱角，颗粒的比表面积更大，颗粒与颗粒之间的摩擦力也更大，只有保证机制砂良好的连续级配和适中的细度模数，才能降低其颗粒间的空隙，更好的满足混凝土的施工和易性。花岗岩机制砂按细度模数可分为粗砂、中砂，其颗粒级配应分别符合表2的规定。

图1　机制砂生产流程图Fig.1 Production process of manufactured sand

类别母岩强度要求Ⅰ类不宜小于80MPaⅡ类不宜小于60MPaⅢ类不宜小于30MPa

表2　Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ类机制砂级配范围

1.4压碎指标

花岗岩机制砂的压碎指标见表3。

表3　机制砂压碎指标

2机制砂混凝土原材料及其性能指标

机制砂混凝土试验中所采用的主要原材料及其性能指标如下。

2.1水泥

水泥采用兴安海螺水泥有限责任公司海螺牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥，性能指标见表4。

表4P·O42.5水泥的物理力学性能试验结果

Table 4 Physical mechanics performance test results of cement P·O42.5

比表面积/(m2·kg-1)安定性凝结时间/min初凝终凝抗折强度3d28d密度/(kg·m-3)抗压强度3d28d328合格1752885.67.6312026.348.2

2.2骨料

粗骨料采用梨子田碎石场的5～31.5 mm(三级配碎石)连续级配碎石，其性能指标见表5。碎石选用5～10 mm,10～20 mm以及16～31.5 mm三级配比，掺配比例按照20%∶50%∶30%进行掺配。

细骨料采用梨子田碎石场生产的花岗岩机制砂，并采用新宁新皂砂场生产的河砂进行对比分析，其性能指标分别见表6～7。

2.3矿物掺合料

采用湖南邵阳宝庆电厂Ⅱ级粉煤灰和冷水江钢铁厂S95级粒化高炉矿渣粉，其性能指标分别见表8～9。

表5　粗骨料试验结果表

表6　机制砂试验结果表

2.4外加剂

采用湖北荆州锐利RL-8000高效聚羧酸减水剂，其性能指标见表10。

表7　河砂试验结果表

表8　Ⅱ级粉煤灰性能指标表

表9　S95级粒化高炉矿渣粉性能指标表

3机制砂混凝土配合比设计

机制砂混凝土的配合比设计参照相关规范GB/T50476—2008[18]和JGJ55—2011[19]要求进行，针对花岗岩机制砂颗粒、石粉含量等特性，在规范基础上，通过试验对配合比进行适当调整，以更好的满足混凝土适用、合理、耐久、经济的工程需要。

3.1砂率设计

配置机制砂的混凝土选取级配范围在Ⅱ区级配范围的机制砂，细度模数控制在2.7～3.2范围内。因机制砂比表面积大、表面粗糙的特性，为保证机制砂的混凝土工作性能，与相同细度模数的天然砂相比较，应适当提高2%左右的砂率。

3.2坍落度设计

花岗岩机制砂中石粉与外加剂、水泥的适应问题普遍存在，直接反应在混凝土拌合物坍落度经时损失大，在试配花岗岩机制砂混凝土配合比时，对混凝土拌合物进行坍落度损失试验尤为重要，一般情况下应将坍落度经时损失控制在30 mm/h内，其温度环境也应该尽量与实际施工温度环境一致。

设计配合比时，应在满足混凝土试配强度要求的前提下，结合施工工艺、混凝土运距及坍落度损失情况，适当提高混凝土的初始坍落度设计值，以满足花岗岩机制砂混凝土坍落度经时损失大的特性。

图2为采用3种不同的坍落度(见表11)自下而上分3次浇筑时，浇筑的机制砂混凝土试验柱外观情况。由图2可以看出，在不同的坍落度情况下，试验柱的外观差异明显，施工时应根据试验柱情况选择合适的坍落度。

表10　高效聚羧酸减水剂试验结果表

图2　机制砂混凝土试验柱外观情况Fig.2 Test column appearance of manufactured sand concrete

3.3机制砂混凝土配合比试验

以普通C35河砂混凝土配合比为基础，结合机制砂的颗粒级配、石粉含量等特性，确定不同的

花岗岩机制砂混凝土的配合比，并进行对比试验，坍落度为120～160 mm条件下的试验结果见表12。图3(a)和图3(b)为采用河砂以及花岗岩机制砂混凝土外观对比情况。

(a)机制砂；(b)河砂图3　混凝土试件Fig.3 Concrete specimen

编号强度等级材料用量/(kg·m-3)水泥粉煤灰矿粉砂碎石水外加剂和易性初始坍落度/mm1h后坍落度/mm备注1C3532982—78610421614.11好160150机制砂2C3532982—78610421534.11好145130机制砂3C3532982—78610421454.11好130110机制砂

表12　机制砂与河砂混凝土配合比对比

表13　不同石粉含量机制砂混凝土性能测试结果

由表12及图3可知：

1)通过适当调整花岗岩机制砂混凝土的砂率、外加剂及掺合料用量等，有利于改善机制砂混凝土的和易性与坍落度损失情况，其28 d抗压强度较河砂混凝土强度略有提高。

2)通过坍落度试验选择最佳的坍落度，花岗岩机制砂试件与河砂试件的外观质量没有明显区别。说明采用机制砂取代河砂进行混凝土配合比设计是可行的，拌合物的工作性能、硬化混凝土力学性能都能够满足设计要求。

3.4不同石粉含量对混凝土强度的影响

以C30普通配合比为例，在水胶比、水泥用量、砂率、外加剂等不变的情况下，调整机制砂中石粉含量进行了花岗岩机制砂混凝土的性能分析，试验结果见表13。

由表13可以看出，当机制砂中的石粉含量在6.7%～11.3%范围内波动时，混凝土拌合物的和易性基本不受影响，其7 d和28 d抗压强度值也能保持相对稳定。随着机制砂中石粉含量继续增大，拌合物性能变差，7 d和28 d抗压强度值降低。可见在满足拌合物强度及工作性能的前提下，机制砂中的石粉含量应控制在一定范围以内。

规范JTG/TF50—2011[20]对机制砂的石粉含量指标进行了具体规定，见表14。对比表14和本文试验结果，对于花岗岩机制砂混凝土，其石粉含量可在规范基础上进行适当放宽。

表14　石粉含量技术要求

4花岗岩机制砂混凝土施工质量控制

4.1搅拌时间的控制

花岗岩机制砂颗粒表面粗糙、多棱角，且颗粒级配波动较大，所以机制砂混凝土的搅拌时间应在天然砂混凝土搅拌时间的基础上适当延长，建议延长30 s。运输过程中的颠簸等容易加剧机制砂混凝土拌合物的离析，在混凝土到达现场后，建议高速旋转罐车，保证混凝土的工作性能。

4.2拌合物性能控制

机制砂混凝土拌合物的水分蒸发速度比天然砂快，在大风的环境下水分蒸发更快，如果现场出现混凝土坍落度满足不了正常施工生产的情况，可在运输车罐内加入适量的与原配合比相同成分的减水剂，但严禁现场加水改变水灰比，这是现场混凝土构件强度达不到要求的主要原因，也将影响混凝土外观质量。

4.3混凝土收缩控制

针对机制砂混凝土的早期塑性收缩较大，承台、地系梁、盖梁等面层易出现干缩裂缝，在终凝之前宜采用抹面机械或人工多次抹压并及时采取保湿养护措施，避免产生干缩裂缝。

4.4外观质量控制

经室内试验实践证明，未调整外加剂及矿物掺合料的机制砂混凝土表面气泡、蜂窝麻面较多，究其原因还是机制砂颗粒粗糙，比表面积大，砂浆的表面张力比天然砂要小，流动性差，在气泡破裂后，浆体不能及时填补造成表面气泡，如图4所示。

图4　机制砂混凝土试件Fig.4 Manufactured sand concrete specimen

针对上述问题，除了控制机制砂本身质量外，可通过调整外加剂成分，例如在不影响混凝土工作性能的情况下掺入适当的消泡剂(一般为0.05%左右)以减少大气泡的存在，还可以通过掺加适量的粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料，提高混凝土工作性能、降低单位用水量、提高混凝土后期强度、改善混凝土耐久性等很多优点，应用效果明显，如图3(a)所示。

(a)模板漆;(b)透水模板布图5　现场施工的墩柱Fig.5 Construction forming pier column

为了进一步改善机制砂混凝土外观质量，现场采用了模板漆及特殊材料透水模板布进行辅助施工试验。试验结果见图5～7。从试验结果可以看出透水模板布可以很好解决气泡眼、蜂窝麻面等质量通病，比模板漆效果要好，如图5(b)和图6(b)所示。而且模板布可以满足对不同坍落度混凝土的浇注，图6(b)的试验柱按照表13的3种坍落度进行试验柱浇注，试验柱的整体效果较为一致。但透水模板布混凝土的表面比模板漆混凝土的表面略显粗糙，光泽度不高，如图7(a)和图7(b)所示，且透水模板布成本较高，对模板布黏贴的平整度要求较高，经比对现场选择使用模板漆施工，其效果也能满足施工质量要求，如图5(b)所示。

(a)模板漆；(b)透水模板布图6　不同坍落度浇注试验柱Fig.6 Test column with different slump

5工程应用

广西资源至兴安高速公路是安(康)至北(海)公路重要组成部分，是广西高速公路网规划“6横7纵8支线”中纵2——资源(梅溪)至铁山港高速公路的组成部分，主要构筑物涵盖了隧道工程、桥梁工程、路基工程。隧道围岩级别以IV级和Ⅲ级围岩为主。

(a)模板漆；(b)透水模板布图7　混凝土表面状况Fig.7 Appearance of manufactured sand concrete

资源县境内属于资江水源保护区，对水源地河道整治管理严格，全县基本无天然河砂开采。项目部前期对当地石材情况进行了摸底，发现规模及质量较为有保障的天然砂场离工程所在地运距最短为130 km，其高昂的运价及捉襟见肘的生产能力与全线巨大的需求量之间产生了日益突出的矛盾。为保证工程合理有序的正常进行，资兴高速项目决定通过利用隧道Ⅲ级围岩花岗岩洞渣破碎生产机制砂来替代天然河砂使用。

实践证明，通过合理的控制机制砂中石粉含量，调整外加剂掺量和性能、适当的掺入矿物掺合料，加强机制砂混凝土施工的管理与控制，配制的混凝土在工作性能上、结构强度等方面都能取得良好的施工效果，可以很好地取代天然砂。

在广西资源至兴安高速公路施工中，C35及以下强度等级混凝土采用机制砂混凝土施工，已浇筑混凝土约500 000 m3，应用效果良好，减少了天然砂供应不足对施工进度的影响，在保证工程质量的前提下，不但取得了较好的经济效益，而且减少了废渣倾倒对环境的破坏，赢得了良好的社会效益。

6结论

1)在多工况配合比试验的基础上，确定了花岗岩机制砂级配、石粉含量、细度模数、外加剂类型及掺量、掺和料、砂率、坍落度损失控制和初始坍落度等主要混凝土配合比设计参数，指导了工程应用。

2)在水胶比、水泥用量、砂率和外加剂等参数一定的情况下，当花岗岩机制砂中的石粉含量在6.7%～11.3%范围内波动时，混凝土拌合物的和易性基本不受影响，其7 d和28 d抗压强度值也能保持相对稳定，花岗岩机制砂混凝土中石粉含量可在此范围内选取。

3)通过现场试验和工程实践，提出了一系列花岗岩机制砂混凝土施工质量控制措施，较好地保证了花岗岩机制砂混凝土的现场施工质量。

4)在广西资源至兴安高速公路工程中，C35及以下强度等级混凝土采用花岗岩机制砂混凝土施工，解决了天然砂供应不足的难题，降低了混凝土生产成本，工程应用效果良好，经济效益显著。

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Research on performance and application of granite manufactured sand concreteDING Haifeng, CHENG Jianlü

(China Railway Construction Investment Company Limited, Zhuhai 519000, China)

Abstract：With the advancement of the infrastructure construction in our country, the demand of river sand is also growing. However, because of long distance transportation in mountainous heavy hilly area, the cost of concrete construction is improved, and the construction progress is also affected. So it has become an inevitable trend by adopting manufactured sand to replace river sand. Through the relevant experimental study on granite manufactured sand concrete, the results show that manufactured sand adopted to design the mix proportion of concrete instead of river sand is feasible. The work performance of mixture and mechanical properties of hardened concrete can meet the design requirements. At the same time, this paper puts forward main mix proportion design parameters, key points and construction quality control measures of granite manufactured sand concrete. The technology was applied comprehensively in Ziyuan-Xing’an highway engineering, and good economic and social benefits are produced.

Key words：granite; manufactured sand; concrete; design parameters of the mix proportion; quality control measures

中图分类号：TU528.041

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0682-07

通讯作者：程建铝(1959-)，男，天津人，教授级高级工程师，从事隧道、桥梁施工及研究工作；E-mail: 109061356@qq.com

基金项目：中国铁建股份有限公司计划项目(2011-5-6)

收稿日期：2015-08-05