机制砂与天然砂掺配用于衬砌混凝土的配合比设计实例分析

杜安矞 姚亚灵

中交一公局第二工程有限公司 江苏苏州 215000

作为沿海地区山区隧道型公路项目，为保证资源合理利用，解决当地砂石地材匮乏问题，项目决定将隧道宕渣进行二次加工生产碎石及机制砂，用于隧道衬砌混凝土施工生产中。但由于隧道断面为拱形断面，且衬砌混凝土需通过模板台车分窗入模及冲顶，进而使得机制砂加工生产的隧道衬砌混凝土，在泵送浇筑施工过程中易出现流动性低、和易性差等工作缺陷，容易引发离析等混凝土质量缺陷。经技术人员共同研究决定对隧道衬砌C30 P8混凝土进行优化，确定在细集料中按照一定比例天然砂与机制砂混合使用（以下简称混合砂），从而提高混凝土流动性，弥补混凝土和易性不足。通过试验研究证明，混合砂配制混凝土其流动性显著提高，并且有效预防混凝土离析、泌水等质量缺陷，切实满足现场施工需求[1]。

1 原材料及混凝土配合比分析

机制砂加工成本低，可以工厂化集中加工生产，其化学成分与母材、碎石一致，对混凝土无负面影响，并且与碎石骨料界面粘结性较好。但其在施工流动性、和易性等方面也限制了机制砂混凝土的使用范围。为了充分发挥机制砂混凝土的优点，有效控制避免其缺点。决定在保证强度及经济成本前提下，对细集料进行一定比例掺配天然砂进行混凝土工作性能改善。

1.1 原材选用

水泥采用“海螺牌”P·O42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用“浙江天达牌”F类Ⅱ级；减水剂采用“南京凯迪pc聚羧酸高性能减水剂”；粗集料为项目宕渣二次加工两级配碎石；细集料（机制砂）为项目宕渣二次加工水洗机制砂；细集料（天然砂）采用福建闽江天然砂。

1.2 机制砂与天然砂对比分析

1.2.1 筛分级配对比分析

机制砂与天然砂各项原材技术指标均满足《公路隧道施工技术细则》JTG/T F60-2009及图纸设计要求。并且0.075mm及以下颗粒与天然砂相比较多，对混凝土中粗集料能够起到良好的相互粘结作用。但是通过筛分级配发现，虽然机制砂整体级配满足范围要求，但是2.36mm以上和0.15mm以下颗粒相对较多，2.36mm-0.15mm中间颗粒呈现偏少状态，这种现象很容易导致混凝土离析泌水[2]。

1.2.2 颗粒对比分析

从机制砂与天然砂样品中肉眼直观可发现，机制砂颗粒呈棱角性且显尖锐表面粗糙。并且机制砂中会有少许的片状存在，而天然砂几乎没有片状表面圆润，在混凝土的拌和过程中能够柔和各粒径集料，间接起到搅拌均匀的作用。

1.2.3 料源对比

机制砂具有资源丰富、加工受季节因素影响小，并具有可全年机械化均衡生产的优点。

1.3 配合比对比分析

根据实际情况分别以机制砂、天然砂、混合砂为细集料进行混凝土拌和，用以评价水泥混凝土各项工作性能，并且进行综合对比分析。并尝试通过掺配一定比例天然砂，来消除因机制砂自身原因而对混凝土造成的不利因素。通过调整胶凝材料的机制砂配合比与天然砂配合比试拌结果对比发现，由于机制砂表面呈棱角且粗糙，在提高相应单位用水量和减水剂掺量时其和易性流动度的工作性能，没有单纯天然砂混凝土拌和效果好，其坍落度损失与天然砂混凝土相比也较明显。假设在水灰比相同的条件下，那么机制砂混凝土坍落度要远小于天然砂混凝土，这里主要是因为机制砂自身就孔洞和裂隙，使得一部分颗粒成为了矿物颗粒的集合体。这样就大大增加了机制砂的比表面积,使得在混凝土拌和过程中会吸附更多的水，从而导致其混凝土的需水量增加，坍落度却减小的现象发生。所以机制砂的表面粗糙，级配不良是影响混凝土工作性能的主要原因。

1.4 混合砂配合比

以机制砂、天然砂组合混合砂细集料进行掺配拌和混凝土，其目的是降低因机制砂颗粒原因导致的摩擦阻力，在保证强度前提下提高以机制砂混凝土的各项工作性能，并相应控制经济成本。即拟定机制砂与天然砂分别按50%:50%、53%:47%、56%:44%、59%:41%、62%:38%各平行拌制5次进行对比分析。通过五种掺配比例混合砂所拌制混凝土根据流动性、坍落度、和易性等综合判断得出，机制砂与天然砂按50%:50%、53%:47%、56%:44%所拌和的混凝土工作性能满足现场隧道衬砌混凝土泵送要求，在经济成本上也符合技术经济指标要求；机制砂与天然砂按59%:41%与62%:38%比例掺配的混凝土综合比较分析来看，其保证泵送混凝土施工的各项工作性能已经趋于临界点[3]。

1.5 工程实际应用

经过现场实际拌和验证得出，在细集料中按单位用量40%-50%比例掺配天然砂与机制砂进行C30P8衬砌混凝土拌制（天然砂超过50%的掺配比例时，虽能提高混凝土工作性能起到混凝土拌和均匀等效果，但机制砂不占主导地位，在经济成本角度来说意义不是很大），能够有效解决因机制砂棱角尖锐不规则、表面粗糙，而导致颗粒互相咬合增大流动阻力。最终提高泵送混凝土现场施工流动性、和易性，消除离析泌水等质量隐患。

2 结语

通过衬砌混凝土配合比中机制砂与天然砂按照一定掺配比例的技术方案，大幅度改善了混凝土流动性、和易性、保水性等各项施工性能，在提高施工效率、降低成本的同时，也能真正做到隧道衬砌结构內实外美，在项目施工中取得了较好的经济效益和社会影响[4-6]。