花岗岩机制砂在水泥混凝土中的应用

文 应，李玉标，罗文杰，郭世杰

（中交二公局东萌工程有限公司，陕西 西安 710119）

机制砂是指除土开采、机械破碎、筛分制成的粒径在4.75mm以下的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石颗粒。随着基础设施建设步伐不断加大，给建筑材料的开采和供应带来极大的压力，而建筑工程使用混凝土的方量增加，对砂的需求量增大，加上山区交通不便，外购砂石运距较远，导致混凝土原材料中细集料（河砂）采购难度较大且成本较高。在花岗岩地区，可在室内基准配合比试验成功、建设方批准的情况下，科学使用人工生产机制砂代替河砂，以保证工程建设质量。

1 项目概况

山海高速公路是海南省主骨架高速公路网中线重要补充部分，路线全长55.865km。五指山隧道洞身有5条断裂构造和1条岩性接触带，区内基岩主要为燕山期斑中粗粒似斑状黑云母花岗岩、中细粒斑状黑云母花岗岩、海西期（华力西期）黑云母二长花岗岩，局部为花岗闪长岩，工程地质条件复杂，软硬不一、厚薄不均，隧道花岗岩弃渣方量较大，弃渣场选择困难，围岩支护需要大量混凝土。但是，沿线河流产中粗砂及砂砾，储量不大，大量工程用砂需从昌化江、南圣河、宁远河、陵水河和藤桥河中取，部分河流距离较远。

2 花岗岩母岩性能指标

地质勘察资料主要为花岗岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、石英砂岩，其中燕山期花岗岩饱和单轴极限抗压强度为103MPa，软化系数为0.86；海西期花岗岩饱和单轴极限抗压强度为112MPa，软化系数为0.9。根据设计图纸要求，宜使用强度大于60MPa，洁净、质地硬质、未风化且性质稳定的花岗岩，用于机制砂加工生产。项目工地实验室取样切块石料，III级围岩试件尺寸70.7mm×70.7mm×70.7mm，单轴抗压强度平均值106.7MPa；II级围岩试件尺寸70.7mm×70.7mm×70.7mm，单轴抗压强度平均值122.6MPa。

3 实测花岗岩机制砂性能指标

项目采用花岗岩碎石加工机制砂，岩石的坚硬强度在80～130MPa，软化系数大于0.9，含泥量少，含有少量的黑云母、白云母及石英等，矿物成分含钾长石55%、斜长石15%、石英26%、黑云母4%；化学成分为 SiO2占 75.70%、TiO2占 0.15%、Al2O3占 13.21%、Fe2O3占0.56%、FeO占1.35%、MgO占 0.19%、MnO占0.03%、CaO占0.70%、Na2O占3.35%、K2O占4.43%、P2O5占0.02%、H2O占0.73%。采用半干式制砂工艺，成品砂的细度模数平均值FM在2.7～3.0，使机制砂的含水率控制在2.6%～3.4%，同时能够获得稳定的石粉含量，控制在8.5%～10%，实验数据及对比结果如表1、表2所示。

表1 机制砂与河砂筛分试验结果

表2 机制砂与河砂筛分物理性能对比

通过实验数据对比分析，花岗岩机制砂石粉含量较高，具有以下特性：（1）机制砂是使用粒径规格19.5～31.5mm的碎石，经过专用制砂机加工而成，含泥量很少，颗粒表面均匀且粗糙。（2）花岗岩机制砂由于母岩含云母较多，影响混凝土拌和物的和易性、强度、耐久性，当云母在骨料中的含量达到2%时，混凝土工作度损失几乎达到50%；当云母含量达到10%时混凝土的坍落度降低到零。（3）花岗岩机制砂级配范围属于II类砂范畴，机制砂绝大多数呈现中间颗粒少（0.3～1.18mm的细砂颗粒），粗颗粒（1.18～4.75mm）和粉料（0.075mm以下）含量大的特点，级配的不良导致机制砂混凝土有较明显的离析泌水的倾向。细度模数低于河砂，压碎值大于河砂、堆积密度小于河砂，表观密度和空隙率大于河砂。（4）机制砂中石粉的含量高于河砂，对混凝土的工作性要求更高，在使用过程应注意石粉含水率的影响。机制砂与河砂筛分结果对比如图1所示。

图1 机制砂河砂筛分结果对比图

4 花岗岩机制砂对混凝土性能的影响

根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55)要求，结合项目使用频率和数量的混凝土，选取C30常用配合比，按照规定进行试配，如表3所示。

实验对比花岗岩机制砂中粉尘含量变化对混凝土强度的影响情况，采用同批次生产加工的原材料，其中所使用的粗集料全部水洗。9.5～26.5mm碎石水洗后测定含粉量为0.1%；4.75～9.5mm碎石水洗后测定含粉量为0.3%；0～4.75mm（机制砂、石屑）的粉尘含量根据混合料含粉量6%～14%的需要通过筛分配置，并且掺配后的混合料含粉量为6%、8%、10%、12%、14%，满足±0.2%的要求。

项目C30混凝土施工生产配合比为水泥∶粉煤灰∶水∶碎石∶砂∶减水剂=1∶0.175∶0.53∶3.07∶2.32∶0.019；其中水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，减水剂采用第三代聚羧酸高效减水剂，考虑到混合料粉尘含量变化对混凝土坍落度的影响，选择调整对混凝土强度影响较小的减水剂做掺量渐变，以满足坍落度不变化或定值，而使水胶比、砂率不变化；C30混凝土细集料（机制砂）粉尘含量6%～14%强度汇总结果如表4所示。

5 结论

（1）通过室内拌制10批次C30混凝土，其细集料含粉量分别调整为6%、8%、10%、12%、14%时，进行标准养护后，对比使用黄砂和人工生产机制砂的C30混凝土28d强度，满足规范及设计要求，人工生产的花岗岩机制砂可以替代河砂。（2）在实际生产实践中，花岗岩机制砂中云母和轻物质含量占4%左右，对混凝土的工作性能有部分影响，应引起重视。配合比设计过程中应考虑机制砂及石粉含量对混凝土弹性模量、收缩徐变的影响，外加剂的掺量应按机制砂中石粉含量的高低酌情增减。机制砂混凝土工作性对用水量和减水剂的改变及砂的细度模数、级配、石粉含量及砂率的变化比较敏感，应加强机制砂的质量检查，动态调整。由于聚羧酸系高性能减水剂的敏感性和“性能延迟性”，在搅拌时间上应比其他类型减水剂要延长25～40s，满足工作性要求为主。（3）从山海高速五指山隧道项目，隧道洞渣利用的实际情况及海南当地河砂料源采购情况出发，天然黄砂的进场价约210元/t，人工生产机制砂约120元/t，平均差价在90元/t，项目隧道使用加工混凝土约21万m3，按照机制砂平均添加35%左右计算，项目使用机制砂约16万t，项目建设结束后，按照外购和自产各占50%，自产花岗岩机制砂代替黄砂节约成本约688万元。

表3 试验室水泥混凝土设计结果

6 结束语

机花岗岩机制砂应用于水泥混凝土中，不但可以降低混凝土生产成本，提高企业的经济效益，还对保护自然资源有着积极的意义，形成综合效益，更符合科学发展观和可持续发展的趋势。

表4 粉尘含量6%～14%对C30混凝土强度汇总结果