机制砂在高性能混凝土中的应用研究

朱刚

（张家口市公路工程试验检测中心，河北 张家口 075000）

0 引言

高性能混凝土因其强度、和易性、耐久性和稳定性方面的较好表现，逐渐取代普通混凝土成为我国基础设施的主要建筑材料。而砂作为混凝土中占比约为四分之一的组成材料，每年使用量巨大[1]。目前混凝土工程中经常使用的两种砂为天然砂和机制砂。天然砂虽然可以直接开采使用，但是一种不可再生资源，且开采过度会造成水土流失，导致自然环境破坏。机制砂是将岩石多次破碎、逐次筛选得到的建筑材料。因此，混凝土工程建设宜用机制砂代替天然砂。但是由于机制砂与天然砂相比，颗粒棱角较多，虽然提高了其强度与稳定性，但会导致其和易性降低。为提高机制砂在混凝土工程中的使用质量，本文将探讨在试验路段采用不同机制砂级配和岩石种类进行混凝土工程施工的情况，研究机制砂级配和岩石种类对高性能混凝土施工的影响。

1 原材料

1.1 水泥

高性能混凝土的制备需要水泥的各项物理性能指标达标，若使用不满足规范要求的水泥，将导致高性能混凝土出现路面开裂、车辙等病害[2]。故本文对试验路段所用水泥进行性能检测，优选符合混凝土施工要求的水泥。水泥各项物理性能指标检测结果如表1所示。

表1 水泥各项物理性能指标检测结果

表1（续）

1.2 粉煤灰

高性能混凝土早期抗压强度的形成，最重要的原因是矿物掺和料的粉煤灰与水泥发生化学反应，不仅可以提高高性能混凝土的稳定性，还可以提高混凝土的后期强度与耐久性[3]。故本文对试验路段所用粉煤灰进行性能检测。粉煤灰的各项物理、化学性能指标检测结果如表2所示。

表2 粉煤灰的物理化学性能指标检测结果

1.3 石粉

石粉可以促进机制砂与水泥的凝结反应，不符合施工要求的石粉会对工程质量造成严重的不利影响。本文对石粉性能进行了检测，结果如表3所示。

表3 石粉性能指标检测结果

表3（续）

1.4 岩石

不同岩石制成的机制砂性能有所不同[4]。本文对花岗岩进行性能检测，结果如表4所示。

表4 花岗岩性能指标检测结果

2 工程实践

2.1 工程概况

某公路工程位于山岭区，设计时速为60km/h，全长58km，起点桩号为K614+400，终点桩号为K672+400。本文选用K630+000—K630+700 道路的右侧作为试验路段。试验路段宽8m，长0.7km，使用高性能混凝土施工。结合试验段的施工情况及检测结果，研究机制砂级配和机制砂石粉含量对高性能混凝土施工的影响。

2.2 施工工艺

（1）准备工作

通过试验检测水泥、岩石、粉煤灰、石灰等原材料的性能指标，保证所有原材料的质量都满足施工要求[5-6]。将300m 试验路段平均分成3 段，每段长100m，试验路段A 的高性能混凝土机制砂使用级配方案1，试验路段B 的高性能混凝土机制砂使用级配方案2，试验路段C 的高性能混凝土机制砂使用级配方案3。3 种级配方案中，0.6mm 砂和0.3mm 砂在机制砂中的占比逐次增大。机制砂级配方案如表5所示。

表5 机制砂级配方案

（2）拌和与摊铺

另取400m 路段作为钢渣沥青混凝土路面施工试验路段。将400m 试验路段平均分成4 段，每段长100m。试验路段D 的机制砂中石粉含量为2%，试验路段E 的机制砂中石粉含量为3%，试验路段F 的机制砂中石粉含量为4%，试验路段G 的机制砂中石粉含量为5%。将水泥、粉煤灰、石灰和砂按照配合比进行配料，制备高性能混凝土，再进行试验路段的摊铺与碾压。

（3）路面养护

路面施工完成后，按规范要求进行养护。

2.3 性能检测

（1）机制砂级配

为探究不同机制砂级配对高性能混凝土路面路用性能的影响，本文使用3种不同机制砂级配方案制备高性能混凝土摊铺试验路段。碾压施工完成28d后，在路面轮迹带处随机选取5 个取样点钻取芯样，将试样从1到5 编号。在实验室内对试样进行抗压强度试验检测，结果取平均值。检测结果如表6所示。

表6 试验路段抗压强度检测结果

机制砂级配方案3的路用性能比级配1和级配2好。由表6 可知，试验路段A 的抗压强度为99.6MPa，试验路段B的抗压强度为103.4MPa，试验路段C的抗压强度为105.1MPa。试验路段C的抗压强度较试验路段A提高了5.52%，这是因为级配3 的机制砂中0.6mm 和0.3mm砂占比最大，能够有效填充混凝土骨架空隙，提高结构稳定性，有利于强度的形成。由表5可知，级配方案1 中机制砂0.6mm 和0.3mm 砂占比为28%，级配方案2中机制砂0.6mm 和0.3mm 砂占比为35%，级配方案3 中机制砂0.6mm 和0.3mm 砂占比为40%。由此可见，适当增加机制砂中0.6mm 和0.3mm 砂的占比可以提高混凝土的施工质量。

（2）机制砂石粉含量

本文使用3种不同石粉含量的机制砂制备高性能混凝土并摊铺试验路段。碾压施工完成28d后，在路面轮迹带处随机选取5 个取样点钻取芯样，将试样从1 到5编号。在实验室对试样进行抗压强度试验，结果取平均值。检测结果如表7所示。机制砂中石粉含量与试样抗压强度的关系如图1所示。

表7 试验路段试样抗压强度试验结果

图1 机制砂石粉含量与抗压强度关系图

由图1可知，试验路的抗压强度随机制砂中石粉含量的增加而逐渐增大。机制砂中石粉含量为5%时，试验路段G 的抗压强度最高，路用性能最好；试验路段D的抗压强度最低，为93.5MPa；试验路段E 的抗压强度为98.4MPa，比试验路段D 高5.2%；试验路段F 的抗压强度为100.2MPa，比试验路段E 高1.8%；试验路段G的抗压强度为104.5MPa，比试验路段F 高4.3%，这是因为增加机制砂石粉含量，可以提高水泥拌合物的黏结能力。对机制砂石粉含量与试验路段抗压强度的关系进行线性拟合，拟合公式为y=3.48x+90.45,R2=0.9733，试验路段抗压强度随机制砂石粉含量增加而逐渐增加。

3 结语

综上所述，机制砂是一种优良的建筑材料，为提高机制砂在混凝土工程中的应用质量，本文在试验路段采用不同机制砂级配和岩石种类进行混凝土工程施工，分析这两个因素对高性能混凝土施工的影响，结果表明：①机制砂级配方案3 的路用性能比级配1 和级配2 好；②宜适当增加机制砂中0.6mm 和0.3mm 砂的占比；③机制砂中石粉含量为5%时，路用性能较好。