机制砂在预应力混凝土中的应用

冷斌

（湖南弘至工程技术有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

天然砂分布不均匀且短时间内不可再生，合格的天然河砂在限采禁挖的环保政策下产量日益减少，且质量不稳定。高速公路大部分离合格的天然砂源较远，长途运输费用较高。近年来，机制砂的发展很好地解决了天然砂短缺的问题，但部分管理人员对机制砂配置的预应力混凝土心存顾虑，甚至有的明文规定预应力混凝土必须使用河砂。

1 机制砂在预应力混凝土应用中存在的问题

机制砂应用于预应力混凝土中时一般存在以下问题：

（1）机制砂外形尖锐、级配不良等物理特性容易造成混凝土和易性差、易离析等问题；

（2）石粉含量对预应力混凝土的影响目前存在一定的争议；

（3）部分工程技术人员缺乏对机制砂的系统认识，担心混凝土的强度不够，盲目采用高标号水泥或增加水泥的用量，导致成本增加的同时也会对混凝土的耐久性产生不利影响。

2 机制砂预应力混凝土的配合比设计

本文以湖南省靖黎高速一标C50 配合比试验为例，对机制砂预应力混凝土的配合比设计进行探讨。靖黎一标预制梁板共计1 521 片，加上现浇箱梁等C50 预应力混凝土共计超过52 000m3。

2.1 预应力混凝土配合比设计

2.1.1 原材料

水泥采用湖南云峰水泥P·O42.5（都梁牌），外加剂采用湖南路智高性能聚羧酸减水剂（LZ-R1），粗集料采用附近靖州亿安砂石厂生产的5～20mm（经掺配）连续级配碎石，细集料选用两种机制砂和一种天然河砂。一种机制砂是运距为3km左右的靖州亿安砂石厂生产的石灰岩质水洗机制砂，另一种机制砂是运距为40km 的通道磊鑫砂场鹅卵石机制水洗砂，天然河砂采用岳阳湘阴斗米咀沙场河砂（经现场考察取样，距工地现场约500km）。原材料技术性能分别见表1～表3。

表1 P·O42.5水泥的物理性能

表2 5～20mm碎石的物理技术性能

表3 细集料的物理技术性能

通过试验并考虑性价比后采用亿安碎石机制砂和磊鑫鹅卵石机制砂进行掺配使用，其掺配比率为60%∶40%。掺配后的混合机制砂的物理技术性能见表4。

表4 掺配后的混合机制砂物理性能

2.1.2 基准配合比

因为机制砂用于配制掺外加剂的混凝土时比配制天然砂掺外加剂的混凝土要敏感，对外加剂的要求比较高，所以要求外加剂厂家派技术人员对聚羧酸减水剂进行现场小样复配，使聚羧酸减水剂能与上述几种材料很好地配合，避免发生不良反应。通过计算与试配确定基准配合比如表5所示。

表5 设计基准配合比

2.2 工作性能

在试配时对细集料分别采用单一种类的机制砂（两种）、天然河砂及60%碎石机制砂+40%鹅卵石机制砂组成的混合机制砂共4种细集料，按设计基准配合比进行配制；根据砂的细度模数，配合比的砂率在34%～38%之间微调。经试验，不同细集料的配合比下，混凝土的工作性能如表6所示。

表6 混凝土的工作性能

通过对比试验可以看出，混合机制砂和天然河砂的工作性能在配合比基本一致的情况下，比采用一种机制砂配制的混凝土的工作性能和保坍性能要好。

2.3 力学性能及抗渗性能

经试验，混凝土的力学性能及抗渗性能如表7所示。

表7 混凝土的力学及抗渗性能

通过对比试验可以看出：以上3种机制砂和天然河砂配制的混凝土在强度方面均能满足要求，但混合机制砂混凝土的28d 强度要优于其他3 种砂；5d 弹性模量均能达到设计弹性模量的90%以上；机制砂混凝土的抗渗性能明显优于天然河砂混凝土。

3 确定最终设计配合比

经考察，岳阳湘阴河砂运至工地的价格约为260元/t，比本地机制砂运至工地的单价高2.7 倍，运输成本太高，最终只能弃用。靖州亿安砂石厂为国有企业，碎石机制砂的生产线为比较先进的每小时产量100t 的大型水洗制砂设备。施工单位和业主多次与厂家协调，要求厂家调整机制砂的细度模数和级配，而厂家不愿承担因降低机制砂的细度模数而导致功耗成本增加且产量降低的结果，最终没有进行调整。为了使预应力混凝土达到更好的工作性能，最终采用60%碎石机制砂+40%鹅卵石机制砂的比率进行掺配，以确保级配和细度模数符合二区中砂要求，配制C50 预应力混凝土。最终确定的设计配合比见表8。

表8 最终的设计配合比 单位：kg

4 预制箱梁、T梁的实际生产情况

4.1 拌和

拌和站采用2 台三一重工HZS180 型主机，每盘混凝土最大拌和量为3m3，实际生产能力为252m3/h。料仓采用全覆盖的钢结构棚架，共设7 个料仓，其中5 个为粗集料储料仓，2 个为细集料储料仓，每个料仓面积为12m×40m，采用高4m 的钢板隔离，有效避免了串料和因天气原因影响砂石料含水量的情况。试验人员在开盘前测量砂石料的含水率，填写施工配合比通知单。在试验人员的指导下，拌和站控制室严格按照施工配合比通知单及配料工艺进行配料。为保证拌和均匀，搅拌时间由规范要求的不少于90s 提高到不少于120s。在拌和时，试验人员和驻场监理人员需不时打开搅拌仓目测拌合物的工作性能；在正式发料前要求拌和站试验人员对新拌混凝土进行取样，进行坍落度和扩展度试验，检测混凝土的工作性能是否符合要求，检测合格才能签认发料。

4.2 运输

梁场设置在拌和站边上的主线路基上，正常运输时间约为10～15min，采用2 台三一重工或中联重科的12m3混凝土罐车进行运输， 运输途中以2～4r/min 的速度慢速搅动，卸料前采用快速挡旋转搅拌罐至少20s；要求试验人员每一车都跟车看料，随时掌握混凝土的工作性能情况，一旦发现有异常情况，此车混凝土不得用于浇筑梁板，并对下一车混凝土的砂率或用水量进行微调。前场和后场的混凝土工作性能必须都合格后才能用于梁板混凝土的浇筑。当夏天天气炎热、坍落度损失快时，采用小方量、多车次的方法运输，不得随意加水。

4.3 布料

采用10t 龙门吊吊运2m3料斗的模式进行分层对称浇筑，每层浇筑厚度不得超过300mm。正常浇筑一片40m3左右的30m 箱梁需要3h 左右。经现场取样试验，C50机制砂混凝土初凝时间为6h，完全满足施工需求。

4.4 振捣

因为机制砂混凝土振捣时容易出现过振离析的现象，所以对振捣工作的要求很高。对预制梁腹板较窄位置采用ϕ50mm或ϕ30mm插入式振捣棒+高频附着式振动器的组合进行振捣。插入式振捣棒移动间距不应超过振动器作用半径的1.5 倍；与侧模应保持50～l00mm的距离；插入下层混凝土50～l00mm；每一处振动完毕后应边振动边徐徐提出振动棒；应避免振动棒碰撞模板、钢筋及其他预埋件，尤其是波纹管的位置，插入式振动棒严禁停留在波纹管上振捣赶料，防止造成过振离析，否则拆模后容易在梁体表面波纹管的位置出现分层波纹现象。对箱梁腹板与底板及顶板连接处的承托、预应力筋锚固区以及其他钢筋密集部位，应特别注意振捣。高频附着式振动器按1m 间距对称设置，随混凝土的浇筑顺序，对称一个或多个开启振动，高频振动时间为17～25s。对每一个振动部位，必须振动到该部位混凝土密实为止。振捣环节，工作人员应规范操作，严禁在绑扎好的钢筋网上乱踩乱踏，防止钢筋变形错位，影响钢筋保护层厚度。

4.5 收光

在面板混凝土初凝后至终凝前用木抹子搓揉收浆，以消除混凝土表面缺陷，防止产生塑性收缩裂缝。采用两次收浆的方法更能达到减少或消除表面收缩裂纹的效果。

4.6 养护

混凝土浇筑后，如气候炎热、空气干燥，不及时进行养护，混凝土中水分会蒸发过快，形成脱水现象，会使已形成凝胶体的水泥颗粒不能充分水化，不能转化为稳定的结晶，缺乏足够的黏结力，从而导致混凝土表面出现片状或粉状脱落。此外，在混凝土尚未具备足够的强度时，水分过早蒸发还会产生较大的收缩变形，出现干缩裂纹。所以混凝土浇筑后，初期阶段的养护非常重要，混凝土终凝后应立即进行养护。而机制砂相对河砂在混凝土浇筑后，初期更容易发生收缩变形而出现裂纹。本项目日常采用智能自动喷淋系统，配合定制的双层土工布（400g/m2）经缝边处理后的养生毯，全面覆盖梁板，有效地减少了水分蒸发，达到了保湿的效果。在冬季采用智能电加热蒸汽养护系统配合加厚油布覆盖蒸汽养生。良好的养生能使混凝土表面始终处于湿润状态，从而减少机制砂混凝土早期的干缩裂纹，保证混凝土质量。

4.7 强度及耐久性

目前靖黎一标采用掺混合机制砂的预应力混凝土已生产了梁板900多片。据统计：同条件养护试件夏季5d 强度和冬季7d 强度均能达到设计值的90%以上，弹性模量5d均能达设计弹性模量的90%以上；900多片梁的28d 平均强度为60.4MPa，代表值为58.4MPa。通过对龄期为3 个月的梁板进行回弹强度和碳化深度检测，强度评定值均达到60MPa，实测碳化深度平均值小于2mm；实测碳化深度与实测钢筋保护层厚度的比值KC＜0.5，可以确定此混合机制砂预应力混凝土的碳化评定标度为1，强度和耐久性均满足要求。

4.8 外观质量

本项目采用按设计图纸定制的自行式整体液压不锈钢模板，很好地解决了因施工人员拼装时人为因素引起的误差，杜绝了模板拼装时易出现的错台等缺陷，有效提高了梁板的外观质量。一般在浇筑完成后的第二天拆模，拆模后梁板的翼板及腹板位置有明显的镜面效果。前期有一段时间，梁中两侧波纹管的位置出现1～2m 长的水波纹现象，经多次调整布料和振捣方式后，成功消除了水波纹现象。总体外观质量较好，无缺边掉角等现象，结构混凝土无外观质量缺陷。

5 结语

随着天然河砂产能的下降、质量的不稳定及成本的限制，再加上机制砂的物理技术性能完全能够满足预应力混凝土中细集料的要求，机制砂在预应力混凝土中的应用和推广将是可持续且势在必行的，在实际应用中也得到了验证并受到了认可。本文就机制砂在预应力混凝土中的配合比设计及施工工艺进行探析，结合工程实例充分说明了机制砂应用于预应力混凝土的可行性，可为同类工程提供参考。在实际使用中，各地的机制砂质量参差不齐，为了保证混凝土的质量，参建各方都应严格控制机制砂的各项物理性能指标，加强试验检测工作，严防不合格的机制砂进入混凝土施工中。