人工砂在高强度预应力混凝土管桩中的应用.pdf

2 0 1 3年第 9期 9月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C 0NC RE T E AND C EME NT P RODUC T S 2 01 3 No 9 S e p t e mb e r 人工砂在高强度预应力混凝土管桩中的应用 张启兵 ( 江苏金鼎基础建材有限公 司， 盐城 2 2 4 6 0 0 ) 摘要 ： 介绍 了人工砂( 石矿尾屑和 卵石砂) 在 高强度预应力混凝 土管桩 中的应用 ， 并作 了试验研 究。结果表 明， 掺入一定量的人 工砂 不但 可以提 高混凝 土的强度和性 能， 而且具有一 定的经济优 势。掺 入人工砂 生产 出的管桩 完全 能满足工程施工 需要 ， 特 别是 对于年设 计生产能力 1 0 0万 m 管桩的生产单位 ， 人工砂具有更大的应用价值。 关键词 ： 人工砂 ： 管桩 ； 应用 A b s t r a c t ： T h e a p p l i c a t i o n o f a r t i fi c i a l s a n d( s t o n e c h i p t a i l s a n d a n d p e b b l e ) i n h i g h s t r e n g t h p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i l e s i s i n t r o d u c e d ，a n d s o me r e l a t i v e e x p e rime n t a l s t u d i e s a r e c a r r i e d o u t T h e r e s u l t s s h o w t h a t a d d i n g a c e r t a i n a mo u n t o f a rti fi c i a l s a n d c a n n o t o n l y i mp r o v e t h e s t r e n g t h a n d p e rf o r ma n c e o f c o n c r e t e b u t h a v e s o me e c o n o mi c a d v a n t a g e s rnl e p i l e s wi t h a rt i fi c i a l s a n d c a n c o mp l e t e l y me e t t h e r e q u i r e me n t s o f e n g i n e e ri n g c o n s t r u c t i o n ，e s p e c i a l l y f o r p r o d u c t i o n c o mp a n i e s wh o s e t h e a n n u a l d e s i g n p rod u c t i o n c a p a c i t y i s 1 mi l l i o n me t e r p i l e s ， a r t i fi c i al s a n d h a s g r e a t e r a p p l i c a t i o n v alu e Ke Y wo r d s ： Ar t i fic i al s a n d ； P i l e s ； Ap p l i c a t i o n 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标识 码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 9 3 5 0 4 0前 言 我国砂的年产量约为 7亿多 t ，目前多数地 区 应用的是天然砂 而天然砂是一种 地方性资源 ， 且 分 布很不均匀 ， 短 时间内不可再生 ， 也不适宜长距 离运输。在 自然资源匮乏的今天 ， 不少地方政府 已 明文禁采或 限采 自然砂 。随着 国家工 程建设 的发 展 ， 市场对砂 的需求逐渐增大 ， 价格也节节攀升 ， 较 大地影响了工程建设 的进展及建设成本投资。特别 对一些 自然资源本身稀少 的地区 ，在需求旺期 ， 甚 至 出现供砂紧张或无砂可用 的现象 。另外 。 伴随 由 普通混凝土向高性能高技术混凝土 的发展与转 型 ， 现代混凝土对砂 的技术质量要求越来越高 ， 但能满 足其使用要求的 自然砂也越来越少 ， 甚至没有 。因 此 ， 人工砂在工程上使用就突显其重要性 ， 并成为 工程建设用砂 的重要来源。在大量采矿和开采过程 中会伴随产生约 2 0 的尾矿 。据了解 ， 全 国各地的 采石矿经过多年 的开采 ， 有相 当部分的尾矿未得到 重视且根本没有得到合理利用 。 形成大量 的尾矿堆 积如山， 既污染环境 占据土地 ， 又浪费资源。同时 ， 还有大量 的河道卵石 ， 基本没有利用 ， 占据了大片 河道。尾矿是生产人工砂很好 的原料 ， 通过人工除 土处理 ， 平均每吨尾矿可以生产约 0 9 3 t 人工砂 。尾 矿来源广泛 、 质 量稳定 ， 而且在价格上也 与 自然砂 具有一定的可比性 ， 用尾矿加工生产的人工砂具有 广阔的市场前景 。尾矿人工砂 的运用 ， 既解决了环 境污染问题 ， 又提高 了资源利用率 ， 形 成综合效益 ， 完全符合可持续发展的基本 国策 。 1 人工砂及其石粉的特点 1 1 人工砂的特点 人工砂基本为中粗砂 ，细度模数在 2 6 3 6之 间， 颗粒级配稳定， 含有一定量 的石粉 。从其外表上 看 ， 人工砂与天然砂 明显不同： 天然砂外表基本呈黄 色 ， 而人工砂多数呈灰白色或黑色； 天然砂粒型呈 圆 形 ， 而人工砂粒型多呈三角体或方矩体 ， 表面粗糙 、 棱角尖锐 。各地区的人工砂因矿产原料、 加工方法、 加工设备等不同 ， 其颗粒形状 、 粒级分布 、 石粉含量 等会有不小 的差别 但人工砂是可对其进行调整和 改进 的 ， 天然砂则不能。利用天然砂与人工砂 的外 形特 点 。 两者混合使用 ， 在形态效应作用下 ， 既能保 持混凝土及砂浆原有的流变性能 ， 又能增加骨料和 水泥浆之间的粘结力 。人工砂在性能上主要有以下 几个特征 ： ( 1 ) 人工砂基本为中粗砂 ， 在拌制混凝土或砂浆 时 ， 其砂率一般要 比天然砂增大 3 5 ， 采用人工 砂拌制的混凝土或砂浆粘聚性较差 ， 易产生泌水 ， 但 可以通过石粉含量的改变得到有效改善 。 ( 2 ) 由于加工所造成人工砂针片状含量较多 ， 颗 粒 内部会产生许多微裂纹 ， 空隙率也 比自然砂增大。 新拌混凝土或砂浆在保持坍落度或稠度基本相同的 情况下， 其用水量会 比一般 自然砂增多 ， 但一般情况 一 3 5 2 0 1 3年第 9期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 9期 下 ， 2 8 d强度并不降低甚至有所提高。 ( 3 ) 人工砂与被加工母 材材质相 同 ， 其矿物组 成 、 化学成分 、 热学性能与碎石保持一致。 ( 4 ) 人工砂其粒形 、 级配可 以进行调整 ， 而且粗 细级配容 易得 到控 制 。 1 2 石粉的特点 石 粉是 在人 工 砂 加 工 过 程 中形 成 的 粒 径 小 于 7 5 m的细粉状颗粒 ，其矿物组成和化学成分与被 加工母岩相同。石粉具有微集料填充效应。在人工 砂混凝 土中， 适量石粉的存在是有益的。其微细颗 粒均匀分布于水泥浆体的基相之中， 填充 了其中的 孔隙，弥补 了人工砂配制混凝土和易性差 的缺陷。 同时 ， 它的掺人对完善混凝土特细骨料 的级配以及 提高混凝土密实性都是有益的。此外 ， 有资料表明， 石粉不但能加速水泥水化还能与水泥熟料一起参 加水化反应 ， 生成水化碳铝酸钙 ， 能有效阻止钙矾石 向单硫型水化硫铝酸钙晶体转化 ， 使水化更充分 ， 结 晶产物 更稳定 。 2混凝 土的配 制及对 比分 析 因管桩本身设计强度要求较高 ，而且需经过成 百上千次锤击打入地面以下 ， 所以人工砂在使用时 必须首先考虑混凝土的强度和本身的抗渗性能 ， 其 次还应考虑生产工艺 、 混凝土的工作性及施工性能 等要求 。 2 1 混凝土配合 比试验 2 1 1 各材料性能 ( a ) 河砂( 产地： 长江) 含泥量 ： 1 2 ； 泥块含量 ： 0 0 ； 松散堆积密度 ： 1 4 8 0 k m 3 ； 表观密度 ： 2 5 8 0 k m ； 空隙率 ： 4 3 。 河砂 级 配见表 1 。 表 1 河砂级配 ( b ) 卵石 砂 产地： 杭州石门。石粉含量 ： 2 8 ；泥块含量 ： O 0 ； MB值 ： 0 7 ；压碎指标 ： 1 2 ；松散堆积密度 ： 1 5 2 0 k m ； 表观密度 ： 2 6 3 0 k g m ； 空隙率 ： 4 2 。卵石 砂级 配见 表 2 。 ( c ) 石 屑 表 2 卵 石 砂 级 配 产地杭州石 门。石粉含量 ： 2 0 ；泥块含量 ： O 0 ； MB值 ： 0 6 ；压碎指标 ： 1 5 ；松散堆积密度 ： 1 4 4 0 k m ； 表观密度 2 5 7 0 k g m。 ； 空隙率 ： 4 4 。石屑 级配见表 3 。 表 3 石屑级配 ( d )石子 含 泥量 ： 0 4 ； 泥块 含量 ： 0 0 ； 松 散堆 积 密度 ： 1 4 5 0 k m ； 表观密度 ： 2 6 3 0 k g m ； 空隙率 ： 4 5 。石子 级配见表 4 ， 产地海盐 ， 5 2 5 m m连续碎石。 表 4 石 子级配 ( e ) 水 泥 P - 0 4 2 5级水泥， 产地嘉兴， 其成分和性能见表5 。 一 3 6一 ( f ) 粉煤灰 I I 级灰， 产地嘉兴电厂 ， 其成分和性能见表 6 。 张启兵 人工砂在高强度预应力混凝土管桩中的应用 ( g ) 减水剂 产地 ： 嘉兴某混凝土 H J n 剂公 司， 萘系与脂肪酸 复配型高效减水剂 ， 其基 本性能见表 7 ( 注 ： 减水剂 掺量为水泥用量的 1 8 ) 。 表 7 外 加剂的基本性能 2 1 2 不 同掺量人工砂混凝土配合 比 表 8为 A、 B 、 C、 D、 E五类混凝土 的配合 比及其 性能。 表 中的 A E五类混凝土在保证稠度基本相同 的情况下对用水量略有调整。 表 8 A、 B、 C、 D、 E五类混凝 土的配合比及其性 能 图 1 为天然砂和人工砂不 同掺量时强度的变化 情况 。 图 2为天然砂和人工砂不 同掺量时坍落度的变 化 情况 。 童 蜓 密 注 ： A 一1 0 O 自然砂 ； B 一3 O 自然砂+ 7 0 卵 石砂 ； C 一3 0 自然砂+ 5 0 卵石 砂+ 2 0 石屑 ； D 一3 O 自然 砂+ 3 5 卵石 砂+ 3 5 石屑 ： E 一3 0 自然砂+ 2 0 卵石砂+ 5 0 石屑 。 图 1 天然砂和人工砂不 同掺量 时强度 的变化情况 图 2 天然砂 和人 工砂 不同掺量 时坍 落度 的变化情况 由图 1 和图 2可以看出： 一定 比例的自然砂 、 卵 石砂与石屑配制的混凝土强度最高 且新拌混凝 土 和易性最好 。随着人工砂掺人量的增大 ， 其用 水量 也逐渐增大。通过对卵石砂与石屑用量 比例调整 ， 其强度也随之发生变化。通过人工砂与 自然砂的复 掺使用 ， 优势互补 ， 能取得 良好的效果。 一 3 7 2 0 1 3年第 9期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 9期 2 2 抗 渗性 能 混凝土 的抗渗性是指混凝土抵抗压 力水渗透 的能力 。本次试验将表 8中 A、 B、 C、 D、 E五组混凝 土分 别制作成 6个尺寸 为 1 8 5 mm 1 7 5 m m 1 5 0 m m 的混凝土 圆台试件 ，各试件均从 0 1 MP a开始施加 水压 每隔 8 h增压 0 1 M P a ， 直至每组 6个试件 中 有 3个表面 出现渗水时 ， 停止试验 ， 并记录此时的 最大水压值 。 通过公式 S = 1 0 H 一 1 换算混凝土的抗渗 等级 。由于管桩所用混凝土属低塑性范畴， 其水胶 比一般根据经验取值且 比较低 ，对 A、 B 、 C、 D、 E五 种混凝 土压力分别加到2 5 MP a时还没有一个 出现 表面渗水 。我们将这五组混凝土的试块全部从 中劈 裂后发现水渗入的高度非常小 ， 渗水 的最高部位往 往是有大粒径粗集料的地方 。有大粒径粗集料的地 方渗水最高为 3 0 e m， 没有大粒径粗集料的部位渗水 最高的也仅有1 5 c m 也就是说高强混凝土硬化后 的 水泥浆体 的抗渗能力是非常强的 ， 掺人人工砂后未 对混凝土抗渗性能产生过大的影响。 3生产 运用 表 9为掺人人工砂后管桩混凝土的配合比及其 性 能 。 由于管桩是工厂化生产 ， 人工砂 的运用必须满 表 9 管桩混凝土配合比及其性能 足工艺 的各方面要求 。由试验结果可以看出 ， 不同 人工砂掺入量对强度有很大的影响 ， 所 以混凝土在 配料用量方面必须准确计量 。 另增加计量料斗。考 虑到人工砂不能将过多的粉料洗去 ， 以免对级配产 生影响 ， 所以其 中的粉料 比较多 ， 有时粘聚成团 ， 实 际的搅拌时间应在原有基础上适当增加 1 5 2 5 s 。稠 度必须按原有工艺要求控制好 一般夏季 5 7 e m， 冬 季 B - g e m， 太干会产生布料困难 ， 太稀又会产生漏浆 等一 系列问题。而最终的产品成型是要靠离心 ， 离 心是管桩桩体密实和初始结构 强度形成 的关键一 步 ， 人 工砂 的密度 比 自然砂要小 ， 离心时会产 生分 离和分层的现象 ， 在实际生产运用时应该对原有 的 离心制度加 以调整 。 适 当延长中速时间 减少高速 的转速 ，避免在管桩内壁极形成很厚 的石粉层 ， 影 响整个管桩的实体强度。从离心排出的余浆可以看 出， 浆 水的浓度 比以前 的稀 很可能是骨料之间的 搭接更为致密 ， 细颗粒大都渗入到微小 的缝 隙中去 了。蒸养一般不需要调整 可按原先 的工艺制度执 行 。 经过部分生产工艺的适 当调整 实际生产 的管 桩从外观和强度来看和原先 的没有根本性 的区别 。 且外观质量还略有提高。 4施 工效果 通过对使 用人工砂生产 的成 品管桩进行钻芯 取样 ， 发现桩身混凝土截面无 明显分层现象 ， 桩 头 混凝土的密实度也比纯 自然砂配制的要好。此批生 产 的 1 0 0 0余 i n管桩经过工地的实际运用 施工中 一 38一 未发现有破损的现象 ， 施工一切顺利 ， 得到施工单位 的一致 好评 。 5结语 随着基本建设 的 日益发展， 在我 国不少地 区已 出现天然砂供求紧张的现象 。而与此同时 ，人工砂 以其丰富的尾矿资源 ， 低廉的价格 ， 深得各建设 和施 工单位的喜爱。 由于人工砂的应用渐成趋势 ， 人工砂 的制造机械 、 设备也达到了一定的水平 ， 国内有一批 新 崛起 的人 工 砂制 造设 备 也 进入 了较 先进 的行 列 。 对于一个年生产能力 1 0 0万 m管桩的生产单位来 说 ， 在保证产品质量的前提下 ， 光就人工砂 的投入使 用 一年就 可节 省一笔 可观 的成本 开 支 。 所 以 ， 人 工砂 的合理使用就突显其重要性 ，需要我们各类工程技 术人员更深层次的研究和试验 。 参考文献 ： 1 】 陈家珑 人工砂 一 新型建设 用砂 J 新 型建筑材 料， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 3 2 3 4 2 】 蔡路， 陈太林 人 工砂的研究 与应用【 J 上 海建材 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 2 4 2 6 3 1 蒋元海 人 工砂 代替天然砂生 产预应力高强 混凝土 管桩 J 辽宁建材， 2 0 0 5 ( 6 ) 5 2 - 5 3 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 7 2 7 作者简 介： 张启兵( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 工程师。 通讯地址 ： 江苏省响水县经济开发区东海路 北首 联 系电话 1 5 2 1 2 2 9 2 9 7 7 E ma _ l ： 7 6 7 6 6 9 3 2 9q q c o m