人工砂配制高性能混凝土在高速铁路中的应用.pdf

2 0 1 1 年 4月 第 2卷 第 2期 高速铁路技术 HI GH S PE E D RAI L W AY T E CHNOL OG Y No 2， Vo 1 2 Ap r 201 1 文 章编 号 ：1 6 7 4 8 2 4 7 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 5 9 0 4 人工砂配制高性能混凝土在高速铁路 中的应用 王 越 云 ( 中铁 十二局集 团有 限公 司 ， 太原 0 3 0 0 2 4 ) 摘要： 利用人工砂代替天然砂配制混凝土不仅满足了因天然砂资源越来越短缺而造成的对混凝土细骨料 的需求 ， 也是今后混凝土的发展方向。尤其是用人工砂配制高性能混凝土是 目前混凝土发展的重要方向之 一 。结合大西铁路客运专线八标段在现场施工中应用人工砂配制高性能混凝土的经验， 介绍了人工砂的来 源、 特点， 利用人工砂配制高性能混凝土 ， 混凝土配合比设计及现场施工应用控制等施工技术， 为人工砂在高 速铁路 上的应用和生产 提供一定参考 。 关键词： 人工砂 ； 配合比； 高速铁路 ； 高性能混凝 土 中图分 类号 ： U 2 1 4 1 8 文献标识码 ： B Ap p l i c a t i o n o f Hi g h Pe r f o r m a n c e Co nc r e t e M i x e d wi t h Ar t i fic i a l S a n d i n Co n s t r uc t i o n o f Hi g h s p e e d Ra i l wa y W ANG Yue yu n ( C h i n a R a i l w a y 1 2 t h B u r e a u G r o u p C o ， L t d ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Pr e p a r i n g c o n c r e t e wi t h a r t i fic i a l s a n d i n s t e a d o f n a t ur a l s a n d， e s pe c i a l l y f o r hi g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e，h a s b e c o me a t r e n d i n c o n c r e t e w o r k s a s t h e r e i s a n i n c r e a s i n g s h o rt a g e o f fi n e a g g r e g a t e o n ma r k e t B a s e d o n t h e e x p e r i e n c e o f p r e p a r i n g h i g h p e r f o r ma nc e c o n c r e t e mi x e d wi t h a r t i fi c i a l s a n d i n t h e c o n s t r u c t i o n o f 8t h bi d l o t o n Da - Xi p a s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e c o n d u c t e d b y t h e 1 0 t h P r o j e c t D e p a r t me n t o f C h i n a R a i l w a y 1 2 t h B u r e a u G r o u p C o ， L t d ， t h e p a p e r p r e s e n t s c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e o f a r t i fi c i a l s a nd c o n c e r n i n g i t s f e a t u r e，mi x p r o po r t i o n，a nd a p p l i c a t i o n e t cwh i c h ma y o f f e r r e f e r e n c e for p r o d uc t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f a r t i fic i a l s a n d o n h i 【g hs p e e d r a i l wa y Ke y wor ds： a r t i fic i a l s a n d；mi x pr o p o r t i o n；hi g h s p e e d r a i l wa y；h i g h pe r f o r ma n c e c o nc r e t e 1 概况 砂是混凝土的重要组成材料 ， 天然砂资源是一种 自然资源 ， 短时问内不可再生 ， 目前我 国不少地 区出现 天然砂资源短缺， 甚至无天然砂可用 的状况 。因此 ， 利 用人工砂配制混凝土 ， 不仅满足 了因天然砂短缺而造 成的对混凝土细骨料的需求 ， 也是今后混凝土 的发展 方向， 尤其是用人工砂配置高性能混凝土是 目前混凝 土 发展 的重 要方 向之一 。 大西铁路客运专线八标段位于 山西省临汾市侯马 市和运 城 市 闻喜 县 境 内， 在 施 工 里 程 为 D g 2 5 8 2+ 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 1 2 - 2 7 作 者简介 ： 王越 云( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 工程师 。 3 3 3 0 9D K 5 9 2+7 3 2内， 主要 工 程 是 东 南 张 隧 道 ( 2 3 9 0 m) 、 龙头堡隧道 ( 1 0 4 9 i n ) 、 干庆隧道 ( 6 6 9 1 m) 、 张家院中桥 1 3 6 m、 下寨 中桥 4 8 m， 混凝土 总方量约 4 11 0 m ， 混凝土强度等级从 C 2 0到 C 5 0都有 ， 设计 全部为高性能混凝土 。由于地 域原因 ， 工程所在地方 圆近百公里无河流 ， 天然砂稀缺， 在施工 中采用人工砂 拌制隧道用各种混凝土 ， 取 得了 良好 的效果。人工砂 的生产原材料在该地区主要有两类 ， 一类是直接用大 块的碎石经过机器破碎 ， 在经过筛分和冲洗而得来的， 这类人工砂质量较好 ， 品质也好控制 ， 质量也稳定 ； 还 有一类就是用 老河道里 的鹅卵石破碎 而形成 的人工 砂 ， 该类人工砂的品质不好控制 ， 质量也不稳定 ， 其 中 的石粉及含泥量都不好控制 ， 冲洗 的次数不够 ， 细颗粒 会超标 ， 冲洗的次数多 了， 细颗粒 又会大量流失 ， 筛分 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2期 王越云： 人工砂配制高性能混凝土在高速铁路中的应用 2 0 1 1年4月 和细度模数不宜合格 ， 此类人工砂慎用。 2 原 材料 2 1 水 泥 选用的是冀东海天闻喜水泥厂生产 的P 0 4 2 5 普 通硅酸盐散装水泥 ， 主要技术指标如表 1所示 。 表 1 水泥的技术要求表 序号 项 目 技术要求 实测值 3 5 0 m k g( 硅 酸盐 l 比表 面积 水泥 、 抗 硫 酸 盐 硅 酸 3 3 0 m k g 盐水泥) 初 凝 4 5 rai n ， 终 凝 初凝 1 9 5 ra i n ，终凝 2 凝结时间 6 0 0 mi n ( 硅 酸盐 水 2 8 5 rai n 泥终凝 t3 5 ， 抗 3 d抗 折强 度 4 8 ， 压 强 度 1 7 0；2 8 d 抗 压 强 度 2 4 6 ； 1 O 强度( MP a ) 抗折 强度 6 5 ， 抗 压 2 8 d 抗折强度 8 1 ， 强 度J4 2 5 抗 强度 4 9 O 注 ： ( 1 ) 当骨料具有碱 一硅酸反 应活性 时， 水泥 的碱 含量不应超 过 0 6 0 ； ( 2)C 4 0及 以 上 混 凝 土 用 水 泥 的 碱 含 量 不 宜 超 过 0 6 0 。 2 2细 骨料 细骨料采用 的为侯马市大南庄砂 场生产人工砂 ( I I 区中砂 、 细度 模数 2 7) 其 主要技 术 指标 如表 2 所示 。 表 2 砂 中有 害物质 含量表 序号 项 目 贡量指标 实测值 C 3 0 C 3 0C4 5 C 5 0 l 含泥 量 ( ) 3 O 2 5 2 O 1 8 2 泥块含量( ) O 5 0 3 云母含量( ) 0 5 O 4 轻物质含量( ) 0 5 0 5 氯离子含量( ) O O 2 O o o 3 硫化物及硫酸盐含量( 折 6 0 5 O 0 5 算成 S O ) ( ) 7 碱活性 0 1 O 0 0 3 9 颜色不应深于标准色 ， 如深 有机物含量( 用 比色法试 于标准色， 则应按水泥胶砂 8 强度试验方法进行 强度对 合格 验) 比试验 ， 抗压强度比不应低 于 0 9 5 MA 、l M B 1 4 0 l O 0 7 0 5 O 9 仍 M B 1 4 0 5 O 3 0 2 O 3 5 2 3粗 骨料 粗骨料采用的是曲沃杨谈石场生产的 级配的机 制碎石 ， 为 51 6 m i l l 和 1 63 1 5 i n m组成的连续级 配碎石 ， 其主要技术指标如表 3所示。 表 3 ( a ) 粗 骨料的有害物质含量表 质量指标 项目 实测值 C 3 0 C3 0C 4 5 C5 0 含泥量 ( ) 1 0 1 O O 5 0 2 泥块含量 ( ) O 2 0 针 、 片状颗粒总含量 ( ) l O 8 5 1 5 硫化物及硫酸盐含量 ( 折算成 O 5 0 1 3 S O 3) ( ) 氯离子含量 ( ) O 0 2 0 o o 1 碱活性 O 1 0 0 0 3 8 表 3 ( b ) 粗骨料的压碎指标表( 单位 ： ) 混凝土 C 3 0 C 3 0 强度等级 变质岩或 变质岩或 实测值 , i 4 7 水成岩 深成的 火成岩 水成岩 深成的 火成岩 种类 火成岩 火成岩 碎石 l 6 2 O 3 0 l O l 2 1 3 7 2 卵石 l 6 1 2 2 4粉煤灰 粉煤灰为 山西漳泽 电力股份有 限公 司生 产的 F 类 I I 级粉煤灰 ， 掺量为胶凝材料总用量 的 1 5 ， 主要 技术指标如表 4所示。 表 4 粉煤灰 的技 术要 求表 技术要求 序 号 名称 实测值 c 5 o以下混凝土 c 5 o及以上混凝土 l 细度( ) 2 5 1 2 l 2 3 2 氯离子含量( ) 不宜大于 0 0 2 O 0 1 l 3 需水量 比( ) 1 0 5 9 5 9 2 4 烧失量( ) 8 0 5 0 2 8 4 5 安定性 5 O 合格 6 S O 3含量 ( ) 3 0 O 5 6 7 C a O含量 ( ) 1 0 ( 对 于硫 酸盐侵蚀环境 ) 2 2 8 8 游离 C a O含量 ( ) 1 0 ： F类 ) 0 6 4 2 5 磨细矿粉 磨细矿粉为闻喜彤 阳炉料有限公司生产的 $ 9 5级 高炉矿粉 ， 掺量为胶凝材料 总用量 的 1 5 ， 主要技术 指标如表 5所示。 表 5 矿渣粉的技术要求表 序号 名称 技术要求 实测值 1 M g O含量 ( ) 1 4 0 8 6 6 2 S O3 含量 ( ) 4 0 2 3 1 3 烧失量 ( ) 3 0 1 4 6 4 氯离子含量 ( ) 0 O 6 0 O 2 O 5 比表 面积 ( m k g ) 3 5 05 0 0 4 5 0 6 流动度 比( ) 9 5 1 0 2 7 密度 ( g C n rl ) 2 8 2 9 8 2 8 d活性指数 ( ) 9 5 l 0 l 2 5外加剂 本工程采用的是上海法拉德建材有限公司生产的 A O S型聚羧酸系高效减水剂 ， 掺量为 1 。主要技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 王越 云 ： 人 工砂配制高性 能混 凝土在高速铁路 中的应用 指标如表 6所示 。 表 6 外 加剂的性 能表 序号 项 日 指标 实测值 1 6 0 m i n坍落度保留值 ： ra m) l 5 0 1 7 5 2 硫酸钠 含量 ( ) 5 O 3 2 7 3 氯离子 含量 ( ) 0 6 0 O 5 4 碱含量 ( N a 2 O+ 0 6 5 8 K 2 O) ( ) 1 O O 4 O 0 5 减水率 ( ) 2 5 2 7 3 6 含气量 ( ) 3 0 2 7 7 甲醛含量 ( ) 0 0 5 0 O 2 初凝 一 9 0+1 2 0 +3 O 8 凝结时 间差 ( mi n ) 终凝 一 9 O + l 2 O 一1 0 9 常压泌水率 比( ) 2 0 0 1 0 压力泌水率 比( ) 9 0 4 6 9 7 d 】 4 0 1 5 4 1 l 抗压强度 比( ) 2 8 d 1 3 0 1 4 2 l 2 对钢筋锈蚀作用 无锈蚀 无锈蚀 1 3 收缩率 比( ) l 1 0 1 0 2 3 配合 比 比选 高性能混凝土是一种高流动性 、 耐久性的混凝土 。 要达到高性能的 目的 ， 就应提高混凝土的密实度 ， 增加 各组成颗粒间的黏聚力 ， 尽量消除混凝土中的空隙， 使 其接近匀质状态 。在混凝土配合 比设计时 ， 应考虑 以 下方面 ： ( 1 ) 考虑采用低 水胶 比并掺加 高效缓凝减水 剂 ， 同时掺加活性磨细材料 如粉煤灰 、 矿渣粉 等 ( 活性磨 细材料具有一定的减水分散作用 ) ， 达到节省水 泥 ， 降 低混凝土成本 ， 提高混凝土工作性能的 目的。 ( 2 ) 考虑骨料 的粒形粒 径 、 级配及 含泥量对 混凝 土耐久性及工作性能的影响。骨料的形状对混凝土工 作性能影响较大 ， 骨料粒形级配好 ， 混凝土 的工作性 、 耐久性就好 ， 同时可以降低 比表面积 ， 节约水泥 ， 故粗 骨料宜选用反击破生产 的碎石 ； 当细骨 料采用人工砂 时 ， 由于人工砂多是在生 产过程 中采用破碎筛分经 冲 洗而来 ， 故其形状相对不像天然砂 圆滑 ， 相对 比表面积 较大 ， 且在生产清洗时易造成较细颗粒的流失 ， 使其级 配不 良， 使工作性不 良， 增大混凝土的胶凝材料用量 ， 提高混凝土的成本。配制7 昆 凝土尤其是高性能混凝土 使用细度模 数为 2 63 0的 2区砂 ( 中砂 ) 最为 理 想 ， 如细度模数增大或降低会使用水量发生改变 ， 使混 凝土耐久性 降低 。在人工砂 中如粉末较 多 ( 砂、 石含 泥量 、 石粉含量 ) 也会增加 用水量从 而降低 了混凝 土 的工作性能和耐久性能 ， 如果石粉含量较多会使混凝 土粘 结性 较差强 度减小 ， 抗 冻性 等耐久 性也会 随之 降低。 ( 3 ) 选用 的水 泥 与J l- D l 剂 的适 应性必 须表 现 良 好 ， 才能保证混凝土坍落度损失小 、 混凝土才有 良好 的 和易性和流动度 ， 便于工地泵送入模。 本文在分析了人工砂的粒形 、 细度模数 、 级配及石 粉含量对 高性能混凝土性能的影响后 ， 通过对各类配 合 比进行计 算及试拌 ， 其各项参 数均满足 设计要求 。 ， _ 经 验 选 定 的 配 合 比 进 行 试 配 ，经试拌混凝土坍落度 、 粘哪 聚性 、 流动性和饱水性 等均满 足要求 。以此配合 比作 为混凝土强度试验用 的基准 配合 比， 制作混凝 土强度 试件及耐久性试件 ， 经试验结果满足设计要求 ， 试验结 果如表 7和表 8所示 。 表 7 基准配合 比原 材料参数表 编号 I水胶比 I C ( k g ) f F ( k g ) f K ( k g ) f S ( k g ) f G ( k g ) ( k g ) f J l- D t i 剂( g ) l 坍落度( m m ) l 实测容重( t , g m ) 1 l 0 4 2 l 2 5 8 l 5 5 l 5 5 l 7 6 9 l 1 1 0 8 l 1 5 5 l 3 6 8 l 2 2 0 i 2 3 8 0 表 8 基 准混凝土配合 比拌 和物、 力学 、 耐久性 能情 况表 坍落度 ( mm) 泌水率 含气量 电通量 抗压强度 ( MP a ) 项 目 抗裂性 抗 渗性 抗冻 性 初始 1 h ( ) ( ) ( C) 3 d 7 d 2 8 d 5 6 d 实测值 2 2 0 1 9 O 0 3 6 无 裂纹 8 2 l 2 7 1 3 8 2 4 6 9 4 9 8 P 1 0 F 3 O 0 同一配合 比用 陕西西安灞桥生产 的天然 河砂 ( I I 区中砂 、 细度模数 2 8 ) 进行对 比试验 ， 天然砂各项指 标如表 9所示 。 在同样条件下拌制的混凝土坍落度 、 粘聚性 、 流动 性和饱水性 等也 均满足要 求 ， 具体 试验 数据 如表 l 0 所示 。 以上试验结果表明 ， 用人工砂和天然砂配制 的同 配合 比混凝土的拌合 物性能 、 力学性能及耐久性能基 本相当 ， 说明只要控制好人工砂中各种有害成分含量 ， 尤其是人工砂中的各种细颗粒 ， 用人工砂配制的高性 能混凝 土各 项 指 标 均 能满 足 高 速铁 路 设计 及规 范 要求 。 4现场施工应用及 控制 人工砂应用到大量的现场施 工中 ， 表现出来 的优 越性显而易见 ， 很好 的弥补 了本地 区天然砂严重缺失 给施工带来的不便 。通过大量的现场施 工数据证 明， 人工砂应用在高速铁路上是可行 的。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m _ 第2期 王越云： 人工砂配制高性能混凝土在高速铁路中的应用 2 0 1 1 年 4月 表 9 天然砂中有害物质含量表 质量指标 序号 项 目 实测值 C3 0 C 3 0C4 5 C 5 0 l 含泥量 ( ) 3 0 2 5 2 0 1 5 2 泥块含量 ( ) 0 5 0 3 云母含量 ( ) 0 5 0 4 轻物质含量 ( ) 0 5 O 5 氯离子含量 ( ) 0 0 2 0 0 0 2 硫 化 物及 硫 酸盐 含 量 6 0 5 0 0 6 ( 折算成 S O 3) ( ) 7 碱活性 0 1 O O O 3 1 颜色不应深于标准 色， 如深 有机物含量 ( 用 比色法 于标准色 ， 则 应按水泥胶 砂 8 强度试验 方 法进 行 强度 对 合格 试验 ) 比试验 ， 抗压 强度 比不应 低 于 0 9 5 以 C 3 5衬砌混凝土为例 ， 对现场施工 的一板衬砌 混凝土试件 强度进 行评 定 ， 结 果符合 T B 1 0 4 2 59 4 铁路混凝土强度检验评定标准， 结果如表 1 1 所示 。 通过在现场施工得出： 用人工砂配制高性能混凝 土 ， 在现场施工中还是主要控制人工砂中的含泥量 ， 过 大的含泥量不仅影响到了混凝土 的工作性能， 还对混 凝土的强度和耐久性有很大 的影响。同样 以 C 3 5隧 道衬砌混凝土为例 ， 在保持胶凝材料用量不变、 拌合物 性能不变的前提下 ， 为满足现场施工需要 ， 人工砂中含 泥量 每 增 加 1 ， 混凝 土 的用 水 量 就 要 增 加 l 0 2 O k g ， 混凝 土强度下降 3 5 MP a ( 如表 1 2所示 ) ， 且 混凝土的和易性可泵性变化显著。同时还要选用吸水 率较低的人工砂 ， 以免吸水率过高 ， 而提高了混凝土的 水胶 比， 从而影响高性能混凝土的力学和耐久性指标。 表 1 0 对 比混凝土 配合 比拌 和物 、 力学、 耐 久t 陛能情况表 坍落度 ( mm) 泌水 率 含气量 电通量 抗压强度 ( MP a ) 项 目 抗裂件 抗渗性 抗冻性 初始 1 h ( ) ( ) ( C) 3 d 7 d 2 8 d 5 6 d 实测值 2 2 0 2 0 0 0 3 8 兀裂纹 8 0 3 2 7 8 3 9 3 4 7 5 5 1 0 P l O F 3 0 0 表 1 1 人工砂混凝土 5 6 d强度统计表 标准差未知法评定结 果 编号 混凝 土试块 5 6 d强度( MP a ) 强度平均值( MP a ) 平均值 验收界 限( MP a ) 强度最小值( M P a ) 最小值验收界 限( MP a ) 标准差 1 4 7 8 4 5 8 4 8 5 2 5 0 1 4 8 6 4 9 5 3 4 6 7 4 8 8 4 9 3 4 8 7 3 6 2 4 5 8 2 9 2 1 2 9 5 2 4 4 8 9 4 9 1 5 0 1 5 4 9 6 4 7 3 5 0 7 表 l 2 人工砂含泥量对混凝土强度对 比表 人工砂 含泥量 混凝土用水 域 坍落度 扩展度 含气量 5 6 d强度 编号 水胶比 拌合物性能描述 f ) ( k g ) ( ff llI I ) ( n l n 1 ) ( ) f MP a l O 4 2 2 1 5 5 2 2 0 5 4 0 4 O 4 9 8 性能 良好 ， 坍 落度损失小 2 0 4 2 3 1 6 7 2 2 0 5 3 0 3 5 4 5 1 性 能较好 ， 混凝土发涩 ， 流动性不好 3 0 4 2 4 l 8 2 2 1 0 5 5 0 3 1 4 0 5 性能差 ， 有 泌水 ， 坍落度损失快 5 结论 人工砂在高性能混凝土 中的应用前景非常广大 ， 尤其是在天然砂 日益枯竭 的今天 ， 用人工砂 配置高性 能混凝土促进了混凝土行业的可持续发展。在现场施 工过程 中关键是控制人工砂的各项指标 ， 尤其是含泥 量。人工砂的现场控制虽然较天然砂 的现场控制难度 大一些 ， 就要求我们的现场试验检验部门加强检验 、 检 测力度 ， 严格把好人工砂的质量关， 严格控制好人工砂 的生产料源 ， 使其处于稳定和可控范围内。 在混凝土配合比设计方面 ， 人工砂混凝土应适量 掺加矿物掺合料 ( 矿渣 粉 、 粉 煤灰等 ) 及 高性能减水 剂 ， 以改善混凝土的工作性能 ， 尽量降低混凝土配合 比 的水胶 比， 对混凝土的现场施工及后期强度、 耐久性能 都有一定益处 。 参考文献 ： I 铁建设 2 0 0 5 1 0 6号， 客运专线铁路混凝土施工质量验收暂行标 准 S 2 J G J 5 5 2 0 0 0 ， 普通混凝土配合 比设计规程 S 3 铁建设 2 0 0 5 1 6 0号 ， 客运专线铁路隧道 2 I ： 程施工质量验 收暂行 标准 S 4 T Z 2 1 42 0 0 5， 客运专线铁路隧道工程施工技术指南 S 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m