机制砂及机制砂混凝土应用与探讨.pdf

2 0 1 5年第 2期 广 东 公 路 交 通 G u a n g D o n g G o n g L u J i a o T o n g 总第 1 3 7期 文章编号 ： 1 6 7 1 7 6 1 9 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 4 9 0 6 机制砂及机 制砂 混凝 土应 用与探讨 杨声检 ( 广东省南粤交通投资建设有限公司， 广州 5 1 0 1 0 0 ) 摘要 ： 为了保护环境并且节约成本， 河砂的开采必须得到遏制， 取而代之的机制砂生产 已迫在眉睫。对机制砂 的主要成分以及机制砂混凝土的性能进行了介绍。在多条机制砂生产线实地考察和调研的基础上 ， 重点采用河 砂以及机制砂试配了 C 3 0水下桩基混凝土与 C 2 5隧道二衬防水混凝土， 得到了机制砂的物理性能以及两种混凝 土的性能指标 ， 试验同时考虑了掺粉煤灰的影响。试验结果表明， 机制砂的物理性能以及试配的两种混凝土的 性能均达到同等级河砂混凝土的性能标准 ， 适用于水下桩基混凝土与隧道二衬防水混凝土的应用。 关键词 ：机制砂 ；机制砂 混凝土 ；生产 ；试配 中图分类号 ：U 4 1 4 文献标识码 ：B 0 引言 目前高速公路沿线碎石 价格较高 ， 河 砂资源 缺乏且运距 较远 ， 及弃碴产 生的租地、 青苗 补偿、 防护等高额 费用 ， 结合高速公路各参建单 位 的策 划和统筹安 排 ， 应从合 理利用 资源 ， 节 约施 工成 本 ， 保护环境 的角度出发 ， 对隧道洞碴和路基部分 石方进行充 分的综合利用 ， 将质量较好 的洞碴及 路基石方加工为级配碎石， 4 7 5 mm以下瓜米石和 石粉加工为机制砂 ， 检验合格后用 于混凝 土工程 中。 利用机制砂配制混凝土在 国内外已有多年历 史 ， 并在工程 中得到广泛应用 ， 我 国最大的三峡工 程 、 黄河 小浪底 工程 均使用 机制砂 配制 混凝 土。 实际工程中， 已配制出 C 1 0一C 7 0的普通混凝 土和 泵送混凝土 ， 泵送最大高度达 4 0 0 m。在试验 室设 计强度 C 1 0 0的混凝土实际强度达到 1 5 5 MP a 。应 用范围涉及无筋混凝土、 钢筋混凝 土、 预应力钢筋 混凝土、 高强混凝土、 超高 强混凝土等 ， 现 已推广 应用于交通 、 水利、 工业 与民用建筑、 铁路 等土木 工程领域 ， 取得 了 良好 的技 术经济效益 。并且机 制砂混凝土有较系统 的试验研究基础和一 系列 的 技术标 准和应 用技术规范 ： J T T 8 1 92 0 1 1 、 G B T 1 4 6 8 4 、 J G J 5 2 、 D B 5 0 5 0 1 7( 重 庆 ) 、 D B J 5 03 0 1 8 ( 重庆) 、 D B J 4 1 T 0 4 8 ( 河南) 、 D B J 0 4 2 5 9 ( 山西) 、 D B J 5 25 5 ( 贵州 ) 、 D G T J 0 85 0 6 ( 上海 ) 、 D B J 5 3 1 0 ( 云南 ) 、 广 东省交通运输厅关于我省公路项 目水泥混凝土使 用机制 砂 的指导 意见( 粤交 基 2 0 1 3 8 9 8号 ) 等。 l 机制砂 已有的研究成果 1 1 机制砂的主要成分 1 1 1 机制 砂 的级 配 、 石粉 含 量和 细度模 数 机制砂虽然级配不 良， 但 由于其有较高 的石 粉含量 ， 导致其堆积密度增大， 空隙率减小 ， 所 以， 机制砂不能简单地通过堆积密度或空 隙率的大小 来判断其级配的好坏 ， 一般情况下 ， 使用 的机制砂 稍微偏出级配( 区) 的上限是 比较正常的。 机制砂中的石粉通常是指小于 0 0 7 5 m m的颗 粒 ， 石粉主要是磨细的岩石粉末 ， 一些人将机制砂 混凝土的大用水量归咎于石粉 ， 认 为石粉对混凝 土是有害的 ， 其 实这是 不准确 的。机制砂尖锐 的 颗粒形状对混凝土和砂浆 的和 易性 是很不利 的， 而适当的石粉的存在便弥补 了这一 缺陷 ， 石粉 与 机制砂成分相同， 在混凝土中主要起微集料作用 ， 能充分改善混凝土的和易性。石粉是一种惰性 掺 合料 ， 细度小 ， 可补充混凝 土 中缺少 的细颗粒 ， 增 大粉体总量 ， 在混凝土单位体 积用水量不变 的情 况下 ， 增加混凝土的浆量和浆体粘稠性 ， 可 以减少 泌水和离析。配制机 制砂 混凝土 时， 石粉含量 宜 控制在 7 左右 。机制砂中的部 分石粉可以作 为 掺合料使用， 其取代数量大致为水泥用量的 1 0 ， 此时混凝土的强度不降低或 降低很少 ， 只是 配合 比设计需适当调整混凝土的砂率以使混凝土获得 作者简介： 杨声检( 1 9 8 2 0 3 一 ) ， 男， 瘦族， 湖南邵阳人， 工程师， 主要从事高速公路管理工作。 E。 m a i l ： 1 8 1 1 0 6 7 2 1 q q c o rn 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 2期 广东公路交通 总第 1 3 7期 更好的工作性。 机制砂的细度模数应控制在 2 6 3 7之间， 不宜过高或过低。细度模数太低 ， 石粉含量高， 细 度模数太高 ， 混 凝土的黏聚性难 以保证或造成 砂 率偏大。 1 1 2外加 剂 采用石灰 岩机制砂配制混凝 土时 ， 外加 剂不 得采用酸类物质 ， 否则会造成外加剂适应性问题 。 在采用聚羧酸盐 系高效 减水 剂时 ， 水泥 与该 外加 剂的适应性试 验， 要通过机制砂混凝 土试验而不 是净浆试验确定。 1 1 3 掺合料 粉煤灰的掺入 ， 可以减弱 因机 制砂级配不 良 而造成拌和物性 能差 的弊病 ， 提 高混凝土 的凝 聚 性、 保水性， 同时利于泵送， 提高强度， 减少收缩。 但是当机制砂 石粉含量较高且掺有粉煤 灰时 ， 应 适当降低机制砂 混凝土 的砂率 ， 以降低混凝土 的 黏度。 1 1 4砂 率 机制砂细度模数越小 、 级配越好、 石粉含量越 大， 合理砂率 就越 小。机制砂混 凝土 的砂率一般 较河砂混凝土高 3 6 ， 初选是一般在 3 6 4 2 范围内选取， 泵送混凝土适当提高。在保证 混凝土拌和物黏聚性 良好 的前提 下 ， 应尽可 能选 取较小的砂率 ， 以保证混凝 土的弹性模量 和干燥 收缩 。 如果机制砂的石粉含量或细度模数、 级配发 生变化 ， 应及时进行砂率调整。原则是 ： 统一配合 比用机制砂的细度模数变化范围不宜超过 0 2， 石粉含量变化不宜超过 1 0 ， 否则应对配合 比 的砂率进行调整。 1 1 5 用水 量 机制砂表面粗糙 ， 石粉含量偏高 ， 在相同条件 下 ， 配制相同坍落度的混凝土 ， 机制砂 比天然河砂 需水量增加 51 0 k g m 。 1 1 6假 定 密度 机制砂的表观密度一般较 天然河砂 大， 导致 机制砂混凝 土密度 高 ， 因此在假定容 重法进行配 合 比设计计算时 ， 约 比相应天然河砂混凝土高 3 0 4 0k g m 。 综上所述 ， 机 制砂混凝土 的工 作性对用水量 的改变、 砂率的变化、 石粉含量、 外加剂和掺和料 的使用都较敏感， 一旦机制砂级配不良、 砂率选择 5 0 不当、 用水量偏高 、 外加剂选择不 当 ， 易造成 机制 砂混凝土在出机卸料过程中离析 、 振后易泌水 ， 在 配合 比设计与调整时要特别注意这一点。 1 2 机制砂混凝土的性能 1 2 1 强度 河砂混 凝土 和 同配合 比 的机 制砂 混凝 土相 比， 理论上由于颗粒 比较光滑 ， 摩擦阻力小 ， 因此 ， 在用水量相同时， 坍落度大一些， 能够获得较好的 流动性 。但 由于实 际生产 中， 所采 用的河砂往往 含泥量较高， 细度模数不稳定， 而同一厂家的机制 砂则无此缺陷 ， 基本处于稳定状态 ， 可弥补部分河 砂 的缺点。而且 由于机制砂表面粗糙 ， 棱角多， 在 相 同配合 比， 和易性相差不 大的情况下 ， 所配制的 混凝土 2 8 d抗压强度 明显高于河砂混凝土。 1 2 2 变形 与耐 久 性 ( 1 ) 随着石粉 含量 的增 加 ， 机制砂混凝 土 的 弹性模量呈降低趋势 ， 主要可能是石粉含量 的增 加增大 了浆体体 积 的缘 故 。掺入 粉煤灰 或矿 粉 后 ， 混凝土弹性模量 的高低主要取决 于其抗 压强 度和界面过渡区的作 用大小 ， 与天然河砂 混凝土 相 比， 石粉含量高 的机制砂混凝土 的弹性模 量略 低 ， 但差别不是很显著。 ( 2 ) 干缩 性相 关试 验证 明 ， 石粉 含量 7 0 是一个分 界点 。石粉含量 小于 7 O 时 ， 随石粉 含量的增 加 ， 各 龄期 干缩率 增大 ； 石 粉含量 大于 7 0 时， 各龄期干缩 率 随石 粉含 量 的增加 而逐 渐减小。主要是因为低石粉含量时 ， 石粉处于硅 酸盐水泥 的水化 产物 c a ( O H) ：的高碱 环境 中， 一 方面起 晶核作用 ， 加 速了水化硅酸钙或水化铝 酸钙的形 成 ， 另一 方面 自身会 与 c a ( O H) 、 水化 铝酸钙发 生反 应 ， 生成水 化碳铝 酸钙 晶体 ， 即作 为胶泥材料 的一部分而增大 了浆体量 ， 使于缩增 大 ； 石粉含量大于 7 O 之后 ， 多数的石 粉难 以与 硅酸盐水泥的水化产物发生反应 ， 石粉 中的微 细 粒子具有填 充作用 ， 使混 凝土结 构更 为密 实 ， 对 浆体 的收缩起 到 了一定 的抑制作 用 ， 因而 ， 干缩 率又呈渐小的趋势 。 ( 3 ) 机制砂混凝土的徐变值小于河砂混凝土 的徐变值。主要是因为机制砂 中的石粉在混凝 土中起到一种微集料 的作用 ， 使混凝土结构更 加 致密 ， 降低 了混凝 土 的变 形性 能。另外 ， 机制 砂 所具有 的粗 糙表 面和棱 角可 以更 好地 对混凝 土 的变形起到限制作用 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 2期 广东公路交通 总第 1 3 7期 3 混凝 土试 配试验 本次机制砂混凝土试验 ， 重点针对用 量较大 代表性强的 C 3 0水下 桩基混凝 土与 C 2 5隧道二 衬 防水混凝 土试配情况 。 水 泥采用英德海螺 P O 4 2 5 R水泥 ， 标准稠 度 2 7 5 ， 2 8 d强 度 4 8 1 MP a ， 比表面积 3 5 7 m ，所检项 目符合 G B 1 7 52 0 0 7中 P 0 4 2 5 R水 泥的技术要求 。 粉煤 灰 采 用 黄 埔 发 电 厂 粉 煤 灰 ， 需 水 比 1 0 2 ， 烧失 量 1 8 ， 细度 1 9 4 ， 所检 项 目符 合 G B T 1 5 9 6 2 0 0 5标准 中 I I 级粉煤灰 的技术 要求 。 碎石采用 51 0 、 1 02 O 、 1 63 1 5三 档碎 石 ， 级配满足 53 1 5 mm连续 级配要求 压碎值 l 9 4， 针片状含量 3 2 ， 所检指标符合公路桥涵 施工技术规范( J T G T F 5 0 2 0 1 1 ) 中砼用 I I 类碎 石的技术要求 。 砂采用石 场所产 机制 砂和 附近 天然河 砂进 行 对 比。 外加剂采 用江 苏超力 C P AR缓凝 高 效减 水剂 ， 减 水率 为 2 3 ， 凝结 时 间差 为 1 3 5 mi n ， 所 检指标符合 G B 8 0 7 62 0 0 8缓凝 型高 效减水剂 质量技术要求 。 水采用地方用水 ， 所检指标满 足混凝土拌合 用水要求。 配合 比设计 参 照普通 混凝 土配 合 比设 计规 程( J G J 5 52 0 1 1 ) 进行 。由于前 期 已进行 大量 配合 比试验 ， 对水泥、 粉煤 灰、 外加剂性能有一定 了解 ， 设计 过程 中省 略 了强度 计算步 骤 ， 水灰 比 套用河砂混凝土配合 比， 主要进行砂率 和外 加剂 产量来调整混凝 土工作性 ， 满足要求后 由实测容 重换算用量参数确定最终配合 比。 3 1 C 3 0水下桩基混凝土 混凝土配 合 比参 数见 表 4， 试 验结 果见 表 5 ( 结合 了河砂混凝土配合 比相关数据 ) 。 表 4 C 3 0水下桩基 混凝土参数 试验结果表明 ： ( 1 ) 机制砂配制 C 3 0水下桩基混凝土工作性 52 良好， 不掺粉煤灰 7 d和 2 8 a强度均超过试配强 度 ， 掺粉煤灰 7 d强度达到试 配强度 9 7 ， 2 8 d ： 强 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年第 2 期 杨声检： 机制砂及机制砂混凝土应用与探讨 。总第：1 3 7 ， 期 度超过试配强度。 ( 2 ) 与天 然河砂配制 混凝土 比较而 言 ， 在水 灰 比一致 的情况下 ， 机制砂配制 C 3 0水下桩混凝 土能达 到前者几 乎相 同的工作 性。尤其 是掺入 适量粉煤灰 ( 1 5 ) 后 ， 混凝土 流动性 大 ， 浆体包 裹性好 ， 无泌水 离析 ， 解决 了机制砂 混凝 土易产 生的“ 帽子” 现象。 ( 3 ) 与天然 河砂配制混凝 土 比较 而言 ， 不掺 人粉煤灰 ， 机 制砂混 凝土 7 d强 度 比河砂混 凝土 高 4 O MP a ， 2 8 d强度 比河砂混凝土高 3 5 MP a ； 掺 入粉煤灰 ， 机 制砂混 凝土 7 d强度 比河 砂混凝 土 低 0 9 MP a ， 2 8 d强度 比河砂混凝土低 1 4 MP a 。 3 2 C 2 5隧道 二 衬 防水 混 凝 土 ： 。 一 混凝 土配 合 比参数见 表 6 ， 试验 结果 见表 7 ( 结合了河砂混凝土配合比相关数据) 。 ： 表 6 C 2 5二衬混 凝土参数 试验结果表 明： ( 1 ) 机制砂配制 C 2 5二衬混凝土工作性 良好 ， 不掺粉煤灰外加剂掺量增加0 1 ， 7 d强度达到试 配强度 9 9 6 ； 掺粉煤灰外加剂掺量减少 0 1 ， 7 d强度达到试配强度 9 8 2 。 ( 2 ) 与天然河砂配制混凝土比较而言， 在水灰 比一致的情况下 ( 因机制砂棱角性原因 ， 适当增大 了胶材用量 ) ， 机 制砂配制 C 2 5二衬混凝土能达到 前者更好的工作性 ， 一方 面是 由于增加 了一定 的 胶材用量 ， 另一方面机制砂里 的石粉 与胶材形成 复配填充效应 ， 颗粒分布更合理 ， 混凝土浆体显得 饱满密实。 ( 3 ) 与天然河砂配制混凝土比较而言， 不掺人 粉煤灰 ， 机制砂混 凝土 7 d强度 比河砂 混凝 土低 1 2 MP a ， 2 8 d强度 比河砂混凝土高 1 1 M P a ； 掺入粉 煤灰 ， 机制 砂 混 凝 土 7 d强 度 比河 砂 混 凝 土 高 1 1 MP a ， 2 8 d强度 比河砂混凝土低 1 O M P a ， 总体来 说相差不大。 4 结语 通过对多个机制 砂场现场调研 ， 查 阅了大量 相关文献、 资料、 规范， 对机制砂进行了试生产 ， 同 时进行 了原材料 的 自检 和送检 ， 混凝土 配合 比试 验和实体浇筑试验 ， 各项工作严格按照 广东省交 通运输厅关于我省公路项 目水泥混凝土使用机制 砂 的指导意见 ( 粤交基 2 0 1 3 8 9 8号 9 要求进行 ， 并将主要成果总结如下 ： ( 1 ) 机制砂 在国内广 泛应用 已有 十多年的经 验 ， 大量研究表 明， 尽管机制砂 易出现级配不 良， 但通过混凝土配合 比设计完全可以配制 出性 能优 异的混凝土 ， 较河砂 而言有更好的力学性 能和耐 久性能； 且有技术规范提供依据 。 ( 2 ) 高速公路混凝土施工方量大 ， 河砂供应紧 张， 河砂已成为制约项 目进度和质量的主要因素 之一 ， 用质量良好 的机制砂替代或部分替代河砂 ， 可缓解天然河砂短缺的实际情况。 ( 3 ) 从机制砂场的调研情况来看， 通过合理的 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 2期 广东公路交通 总第 1 3 7期 混凝土配合 比设计使其应用 于工程 实体 ， 目前 未 出现混凝土病害。 ( 4 ) 在满足 广东省交通运输厅关 于我省公路 项 目水泥混凝土使用机制砂 的指导意见中设备 与工艺相关要求 的前 提下 ， 采用碎石 与机制砂联 产具有更好的经济效益 。 ( 5 ) 成品机制砂筛 分结果 满足 J T G T F 5 0 2 0 1 1 砼用砂 I I 区中砂要求 ， 其他指标满足 J T G T F 5 0 2 0 1 1 砼用砂 I 类砂质量技术要求， 符合 广 东省交通运输厅关于我省公路项 目水泥混凝土使 用机制砂的指导意见中机制砂质量控制相关要 求。 ( 6 ) 试验室配制各标号机制砂混凝土工作性 能及 力 学 性 能 均 满 足 要 求 ， 对 于 胶 材 用 量 在 3 6 0 k g m 。以下的混凝土( 主要为 C 3 0及 以下 ) ， 使 用机制砂后不仅混凝土工作性能和强度基本不受 影响， 且经济效益显著。 总之 ， 经过精心 的筹划 ， 设 备、 工艺满 足相关 要求 ， 所产机制砂质量符合规 范要求 ， 配制混凝土 性能良好 ， 浇筑实体内实外美 ， 充分说 明机制砂生 产及实体应用是完全可行的。 目前广东省高速公 路建设正处于高峰期， 同时面临着河砂 日益枯竭 的局面 ， 沿线质量较好 的河砂资源短缺 ， 难 以满足 项 目施工进度 和质量要 求 ， 开发和利用 机制砂是 顺势应时的积极举措 ， 也是对 “ 资源节 约、 环境友 好” 国策的贯彻与响应 。 参考 文献 ： 1 公路工程水泥混凝土用机制砂 T T 8 1 92 0 1 1 S 北京： 人民交通出版社， 2 0 1 1 2 建设用砂 G B T 1 4 6 8 4 2 0 1 1 s 北京 ： 中国标准 出版社 ， 2 0 1 1 3 普通混凝土用砂、 石质量及检验方法标准 J G J 5 2 2 0 0 6 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 6 4 贵州省高速公路高强度混凝土技术规程 D B J 5 2 5 5 ) S 贵阳： 贵州人民出版社， 2 0 0 8 5 公路工程集料试验规程 J T G F A22 0 0 5 S 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 5 6 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 J T G E 3 0 2 0 0 5 S 北京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 5 7 公路桥涵施工技术规范 J T G T F 5 02 0 1 1 S 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 1 1 8 康厚荣 ， 罗强， 凌建明岩溶地区公路修筑理论与 实践 M 北京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 8 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 l 一 2 O ) Re s e a r c h on App l i c a t i o n o f M a nu f ac t u r e d S an d a n d M a n uf a c t ur e d S an d Co nc r e t e Y A N G S h e n g j i a n ( G u a n g d o n g N a n y u e T r a n s p o r t a t i o n I n v e s t m e n t & C o n s t r u c t i o n C o ， L t d ， G u a n g z h o u 5 1 0 1 0 0 ) Abs t r a c t ：W i t h t h e a i ms o f e n v i r o nme n t a l p r o t e c t i o n a n d c o s t c u t t i ng，e x p l o i t a t i o n o f t he r i v e r s a n d mus t be s t o p p e d a n d t h e ma n u f a c t u r e o f ma nu f a c t u r e d s a n d i s b e c o mi n g u r g e nt l y n e e d e dI n t h i s a r t i c l e，t h e ma i n c o mp o ne n t o f t h e ma n u f a c t u r e d s a n d a n d t h e me c h a n i c a l p e rfo r ma nc e o f ma n u f a c t u r e d s a n d c o n c r e t e h a v e b e e n i n t r o - du c e dOn t h e b a s i s o f t h e i n v e s t i g a t i o n o n s e v e r a l p r o d u c t i o n l i n e s o f ma n u f a c t u r e d s a n d，e mp ha s i s i s p u t o n t he e x pe rime n t o f C3 0 u n de r wa t e r c o n c r e t e a nd C2 5 t u n n e l l i n i n g wa t e r p r o o f c o n c r e t e b y ma n u f a c t ur e d s a nd a n d riv e r s a n d r e s p e c t i v e l y，t h e ph y s i c a l p r o p e r t y o f t h e ma n u f a c t ur e d s a n d a n d t h e p e r f o rm a nc e o f c o nc r e t e b y t h e s e t wo k i n d s o f s a n d h a v e b e e n o b t a i n e d，a n d t h e e f f e c t o f fly a s h h a s a l s o b e e n t a k e n i n t o a c c o u n t i n t h e e x p e rime n t s T h e r e s ul t s s h o w t h a t b o t h t h e p h y s i c a l p r o p e rty o f t h e ma n u f a c t u r e d s a nd a n d t h e p e rfo rm a n c e o f ma n u f a c t u r e d s a n d c o n c r e t e me e t t h e r e q u i r e me n t s a s t h e ri v e r s a n d c o n c r e t e ，a n d t h e ma n u f a c t u r e d s a n d c a n b e u s e d i n t h e ma n u f a c t ur e o f u n d e r wa t e r p i l e f o u n d a t i o n c o n c r e t e a n d t u n n e l l i n i n g wa t e r p r o o f c o n c r e t e Ke y wo r d s：ma n u f a c t u r e d s a n d；ma n u f a c t ur e d s a n d c o n c r e t e；ma n u f a c t ur e；t r i a l g r a d i n g 5 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m