花岗岩机制砂混凝土的性能研究及应用.pdf

第 卷第 期 年 月 铁道科学与工程学报 花岗岩机制砂混凝土的 性能研究及应用 丁海峰， 程建铝 （ 中国铁建投资集团有限公司， 广东 珠海 ） 摘要： 随着我国基础设施建设的不断推进， 河砂的需求量也日益增长。然而山岭重丘区需长远距离运输， 不但极大地增 加了混凝土施工成本， 而且也影响施工进度， 因此采用机制砂取代河砂已成为一种必然趋势。通过花岗岩机制砂混凝土的 相关试验研究， 结果表明： 采用机制砂取代河砂进行混凝土配合比设计是可行的， 且拌合物的工作性能、 硬化混凝土力学性 能都能够满足设计要求。同时， 提出花岗岩机制砂混凝土主要配合比设计参数、 要点以及施工质量控制措施。该技术在广 西资源至兴安高速公路工程中全面应用， 产生了良好的经济效益和社会效益。 关键词： 花岗岩； 机制砂； 混凝土； 配合比设计参数； 质量控制措施 中图分类号： 文献标志码： 文章编号： （ ） ， （ ， ， ） ： ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ； ； 近年来， 随着我国基础设施建设不断加快， 混凝 土用量呈逐年增长趋势。砂作为混凝土的原材料之 一， 对砂的需求量也日益增长。但由于部分地区天 然河砂资源匮乏， 交通不便， 材料运输困难， 河砂过 收稿日期： 基金项目： 中国铁建股份有限公司计划项目（ ） 通讯作者： 程建铝（ ） ， 男， 天津人， 教授级高级工程师， 从事隧道、 桥梁施工及研究工作； ： 第 期丁海峰， 等： 花岗岩机制砂混凝土的性能研究及应用 度开采， 对自然环境造成严重影响等缘故， 因此采用 机制砂代替河砂是混凝土行业可持续发展的一种发 展趋势 。针对机制砂混凝土的性能研究与应 用， 国内外学者也取得了一些重要成果。在机制砂 混凝土性能研究方面， 等 对比研究了花岗 岩、 石灰岩和白云岩的机制砂对高强混凝土性能的 影响， 得出花岗岩机制砂混凝土强度性能较好。 等 都认为机制砂中的石粉可以有效填 充骨料间的空隙， 阻断水泥砂浆中孔隙的连通， 石粉 含量增加， 可有效提高机制砂混凝土的抗渗透性能。 唐凯靖等 认为母岩岩性差异对机制砂自身特性及 其配制的机制砂混凝土性能的影响明显。芮捷等 通过试验研究了机制砂级配对高标号混凝土性能的 影响， 确定了最佳机制砂级配在区中值和下限之 间。卢自立等 通过试验确定了机制砂混凝土较优 配比设计参数。徐大祯等 采用室内试验研究 了粉体体积对机制砂低强度等级混凝土和易性的影 响， 提出合理当量粉体体积为 。在机 制砂混凝土应用方面， 美国、 英国、 日本等国家， 较早 开始了机制砂的应用研究， 到目前为止已经有了相 对丰富的应用经验 。 年我国第一个包括机 制砂的国家标准 建筑用砂 颁布实施。尹明等 都介绍了机制砂混凝土在 工程中应用情况， 此外三峡工程、 云贵地区南昆、 内 昆和株六铁路、 重庆嘉陵江黄花园大桥、 中建大厦等 大型工程 都采用了机制砂混凝土， 其工程应用也 越来越广泛、 经济效益显著。然而机制砂大多数是 来自石灰岩破碎制成的， 针对其他岩性的机制砂和 机制砂混凝土的性能研究较少， 因此本文以广西资 源至兴安高速公路工程为依托， 基于多工况试验， 探 讨花岗岩机制砂替代天然河砂在本工程中应用的可 行性， 确定了机制砂混凝土合理的配合比设计参数， 为花岗岩机制砂混凝土在依托工程中的应用提供了 依据。 花岗岩机制砂的制备及基本要求 花岗岩机制砂生产 花岗岩机制砂是指经除土开采、 机械破碎、 筛 分制成的粒径在 以下的花岗岩岩石颗 粒。应选取级及以上类别、 较为完整的花岗岩用 于机制砂生产， 其生产施工工序流程如图 。 花岗岩母岩强度要求 花岗岩机制砂应采用开采的新鲜的花岗岩母 岩制作， 母岩岩石的抗压强度宜满足表 规定。 花岗岩机制砂的颗粒级配 机制砂生产必须严格控制其粒形和颗粒级 配。相对于天然砂而言， 机制砂颗粒多呈棱角， 颗粒的比表面积更大， 颗粒与颗粒之间的摩擦力 也更大， 只有保证机制砂良好的连续级配和适中 的细度模数， 才能降低其颗粒间的空隙， 更好的 满足混凝土的施工和易性。花岗岩机制砂按细 度模数可分为粗砂、 中砂， 其颗粒级配应分别符 合表 的规定。 图 机制砂生产流程图 表 母岩强度要求 类别母岩强度要求 类 不宜小于 类 不宜小于 类 不宜小于 表 ， 和类机制砂级配范围 ， 筛孔尺 寸 类 别 累计筛 余 压碎指标 花岗岩机制砂的压碎指标见表 。 表 机制砂压碎指标 混凝土类别压碎值要求 类 ? 类 类 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 机制砂混凝土原材料及其性能指标 机制砂混凝土试验中所采用的主要原材料及 其性能指标如下。 水泥 水泥采用兴安海螺水泥有限责任公司海螺牌 级普通硅酸盐水泥， 性能指标见表 。 表 水泥的物理力学性能试验结果 比表面 积 （ ） 安定 性 凝结时 间 初凝终凝 抗折 强度 密度 （ ） 抗压 强度 合格 骨料 粗骨料采用梨子田碎石场的 （ 三 级配碎石） 连续级配碎石， 其性能指标见表 。碎 石选用 ， 以及 三级配比， 掺配比例按照 进行掺 配。 细骨料采用梨子田碎石场生产的花岗岩机制 砂， 并采用新宁新皂砂场生产的河砂进行对比分 析， 其性能指标分别见表 。 矿物掺合料 采用湖南邵阳宝庆电厂级粉煤灰和冷水江 钢铁厂 级粒化高炉矿渣粉， 其性能指标分别见 表 。 表 粗骨料试验结果表 表观密度 （ ） 空隙率 压碎值 含泥量 泥块含 量 针片状颗 粒含量 表 机制砂试验结果表 细度 模数 级配 范围 压碎 值 石粉含 量 泥块含 量 表观密 度 （ ） 空隙 率 亚甲 蓝 区 外加剂 采用湖北荆州锐利 高效聚羧酸减 水剂， 其性能指标见表 。 表 河砂试验结果表 细度 模数 级配 范围 云母含 量 含泥量 泥块含 量 空隙率 表观密度 （ ） 区 表 级粉煤灰性能指标表 检验项目细度烧失量需水量比 含量 标准要求 检测结果 表 级粒化高炉矿渣粉性能指标表 检验 项目 密度 烧失 量 流动 度比 含量 比表面积 （ ） 含水 率 标准要求 检测结果 机制砂混凝土配合比设计 机制砂混凝土的配合比设计参照相关规范 和 要求进行， 针对花岗岩机制砂颗粒、 石粉含量等特性， 在规范 基础上， 通过试验对配合比进行适当调整， 以更好 的满足混凝土适用、 合理、 耐久、 经济的工程需要。 砂率设计 配置机制砂的混凝土选取级配范围在区级 配范围的机制砂， 细度模数控制在 范围 内。因机制砂比表面积大、 表面粗糙的特性， 为保 证机制砂的混凝土工作性能， 与相同细度模数的天 然砂相比较， 应适当提高 左右的砂率。 坍落度设计 花岗岩机制砂中石粉与外加剂、 水泥的适应问 题普遍存在， 直接反应在混凝土拌合物坍落度经时 损失大， 在试配花岗岩机制砂混凝土配合比时， 对 混凝土拌合物进行坍落度损失试验尤为重要， 一般 情况下应将坍落度经时损失控制在 内， 其温度环境也应该尽量与实际施工温度环境一致。 设计配合比时， 应在满足混凝土试配强度要求 的前提下， 结合施工工艺、 混凝土运距及坍落度损 失情况， 适当提高混凝土的初始坍落度设计值， 以 满足花岗岩机制砂混凝土坍落度经时损失大的特 性。 第 期丁海峰， 等： 花岗岩机制砂混凝土的性能研究及应用 图 为采用 种不同的坍落度（ 见表 ） 自下 而上分 次浇筑时， 浇筑的机制砂混凝土试验柱外 观情况。由图 可以看出， 在不同的坍落度情况 下， 试验柱的外观差异明显， 施工时应根据试验柱 情况选择合适的坍落度。 表 高效聚羧酸减水剂试验结果表 检验 项目 减水率 泌水率比 初凝时间 抗压强度 比 收缩 率比 含气量 氯离子 含量 碱含量 硫酸钠 含量 甲醛含量 标准要求 检测结果 图 机制砂混凝土试验柱外观情况 机制砂混凝土配合比试验 以普通 河砂混凝土配合比为基础， 结合 机制砂的颗粒级配、 石粉含量等特性， 确定不同的 花岗岩机制砂混凝土的配合比， 并进行对比试验， 坍落度为 条件下的试验结果见表 。图 （ ） 和图 （ ） 为采用河砂以及花岗岩机 制砂混凝土外观对比情况。 （ ） 机制砂； （ ） 河砂 图 混凝土试件 表 机制砂混凝土试验柱坍落度情况 编号强度等级 材料用量 （ ） 水泥粉煤灰矿粉砂碎石水外加剂 和易性 初始坍落度 后坍落度 备注 好 机制砂 好 机制砂 好 机制砂 表 机制砂与河砂混凝土配合比对比 编号 强度 等级 材料用量 （ ） 水泥粉煤灰矿粉砂碎石水外加剂 和 易性 初始坍落 度 后坍落 度 强度 备注 好 河砂 好 机制砂 好 机制砂 差 机制砂 好 机制砂 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 表 不同石粉含量机制砂混凝土性能测试结果 编号 强度 等级 水胶 比 材料用量 （ ） 水泥粉煤灰 机制砂碎石水外加剂 机制砂石 粉含量 砂率 坍落度 工作性 描述 强度 好 好 好 一般 流动性差 由表 及图 可知： ） 通过适当调整花岗岩机制砂混凝土的砂 率、 外加剂及掺合料用量等， 有利于改善机制砂混 凝土的和易性与坍落度损失情况， 其 抗压强 度较河砂混凝土强度略有提高。 ） 通过坍落度试验选择最佳的坍落度， 花岗 岩机制砂试件与河砂试件的外观质量没有明显区 别。说明采用机制砂取代河砂进行混凝土配合比 设计是可行的， 拌合物的工作性能、 硬化混凝土力 学性能都能够满足设计要求。 不同石粉含量对混凝土强度的影响 以 普通配合比为例， 在水胶比、 水泥用 量、 砂率、 外加剂等不变的情况下， 调整机制砂中石 粉含量进行了花岗岩机制砂混凝土的性能分析， 试 验结果见表 。 由表 可以看出， 当机制砂中的石粉含量在 范围内波动时， 混凝土拌合物的和 易性基本不受影响， 其 和 抗压强度值也能 保持相对稳定。随着机制砂中石粉含量继续增大， 拌合物性能变差， 和 抗压强度值降低。可 见在满足拌合物强度及工作性能的前提下， 机制砂 中的石粉含量应控制在一定范围以内。 规范 对机制砂的石粉含 量指标进行了具体规定， 见表 。对比表 和本 文试验结果， 对于花岗岩机制砂混凝土， 其石粉含 量可在规范基础上进行适当放宽。 表 石粉含量技术要求 指标类类 桥涵 结构物 值 或合格 值 或不合格 花岗岩机制砂混凝土施工质量控制 搅拌时间的控制 花岗岩机制砂颗粒表面粗糙、 多棱角， 且颗粒 级配波动较大， 所以机制砂混凝土的搅拌时间应在 天然砂混凝土搅拌时间的基础上适当延长， 建议延 长 。运输过程中的颠簸等容易加剧机制砂混 凝土拌合物的离析， 在混凝土到达现场后， 建议高 速旋转罐车， 保证混凝土的工作性能。 拌合物性能控制 机制砂混凝土拌合物的水分蒸发速度比天然 砂快， 在大风的环境下水分蒸发更快， 如果现场出 现混凝土坍落度满足不了正常施工生产的情况， 可 在运输车罐内加入适量的与原配合比相同成分的 减水剂， 但严禁现场加水改变水灰比， 这是现场混 凝土构件强度达不到要求的主要原因， 也将影响混 凝土外观质量。 混凝土收缩控制 针对机制砂混凝土的早期塑性收缩较大， 承 台、 地系梁、 盖梁等面层易出现干缩裂缝， 在终凝之 前宜采用抹面机械或人工多次抹压并及时采取保 湿养护措施， 避免产生干缩裂缝。 外观质量控制 经室内试验实践证明， 未调整外加剂及矿物掺 合料的机制砂混凝土表面气泡、 蜂窝麻面较多， 究 其原因还是机制砂颗粒粗糙， 比表面积大， 砂浆的 表面张力比天然砂要小， 流动性差， 在气泡破裂后， 浆体不能及时填补造成表面气泡， 如图 所示。 图 机制砂混凝土试件 针对上述问题， 除了控制机制砂本身质量外， 可通过调整外加剂成分， 例如在不影响混凝土工作 性能的情况下掺入适当的消泡剂（ 一般为 左右） 以减少大气泡的存在， 还可以通过掺加适量 的粉煤灰、 粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料， 提高混 第 期丁海峰， 等： 花岗岩机制砂混凝土的性能研究及应用 凝土工作性能、 降低单位用水量、 提高混凝土后期 强度、 改善混凝土耐久性等很多优点， 应用效果明 显， 如图 （ ） 所示。 （ ） 模板漆； （ ） 透水模板布 图 现场施工的墩柱 为了进一步改善机制砂混凝土外观质量， 现场 采用了模板漆及特殊材料透水模板布进行辅助施 工试验。试验结果见图 。从试验结果可以看 出透水模板布可以很好解决气泡眼、 蜂窝麻面等质 量通病， 比模板漆效果要好， 如图 （ ） 和图 （ ） 所示。而且模板布可以满足对不同坍落度混凝土 的浇注， 图 （ ） 的试验柱按照表 的 种坍落度 进行试验柱浇注， 试验柱的整体效果较为一致。但 透水模板布混凝土的表面比模板漆混凝土的表面 略显粗糙， 光泽度不高， 如图 （ ） 和图 （ ） 所示， 且透水模板布成本较高， 对模板布黏贴的平整度要 求较高， 经比对现场选择使用模板漆施工， 其效果 也能满足施工质量要求， 如图 （ ） 所示。 （ ） 模板漆； （ ） 透水模板布 图 不同坍落度浇注试验柱 工程应用 广西资源至兴安高速公路是安（ 康） 至北（ 海） 公路重要组成部分， 是广西高速公路网规划“ 横 纵 支线” 中纵 资源（ 梅溪） 至铁山港高速 公路的组成部分， 主要构筑物涵盖了隧道工程、 桥 梁工程、 路基工程。隧道围岩级别以 级和级 围岩为主。 （ ） 模板漆； （ ） 透水模板布 图 混凝土表面状况 资源县境内属于资江水源保护区， 对水源地河 道整治管理严格， 全县基本无天然河砂开采。项目 部前期对当地石材情况进行了摸底， 发现规模及质 量较为有保障的天然砂场离工程所在地运距最短 为 ， 其高昂的运价及捉襟见肘的生产能力 与全线巨大的需求量之间产生了日益突出的矛盾。 为保证工程合理有序的正常进行， 资兴高速项目决 定通过利用隧道级围岩花岗岩洞渣破碎生产机 制砂来替代天然河砂使用。 实践证明， 通过合理的控制机制砂中石粉含 量， 调整外加剂掺量和性能、 适当的掺入矿物掺合 料， 加强机制砂混凝土施工的管理与控制， 配制的 混凝土在工作性能上、 结构强度等方面都能取得良 好的施工效果， 可以很好地取代天然砂。 在广西资源至兴安高速公路施工中， 及以 下强度等级混凝土采用机制砂混凝土施工， 已浇筑 混凝土约 ， 应用效果良好， 减少了天然 砂供应不足对施工进度的影响， 在保证工程质量的 前提下， 不但取得了较好的经济效益， 而且减少了 废渣倾倒对环境的破坏， 赢得了良好的社会效益。 结论 ） 在多工况配合比试验的基础上， 确定了花岗 岩机制砂级配、 石粉含量、 细度模数、 外加剂类型及 掺量、 掺和料、 砂率、 坍落度损失控制和初始坍落度 等主要混凝土配合比设计参数， 指导了工程应用。 ） 在水胶比、 水泥用量、 砂率和外加剂等参数 一定的情况下， 当花岗岩机制砂中的石粉含量在 范围内波动时， 混凝土拌合物的和 易性基本不受影响， 其 和 抗压强度值也能 保持相对稳定， 花岗岩机制砂混凝土中石粉含量可 在此范围内选取。 ） 通过现场试验和工程实践， 提出了一系列 花岗岩机制砂混凝土施工质量控制措施， 较好地保 证了花岗岩机制砂混凝土的现场施工质量。 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 ） 在广西资源至兴安高速公路工程中， 及 以下强度等级混凝土采用花岗岩机制砂混凝土施 工， 解决了天然砂供应不足的难题， 降低了混凝土 生产成本， 工程应用效果良好， 经济效益显著。 参考文献： 夏龙兴，吴蓉机制砂与天然砂的性能研究 混凝 土， （ ）： ， ， （ ）： 邸中新机制砂在商品混凝土中的应用 商品混凝 土， （ ） ： ， （ ）： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， ， （ ） ： 唐凯靖，刘来宝，周应岩性对机制砂特性及其混凝 土性能的影响 混凝土， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 芮捷，刘唐志，王兵，等机制砂级配对高强混凝土 性能的影响研究 中外公路， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： 卢自立，杨振国，沈卫国，等机制砂混凝土配比设 计参数研究 武汉理工大学学报， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： 徐大祯，李固华，魏群，等粉体体积对机制砂低强 度混凝土和易性的影响 铁道科学与工程学报， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ： 王稷良，牛开民，刘英，等机制砂中石粉对混凝土 性能影响的研究现状 公路交通科技， （ 增 刊 ）： ， ， ， ， （ ） ： ，建筑用砂 ， 尹明高性能机制砂混凝土在高速公路中的应用 公路工程， ， （ ）： ， ， （ ）： 蒋符发机制砂高性能混凝土制备及工程应用分析 西部交通科技， （ ） ： ， （ ） ： 方锐，陈卫兵，张秀薇重庆地区机制砂的性能研究 及工程应用 交通科技与经济， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ，混凝土结构耐久性设计规范 ， ，普通混凝土配合比设计规程 ， ，公路桥涵施工技术规范 ，