机制砂特性及其在高性能混凝土中应用关键技术.doc

机制砂特性及其在高性能混凝土中应用技术

蒋正武1 严希凡1 梅世龙2 石大为 2
1.同济大学先进土木工程材料教诲部重点实验室，上海 92；
2.贵州高速公路开发总公司，贵州贵阳，510080）

摘 要：本文分析了机制砂普通特性，概述了贵州地区石灰岩机制砂高性能混凝土发呈现状及各种类别定义、特点及工程应用，重要涉及机制砂抗扰动混凝土、机制砂钢管拱自密实混凝土、机制砂水下抗分散混凝土、机制砂自密实片石混凝土、机制砂超高墩泵送大体积混凝土、机制砂高强高性能混凝土、机制砂大体积混凝土等。
核心词：机制砂，特性，贵州地区，高性能，混凝土。

1 前言
混凝土当前始终是人类最大宗建筑构造材料。砂作为混凝土重要原材料之一，涉及天然砂和机制砂两大类。受自然资源限制，以河砂为主天然砂越来越无法满足日益增长混凝土用量需求，特别在国内西南地区。此外因过量开采天然砂源，对自然环境所导致压力也日益增长，使用机制砂代替河砂在国内外已成为混凝土行业可持续发展一种趋势。机制砂已经在砂浆、混凝土、砌块中已经得到一定限度应用，特别在云南、贵州等河砂自然资源短缺地区[1][2][3][4]。
石灰岩（Limestone）简称灰岩，以方解石为重要成分碳酸盐岩。贵州地区盛产石灰岩，并因地质环境条件，形成大量特色喀斯特地貌。因而，贵州地区机制砂绝大某些区域均是采用石灰岩制备而成。贵州地区机制砂混凝土推广在上世纪80年代，初期因无法较好解决混凝土工作性不良、强度不佳等难题而应用停滞，在本世纪初以来，在积极研发、吸取新混凝土技术基本上，机制砂混凝土推广应用得到了迅速发展，当前已经开发出系列石灰岩机制砂高性能混凝土，并在工程中广泛应用。
当前，贵州地区已经制定了《贵州省高速公路机制砂高强混凝土技术规程》（DBJ52-55-）、贵州省地方原则《山砂混凝土技术规程》等规范原则，也大大增进了贵州地区机制砂高性能混凝土应用。
2. 机制砂特性
依照国标规定，经除土解决、由机械破碎、筛分制砂，粒径不大于4.75mm岩石颗粒，但不涉及软质岩，风化岩石颗粒。
机制砂自身重要特点是，当前基本为中粗砂，细度模数在2.6—3.6之间，颗粒级配稳定、可调，具有一定量石粉，除150m筛余有所增长外，别的筛余均多呈三角体或方矩体，表面粗糙，棱角尖锐。但由于全国各地机制砂生产矿源不同、生产加工机制砂设备和工艺不同，生产出机制砂粒型和级配也许会有很大区别。例如，有些机制砂片状颗粒较多，有些机制砂颗粒级配为两头大中间小，但只要能满足国标中对机制砂所有技术指标，就可以在混凝土和砂浆中使用。河砂与机制砂基本物理性能指标见表1。图1给出了河砂与机制砂颗粒形貌。图2给出了河砂与机制砂分计筛余曲线与合计筛余曲线。从中可以看出，机制砂石粉含量高，表面粗糙，球体类似度水平较低，颗粒较大，级配不均。
表1 河砂与不同地区机制砂基本物理性能
Table1 Basic physical properties of river-sand and machine-made sand

Items
Packing density
/kg·m-3
Apparent density
/kg·m-3
Crushing
Index/％
Module of
fineness
Content of rock
powder/％
Fine Aggregate
Angularity/s
Sphere similar
degrees
River sand
1.49
2.67
10.2
2.5
0.3
30.5
0.57
Guizhou Machine-made sand
1.61
2.70
14.1
3.5
9.2
42.8
0.47
Huzhou Machine-made sand
1.65
2.73
10.7
3.1
7.7
23.7
0.51

Fig.1（a） Guizhou Machine-made sand

Fig.1（b） Huzhou Machine-made sand

Fig.1（c） River sand
图1 河砂与不同地区机制砂颗粒形貌
Fig.1 Granule morphology of river-sand and machine-made sand

图2 河砂与机制砂筛分曲线
Fig.2 Sieving curve of river sand and machine-made sand

由机制砂自身特点所决定，与条件相似天然砂相比，在配比设计、其他材料成型养护条件都相似状况下，用机制砂配制出混凝土特点是：坍落度减小，混凝土28d原则强度提高；如保持坍落度不变，则需水量增长；但在不增长水泥前提下水灰比变大后，普通状况下，混凝土实测强度并不减少。按天然砂规律进行混凝土配比设计，机制砂需水量大，和易性稍差，易产生泌水，特别在水泥用量少低强度级别混凝土中体现明显；而如果依照机制砂特点进行混凝土配比设计，通过合理运用机制砂中石粉、调节机制砂砂率，是完全可以配制出和易性较好混凝土。普通混凝土配比设计规程配比设计办法完全合用于机制砂。最适合配制混凝土机制砂细度模数为2.6-3.0，级配为2区。机制砂在配制添加外加剂混凝土时，对外加剂反映比天然砂敏感。机制砂配制高强度泵送混凝土在泵送过程中不易堵泵。对的使用机制砂混凝土密实度大、抗渗、抗冻性能好，其他物理力学性能和长期耐久性均能达到设计使用规定。机制砂特别适于配制高强度级别混凝土、高性能混凝土和泵送混凝土。

3. 贵州地区机制砂特种混凝土及其工程应用
随着混凝土技术发展，贵州地区运用机制砂开发配制高性能特种混凝土也越来越多，重要涉及机制砂抗扰动混凝土、机制砂钢管拱自密实混凝土、机制砂水下抗分散混凝土、机制砂自密实片石混凝土、机制砂超高墩泵送大体积混凝土、机制砂高强高性能混凝土、变质岩碱骨料反映抑制混凝土。这些机制砂特种混凝土已经在贵州地区重大工程中得到广泛应用，并获得了明显经济效益、社会与环境效益。
3.1机制砂抗扰动混凝土
3.1.1概述
抗扰动混凝土是为适应当代交通技术发展需求而研制一种新型混凝土，它可以抵抗行车荷载引起车桥耦合振动对新拌及硬化混凝土损害损伤，进而保证在不中断交通状况下进行桥面大范畴重新铺装浇筑质量。
抗扰动混凝土具备如下特点：（1）高抗交通扰动性，可以充分抵抗或削弱车辆、机械或人工引起各类扰动破坏；（2）合理初凝终凝时间差，交通扰动对处在凝结阶段混凝土性能影响限度最大，特别是初凝至终凝阶段，抗扰动混凝土相对于普通混凝土而言，其初终凝时间差大大缩短；（3）高初期强度，抗扰动混凝土初期强度发展快，可大大减小交通扰动不利影响，满足不中断交通修补工程需求；（4）高抗裂性，抗扰动混凝土不泌水，不易分层离析，其具备极高抗裂性，特别是抗初期收缩开裂性能，可以大大抵抗交通扰动引起引力破坏或开裂；（5）高流动性能，抗扰动混凝土流动度大，工作性良好，在一定期间内损失较小，具备较好施工性能；（6）高粘结性能，新浇筑抗扰动混凝土与老基层混凝土和钢筋具备良好粘结力；（7）高耐久性，抗扰动混凝土从高耐久性角度设计混凝土配合比，其在修补工程中具备良好耐久性。
抗扰动混凝土广泛合用各类混凝土修补工程，特别合用于桥梁、隧道、公路等混凝土修补与抢修工程。
3.1.2工程应用
C50机制砂抗扰动自密实混凝土重要用于贵州韩家店Ⅰ号特大桥维修加固工程中。
韩家店Ⅰ号特大桥位于国家主干线出海通道兰海高速公路K5+184.500处。主桥为（122+210+122）m预应力混凝土持续刚构，主桥全长为454m，桥面横坡为双向2%。桥梁全宽22.5m；主桥箱梁为三向预应力构造，采用单箱单室截面。

图2 韩家店大桥形貌
7月进行检测发现，该桥预应力损失严重，且桥面浮现开裂等问题，需要尽快进行维修加固。但该桥是连接重庆和贵州公路动脉，经记录该桥车流量高到6200辆/天，承载着繁重交通任务，老式修复办法需中断交通，将产生巨大经济损失，严重影响社会正常生产和生活。因而，韩家店特大桥混凝土桥面修复施工宜采用不中断交通修复办法。

图3 桥面施工状况及施工形貌

8月-11月对该桥进行不中断交通式修复加固。施工时左右幅对称，提成四幅施工，同步为理解决桥梁在荷载作用下振动对现浇混凝土导致病害，该工程采用C50机制砂抗扰动泵送混凝土。腹板以及转向块等处采用机制砂抗扰动自密实混凝土。在桥面浇筑施工期间，仅进行限速控制，基本保证了该桥正常通行；同步由于采用抗扰动自密实混凝土，避免了行车荷载引起车桥耦合振动对新拌混凝土损害，新浇筑桥面平整度高，几乎没有裂缝。

当前，抗扰动混凝土在韩家店I号特大桥中用量在1500方左右，应用效果良好，获得了明显社会和经济效益。
3.2钢管拱自密实混凝土
3.2.1概述
自密实混凝土是一种通过合理配合比设计与配制而成具备高流动性、穿越钢筋能力和抗离析能力特种混凝土，是高性能混凝土一种重要分支和发展方向之一。因其具备优秀性能而广泛应用于各类混凝土工程。
钢管拱自密实混凝土是将自密实混凝土填入薄壁钢管拱内形成一种介于钢构造和钢筋混凝土构造之间一种新型组合构造材料，钢管拱及其核心混凝土之间力学与刚度协同互补，使其在施工工艺方面体现出了其他材料无可比拟优势[5]。
3.2.2工程应用
钢管拱自密实混凝土重要用于贵阳南环线工程花溪I号大桥施工建设中。
该桥主桥为（12+175+12）m中承式钢管混凝土拱桥（如图3所示），拱轴线为悬链线，计算跨度为175m，拱肋轴线理论矢高40m，矢跨比为1/4.375，拱肋轴向中心距为29.5m；每肋由一种直径为 1000mm钢管和2个直径为700mm钢管由平连管和腹杆焊接成三肢格构桁架；在拱肋上下弦管、拱上立柱、G1～G4内泵送C50自密实混凝土。

图4 花溪I号大桥主桥平面图

图5 花溪I号大桥主桥施工形貌

针对钢管拱自密实混凝土施工工艺、冬季低温气候条件以及现场施工条件，计算出上弦管持续泵送施工时间需4.5小时。为此，配制出钢管拱自密实混凝土除自密实性、强度级别以外，还应具备优秀工作性长时间保持性、补偿收缩性。通过优选材料、优化配合比并进行系统实验配制出了性能优良C50钢管拱自密实混凝土。实际性能如下：
初始坍落度260mm，坍落扩展度700mm；4h坍落度260mm，坍落扩展度650mm；6h坍落度240mm，坍落扩展度600mm；8h坍落度220mm，坍落扩展度575mm；混凝土常压泌水率为0；初凝时间17h，终凝时间19h；含气量不大于3.0%；T50时间10.2s；混凝土抗压强度3d为41.3MPa，7d为59.5MPa，28d为79.0MPa；混凝土28d弹性模量4.57×104MPa，28d自由膨胀率2.4×10-4。
钢管拱自密实混凝土成功应用缩短了花溪I号大桥施工周期，保证了施工质量，效果明显。钢管混凝土拱桥是自密实重要应用领域之一，据不完全记录，当前国内已建和在建钢管混凝土拱桥已达200多座，并在数量仍在不断提高，因而钢管拱自密实混凝土应用前景十分辽阔。
3.3机制砂水下抗分散混凝土
3.3.1概述
普通混凝土在水中下落时容易受到环境水冲洗、稀释，导致各组分分离，使水泥浆流失，混凝土强度大大减少，工程质量无法保证。普通混凝土施工技术规范均规定，普通混凝土不能在水中浇注成型。
水下抗分散混凝土，即采用水下抗分散剂与合理混凝土原材料，经合理配合比设计后，配制出一种在水下施工时不离析、抗分散、自密实、自流平、且安全无毒，不污染环境水下抗分散混凝土。水下抗分散混凝土性能、配制办法、施工技术好坏直接影响了水下混凝土构造质量和使用寿命。
3.3.2工程应用
机制砂水下抗分散混凝土重要应用于贵州花鱼洞大桥桥墩基本下溶洞修补和填充。
花鱼洞大桥跨越红枫湖水库，勘察成果表白，大桥4#桥墩基本下伏地基岩溶发育，钻孔揭露溶洞分为三层，其中上层溶洞地板距离基本底仅0.4m，溶洞高度1.5m，洞内无充填，对基本稳定性影响较大，须进行解决。此外，花鱼洞大桥贵阳岸拱座基本下伏地基岩溶发育且规模较大，钻孔揭露溶洞高度约13m，横向发育宽度2～4m，近椭圆状发育，顶板基岩厚2.7m，洞内为水体全充填，溶洞与红枫湖水体有管道连通，对工作基本稳定性有较大影响，须进行解决。
由于场区工程地质条件及水文地质条件较复杂，设计规定对溶洞采用水下抗分散混凝土进行修补填充，规定修补后填充密实，能满足基本承载能力需要，且对环境无污染，不能影响红枫湖饮用水源。
通过选用合理原材料，优化设计配合比，配制出性能优良且不污染水质水下抗分散混凝土，并获得了良好工程应用效果。

图6 导管法施工现场 图7 浇筑后溶洞侧面效果

3.4机制砂自密实片石混凝土
3.4.1概述
机制砂自密实片石混凝土是指一方面将满足一定粒径规定大块石/片石直接放入施工仓，形成有一定空隙片石体，然后在片石体表面浇注机制砂配制超流态机制砂自密实混凝土，依托自重，完全填充片石空隙，机制砂超流态机制砂自密实混凝土硬化后与片石形成完整、密实、低水化热混凝土构造[6][7][8]。

图8 片石堆放与机制砂超流态自密实混凝土浇筑
超流态机制砂自密实混凝土是指混凝土拌合物具备非常良好工作性，粘度极低、流动性较好且粘聚性好，倒坍落度筒流出时间不大于6s，仅仅依托混凝土自重作用无需振捣作用便可以均匀密实填充片石自然堆积后空隙高性能自密实混凝土。
机制砂自密实片石混凝土采用大量片石和粉煤灰，减少了水泥用量、减少水化热，从而减少温室气体排放和能量消耗，是一种环保型混凝土；且在片块石机制砂自密实混凝土施工过程中，片石掺加可采用机械进行，混凝土不用进行振捣，最大限度地减少人工、减少工人技术水平和质量管理水平对工程质量影响，在提高施工质量基本上，可明显缩短工期，提高施工效率，在工程应用中具备重大实际意义。该混凝土可以合用于贵州地区公路工程中混凝土挡墙工程，也可合用于片石混凝土基本、片石混凝土涵墙身、片石混凝土桥台等领域混凝土工程。
3.4.2工程应用
机制砂自密实片石混凝土重要应用于贵州地区高速公路挡土墙中。
依托惠兴高速公路惠镇第七合同段第四工区桩号（K78+870~K78+876）段施工，模仿实际施工构造物，进行模仿施工实验。依照现场原材料、施工环境和施工状况，提出C20超流态自密实混凝土详细设计指标为：
①拌和物性能性能规定：（1）初始坍落度270±20mm，坍落扩展度＞650mm；（2）2h后坍落度不不大于250mm，坍落扩展度不不大于500mm；（3）混凝土常压泌水率≤1.0%；（4）混凝土初凝时间应不不不大于10h，终凝时间应不不不大于24h；（5）混凝土含气量应不大于4.0%；（6）T50时间不不不大于10s；（7）倒坍落度流出时间不不不大于10s。
②硬化混凝土性能规定：（1）混凝土抗压强度7d≥15 MPa；28d≥25 MPa；（2）混凝土28d弹性模量应不不大于3.0×104 MPa。
通过检测超流态自密实混凝土初始坍落度和扩展度以及倒坍落度筒流出时间、强度等以及机制砂自密实片石混凝土外观质量、密实度、强度等，经实验验证和后期检测，各项指标均达到或超过设计规定，并符合有关原则和规程规定，施工质量较高并且施工速度较快，可大大减少成本。

图9 机制砂超流态自密实混凝土

机制砂自密实片石混凝土具备施工效率高、人工劳动少、工程质量高、施工管理水平高等特点。非常适合贵州地区高速公路挡墙设计施工，也可在铁路、水利、冶金、城建等部门推广应用。当前机制砂自密实片石混凝土已在贵州惠新高速、毕威高速等工程得到广泛推广应用。
3.5机制砂超高墩泵送混凝土
3.5.1概述
泵送混凝土与普通混凝土重要区别在于其不但要满足设计规定强度、耐久性等，还要有良好工作性及可泵性，即拌合物在输送管道中摩擦阻力小、粘聚性好，不离析、不堵管。特别在大高差、长距离泵送条件下，原材料选取与质量控制和配合比设计是实现高墩泵送混凝土良好工作性能首要基本[9]。
对机制砂泵送混凝土，骨料级配不合理，细颗粒总量多，内聚性差，在管内作“柱塞”运动时，阻碍形成适当润滑层，导致流动阻力增长。因而机制砂超高混凝土提高可泵性技术核心是增大混凝土内聚性，减小流动阻力。
3.5.2工程应用
机制砂超高墩泵送混凝土重要应用于贵州赫章特大桥施工建设中。
赫章特大桥设计基如期为1；设计级别为公路1级；桥梁总宽度共21.5m。桥区位于赫章县城南东方向1km处，场区位于云贵高原乌蒙山脉北段，海拔1492~1835m，属暖温带季风润湿气候区，历年最大风速28m/s，平均2.1m/s。灾害气候为干旱、倒春寒、冰雹、凝冻。赫章特大桥主墩195m，为当前国内最高桥墩，一次泵送。

图10 赫章特大桥形貌

依照工程规定，对赫章特大桥C50超高墩泵送混凝土提出如下基本性能规定：初始坍落度为180~220mm，扩展度≥550mm，T50≤20s；1h坍落度180~220mm，扩展度≥500mm，T50≤25s；混凝土常压泌水率不大于0.5%，不离析，低粘度；强度要达到有关原则和规范规定。
在理论分析和实验研究基本上，采用如下配合比设计原则进行混凝土配合比设计：（1）控制总胶凝材料用量，不适当不不大于480kg/m3；（2）单掺或复掺适量活性矿物掺合料，如粉煤灰或矿渣粉，掺量宜不不大于20%；（3）优选选用聚羧酸高性能减水剂，并严格进行水泥适应性 分析；（4）掺加适量引气组分；（5）依照最紧密堆积理论，选取合理大小碎石比例，使其堆积密度最大，空隙率最小；（6）选取优化配合比基本参数，使新拌混凝土具备较好工作性能。
机制砂超高墩泵送混凝土当前在贵州地区应用量已超过5000m3。
3.6机制砂高强高性能混凝土
3.6.1概述
C60机制砂高强高性能混凝土不但规定其具备良好可泵性，以及达到强度规定；此外考虑到混凝土应用环境和耐久性，规定其为高性能混凝土。高性能混凝土在配制上特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必要掺加足够数量矿物细掺料和高效外加剂。概括起来说，高性能混凝土就是能更好地满足构造功能规定和施工工艺规定混凝土，能最大限度地延长混凝土构造使用年限，减少工程造价[10][11]。
3.6.2工程应用
六冲河特大桥位于黔织高速公路T2合同段内，该桥为195m+438m+195m双塔预应力混凝土斜拉桥。主桥平面均位于直线段，纵坡为±0.6%，中跨设R=50000米凸曲线,主梁断面为∏形梁，桥面宽度24.1米,梁高2.7m，主梁顶板厚0.32m，设双向2%横坡。主桥桥在195m边跨、438m中跨跨径内设有合拢段，合拢段长度分别2.0m（28#段）、3.0m（28#段）。主梁设计采用C60机制砂高强高性能混凝土。

图11六冲河特大桥实际形貌
C60高强高性能混凝土详细设计目的：
（1）坍落度和扩展度：坍落度180~220mm，扩展度≥500mm；
（2）坍落度保持性：1h坍落度损失不不不大于30mm，扩展度≥500mm；
（3）抗压强度：抗压强度3d≥30MPa，7d≥55MPa，28d≥70MPa；
（4）28d弹性模量：混凝土28d弹性模量应不不大于3.5×104MPa；

图12 桥梁浇筑部位上部主梁
近年，随着贵州交通基本设施建设速度不断加快，机制砂混凝土在交通基本建设中大规模使用，特别是在高速公路中用C50、C55和C60机制砂混凝土大规模应用在桥梁核心部位。
采用机制砂代替河砂配制C60高强混凝土，每立方米混凝土可节约85元。若C60机制砂高强混凝土在当前贵州高速重大工程桥梁中应用，应用3万立方米，可为工程项目直接节约资金255万元。如果应用量进一步增大到10万立方米，将会直接产生850万元经济效益。可见，应用推广C60高强机制砂混凝土可觉得施工单位节约大量资金，具备可观经济效益。

4．结论
随着工程需求与混凝土技术发展，当前，贵州地区已开发出系列石灰岩机制砂特种混凝土，并在众多高速公路工程及其她行业领域中得到推广应用，并获得了明显经济、社会与环境效益。

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中华人民共和国砂石协会
-03月-01日