机制砂加特细砂配制泵送混凝土.doc

机制砂加特细砂配制泵送混凝土
的试验及应用
廖太昌 李培安
(中铁第二十局集团公司中心试验室)
【摘要】 机制砂加特细砂简称混合砂，利用机制砂、特细砂各自的特点，优化组合后，成为级配良好的中砂，配制泵送混凝土和水下混凝土，其坍落度分别为100-180mm、180-220mm。解决了特细砂不能用于重要的桥涵等混凝土工程以及单独用机制砂配制流态混凝土，水泥用量高，拌合物保水性差，泌水率大而引起硬化后结构物表易起水波纹等内实外不美的难题。在实际工程应用中取得了较好的经济效益和社会效益。也为我们今后在同类工程施工提供了参考资料。
【关键词】机制砂、特细砂、泵送混凝土、试验、应用
1前言
机制砂和特细砂进行优化组配，解决了单用机制砂混凝土内实外不美的难题，也突破了单用特细砂不能用于重要桥梁等结构工程的规定。机制砂、特细砂，单独作为混凝土的细骨料，在缺少天然中、粗河砂的地区在一般混凝土结构中使用较普遍，但在重要混凝土结构工程及有特殊要求的混凝土（抗渗混凝土、抗冻混凝土、泵送混凝土、大体积混凝土、高强混凝土）受到限制。
机制砂受生产设备以及岩石材质质量的影响，不但颗粒粗糙、比表面积大，而且颗粒级配不良，主要是1.25-5.00mm超过规定标准，0.08.mm以下石粉含量较高，配制的混凝土拌合物保水性差，泌水率大，工作性差，不便于施工。往往要靠增加水泥用量来改善其工作性；混凝土硬化后结构内部形成较为微小泌水通道,使混凝土强度、耐久性降低；而且早期收缩增大，混凝土硬化后其表面水波纹严重，影响混凝土结构物的感观质量。而特细砂作为混凝土的细骨料，根据GB19-65《特细砂混凝土配制及应用规程》规定：特细砂宜配制低流动性混凝土，其坍落度不大于3cm。特细砂级配较差，空隙率大（比一般中、粗砂大10％-15％），比表面积大（比一般中、粗砂约大两倍），并且含泥量也较高。为满足设计要求，混凝土配合比设计时，一般都以增加水泥用量来解决。这将加大混凝土的水化热，对大体积混凝土不利；特细砂混凝土拌合物，粘滞度比中、粗砂大得多，泌水率大，工作性较差，为满足工作性要求，需增大用水量，这又将导致混凝土硬化后结构物内部中形成泌水通道，降低混凝土的耐久性。
因此，将机制砂和特细砂配制成级配良好的中砂，利用机制砂、特细砂各自的特点，配制流态混凝土，具有较好的应用前景。
2工程概况
重庆至怀化铁路工程（简称渝怀线）是国家西部大开发战略确定的十大重点建设项目之一，属国家Ⅰ级干线铁路。我局承建的两昌河特大桥位于重庆市江北区唐家沱镇，为重庆枢纽渝怀线引入工程。三跨两昌河，全长1234.77m,梁为2×24+32×32+5×24m简支梁，2台38墩，有明挖扩大基础、直径1.5m钻孔桩和挖孔桩，墩身最高为68m，该特大桥是渝怀线重点控制工程之一。
按照该桥施工组织设计，主体工程从2001年5月15日～2003年3月5日共22个月完成主体施工任务。主体工程混凝土为3.2万m3，全部采用泵送混凝土施工。
3泵送混凝土对原材料的要求
泵送混凝土施工，要求混凝土具有良好的可泵性，即混凝土拌合物在泵压作用下，能连续输送而不产生离析的性能。可泵性良好的混凝土，具有良好的粘聚性，泌水率小，保水性好，不易离析。影响可泵性的原因：一是胶凝材料的多少，二是粗细骨料的品质所决定。根据《TB10210-2001》规定，泵送混凝土的最小水泥用量（含掺合料）为300g/m3，细骨料宜选用中砂，粒径小于0.315mm颗粒所占的比例宜为15％～20％，砂率宜为35％～45％。粗骨料的最大粒径应与所用输送管径相适应，碎石的最大粒径与输送管内径之比不宜大于1∶3，卵石不宜大于1∶2.5。
4机制砂加特细砂的优化组合
4．1 机制砂
由于两昌河特大桥工程所在方圆200公里内无天然中粗砂，只有特细砂和用石灰岩加工的机制砂，筛分试验见表1。
机制砂筛分试验结果 表1
筛孔尺寸（ mm）
10.0
5.00
2.50
1.25
0.63
0.315
0.160
细度

模数
Mχ
标准规定值
(%)
0
0～10
15～40
35～60
50～75
65～90
80～100
实际筛分值
(%)
0
16
42
75
82
91
95
3.5
从表1可以得知，机制砂级配不良，1.25mm以上严重超过标准规定值，若直接用于泵送混凝土配合比，砂率将超过50％，2.50～5.00mm颗粒将导致骨料总比表面积加大，因此，混凝土配合比必须加大水泥用量才能满足设计强度及施工工艺要求。
4.2细砂
细度模数 至1.5～0.7或平均粒径在0.25 mm以下的称特细砂； 特细砂级配较差，孔隙率大，比表面积大，含泥量也较高，筛分试验结果见表2。
特细砂筛分试验结果 表2
筛孔尺寸
（ mm）
5.00
2.50
1.25
0.63
0.315
0.160
<0.160
细 度
模 数
Mx
分计筛分值
(%)
0
0
1.0
4.0
18.2
69.0
8.0

1.2
累计筛分值
(%)
0
0
1.0
5.0
23.0
92.0
100.0
从表2得知0.63mm以上的颗粒含量极少，仅为5％。若直接配制泵送混凝土，不仅要加大水泥用量才能满足强度要求，而且还要增加较大用水量才能满足工作性要求。但是，由于特细砂固有的特性，配制流动性混凝土，必将导致收缩开裂，特别是大体积混凝土；水灰比加大，水化热也随之升高，导致混凝土内布极易产生温度裂缝，加上外部收缩裂缝，大大降低混凝土结构强度及耐久性，由此可见，特细砂不宜配置流动性混凝土。
4.3 优化组配方案
根据表1、2筛分试验结果，将它们按一定比例进行优化组配，计算公式如下：
Ai混 =Ai机× a％ +Ai特× (100-a)
注: Ai混—机制砂+特细砂（混合砂）.
Ai机—机制砂
Ai特—特细砂
a--机制砂所占百分比
i=1〜6.
计算实例：
(1) 70％机制砂+30％的特细砂
A1混 =A1机×0.7+A1特×0.316×0.7+0×0.3=11
A2混 =A2机×0.7+A2特×0.3=42×0.7+0×0.3=29
A3混= A3机×0.7+A3特×0.3=75×0.7+1×0.3=53
A4混 =A4机×0.7+A4特×0.3=82×0.7+5×0.3=59
A5混 =A5机×0.7+A5特×0.3=91×0.7+23×0.3=71
A6混 =A6机×0.7+A6特×0.3=95×0.7+92×0.3=94 细度模数: MX=2.8
(2) 60％机制砂+40％的特细砂
A1混 =A1机×0.6+A1特×0.4=16×0.6+0×0.4=10
A2混 =A2机×0.6+A2特×0.4=42×0.6+0×0.4=25
A3混= A3机×0.6+A3特×0.4=75×0.6+ 1×0.4=45
A4混 =A4机×0.6+A4特×0.4=82×0.6+5×0.4=51
A5混 =A5机×0.6+A5特×0.4=91×0.6+23×0.4=64
A6混 =A6机×0.6+A6特×0.4=95×0.6+92×0.4=94 细度模数: MX=2.5
(3) 50％机制砂+50％的特细砂
A1混 =A1机×0.5+A1特×0.5=16×0.5+0×0.5=9
A2混 =A2机×0.5+A2特×0.5=42×0.5+0×0.5=25
A3混= A3机×0.5+A3特×0.5=75×0.5+ 1×0.5=38
A4混 =A4机×0.5+A4特×0.5=82×0.5+5×0.5=44
A5混 =A5机×0.5+A5特×0.5=91×0.5+23×0.5=57
A6混 =A6机×0.5+A6特×0.5=95×0.5+92×0.5=94 细度模数: MX=2.3
(4) 40％机制砂+60％的特细砂
A1混 =A1机×0.4+A1特×0.6=16×0.4+0×0.6=6
A2混 =A2机×0.4+A2特×0.6=42×0.4+0×0.6=17
A3混= A3机×0.4+A3特×0.6=75×0.4+ 1×0.6=31
A4混 =A4机×0.4+A4特×0.6=82×0.4+5×0.6=36
A5混 =A5机×0.4+A5特×0.6=91×0.4+23×0.6=50
A6混 =A6机×0.4+A6特×0.6=95×0.4+92×0.6=93 细度模数: MX=2.1
将（1）（2）（3）（4）计算结果列于表3
计算结果汇总表 表3
项目
标准规定值（JGJ52—92）
累计筛余百分率（％）
筛孔尺寸
（mm）
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
（1）
（2）
（3）
（4）
5.00
0～10
0～10
0～10
11

10
9
6
2.50
5～35
5～25
5～15
29
25
21
17
1.25
35～65
10～50
10～25
53
45
38
31
0.63
71～85
41～70
16～40
59
51
44
36
0.315
80～95
70～92
55～85
71
64
57
50
0.160
60～100
90～100
90～100
94
94
94
93
细度模数
/
/
/
2.8
2.5
2.3
2.1
类 别
/
/
/
中砂
中砂
中砂
细砂
级配情况
/
/
/
不良
良好
不良
不良
从表3结果分析（1）（3）（4）组级配不良，（2）组级配只有0.315稍差一些，将（2）进行实际组配筛分结果列表4。
机制砂加特细砂（60∶40）筛分试验结果 表4
筛孔尺寸（ mm）
5.00
2.50
1.25
0.63
0.315
0.160
＜0.160
细 度
模 数
Mx
分计筛分值(%)
8.6
9.0
20.0
14.0
19.0
23.2
6.2

2.5

累计筛分值(%)
9.0
18.0
38.0
52.0
71.0
94.0
100.0
通过理论计算与实际筛分可以看出，其结果基本是一致的，细度模数均为2.5，实际筛分0.315mm颗粒所占百分率满足泵送混凝土要求。
5混凝土物理性试验
5.1 细骨料：
a：机制砂－特细砂（70∶30），细度模数2.8，堆积密度1680kg/m3，含泥量为0.6％，坚固性指标为4.3％，有机质含量符合要求。
b：机制砂－特细砂（60∶40）, 细度模数2.5，表观密度2650 kg/m3，堆积密度1650kg/m3，坚固性指标为4.5％，有机质含量符合要求。
C：机制砂－特细砂（50∶50）, 细度模数2.3，表观密度2630 kg/m3，堆积密度1620kg/m3，坚固性指标为4.9％，有机质含量符合要求。
d：机制砂－特细砂（40∶60）, 细度模数2.1，属细砂，不作试验安排。
5.2 粗骨料：
当地产碎石，5～40mm连续级配，压碎值为9.0％，针片状含量为8.1％，坚固性指标为4.2％。
5.3 水泥：
重庆江津产地维牌32.5＃普通硅酸盐水泥。
5.4 掺合料：
重庆江津珞璜电厂产Ⅱ级粉煤灰，各项指标满足GB146－92标准要求
5.5 减水剂：
宜宾天龙产MTF－550型减水剂。
5.6 配合比分析
以C20为例进行配合比分析，试验因素水平列表5，采用正交试验L9（34），
试验结果与极差分析列表6，由表6可知，混凝土28天强度均能达到设计要求。因此，以3天抗压强度为考核指标进行极差分析。结果表明，水泥用量是影响混凝土强度的主要因素，其因素影响大小为A3B2C3D3。但是通过表6可以看出，机制砂与特细砂比例不一样也是影响混凝土强度的一重大因素，因此，B2因素为最佳组合，即机制砂与特细砂比例为6∶4。
试 验 因 素 水 平 表5
水泥用量（kg/m³）
砂 率
（％）
减水剂
（％）
粉煤灰
（％）
A1295
B1 45（机制砂∶特细砂＝7∶3）
C1 0.6
D1 10
A2310
B2 45（机制砂∶特细砂＝6∶4）
C2 0.8
D2 15
A3325
B3 45（机制砂∶特细砂＝5∶5）
C3 1.0
D3 26
注：26％粉煤灰，其中取代水泥用量15％，超量系数为1.5；10％、15％粉煤灰为等量取代水泥用量。

L9（34）试验结果与极差分析 表6
试验号
水泥用量
（kg）
砂率
（％）
减水剂（
％）
粉煤灰
（％）
坍落度
抗压强度
（MPa）
3d
28d
1
A1
B1
C1
D1
11.5
13.5
26.7
2
A1
B2
C2
D2
12.0
15.9
29.6
3
A1
B3
C3
D3
13.0
16.2
30.4
4
A2
B1
C2
D3
11.0
15.3
28.9
5
A2
B2
C3
D1
12.5
16.2
30.7
6
A2
B3
C1
D2
11.0
15.7
29.1
7
A3
B1
C3
D2
14.5
16.9
31.4
8
A3
B2
C1
D3
12.5
17.4
33.8
9
A3
B3
C2
D1
12.5

16.0
29.9
K1
45.6
45.7
46.6
45.7
/
/
/
K2
47.2
49.5
47.2
48.5
/
/
/
K3
50.3
47.9
49.3
48.9
/
/
/
R
3.1
1.6
2.1
0.4
/
/
/
6 施工用配合比优化设计
根据两昌河特大桥混凝土工程结构特点,按JGJ55—2000《普通混凝土配合比设计规程》，JGJ052—1992《普通混凝土用砂标准》、GBJ146—1990《粉煤灰混凝土应用技术规程》，采用本文第5节正交试验所用原材料（细骨料为机制砂加特细砂比例为60∶40）对泵送混凝土进行实用性优化设计，其物理力学性能试验结果见表7。
根据表7试验结果，工程用理论配合比为C15为1∶2.99∶3.78，水胶比：0.56； C20为1∶2.44∶3.08，水胶比：0.45；C25为1∶2.29∶2.77，水胶比：0.44。
7施工应用
主要混凝土施工设备∶混凝土自动计量拌合站一个（配2台500L强制式
拌合机），混凝土运输车2 台（6立方米），HBT60混凝土输送泵2台。自2001年9月中旬，正式混凝土施工到2002年3月1日止，已施工14个墩，1个台，浇筑11000m3混凝土,其强度见表8，从未出现堵泵现象,浇筑相当顺利,混凝土试件强度合格率100%结构物内实外光。
8取得的社会及经济效益
8.1 经济效益
两昌河特大桥，总混凝土量为32000m3, 为确保混凝土外观质量及创优目
标的实现，原施工组织设计混凝土用细骨料为中砂（河砂），在两昌河方圆200km内无中砂（河砂）。当地只有特细砂和石灰岩加工的砂（称机制砂）。从较近运距的彭水购买中砂（河砂），运到现场需120元/m3。在当地购机制砂和特细砂运到现场分别只需要55元/m3和45元/m3。
根据该桥混凝土品种及原材料特点，平均每立方米混凝土按0.55m3计算,则总用砂量为：32000×0.55=176000m3
(1)、用河砂(中砂)成本：17600×120=2112000元
(2)、用机制砂加特细砂成本：(机制砂+特细砂=60∶40)
机制砂：a 17600×0.6×55＝580800元
特细砂：b 17600×0.4×45＝316800元
节约成本为： 211200－580800－316800＝1214400元
8.2 社会效益
该技术已运用到两昌河特大桥施工的38个墩，2个台，所抽取1358组混凝土试件抗压强度全部合格，混凝土结构质量内实外美，受到渝怀总指领导及铁道部质量监督总站领导的高度评价，已经被评为渝怀线“优质样板精品工程”，先后有二十几个单位到该大桥参观学习，取得了较好的社会效益。同时，该技术已推广应用到我局的其他一些大、中型工程项目中。如：渝怀线十一标段的角邦沟大桥、白马一号隧道（评为渝怀线“优质样板工程”）、白马一号三线大桥（评为渝怀线“精品工程”）、白马二号三线大桥（评为渝怀线“优质样板工程工程”），渝遂线（重庆至遂宁）我局施工的桥、隧工程等等。
9结论
利用机制砂和特细砂各自的特点,优化组配成级配良好的中砂,且符合泵送混凝土用细骨料,并应用于桥涵等重要的混凝土工程结构，解决了单独用机制砂配制低标号泵送混凝土水泥用量大、保水性差、泌水率大，而构筑的混凝土结构内实外不美的难题，同时也解决了特细砂不能用于桥涵等重要的混凝土工程及特细砂不能配制流动性混凝土的难题。并对今后同类工程提供了实用的基础性资料。

二00三年六月

混 凝 土 物 理 性 能 试 验 结 果 表7
混
凝
土
等 级
水
灰
比
水
泥
用
量
(kg)
减
水
剂
掺 量
(%)
泌水率
(%)
粘
聚
性
保
水
性
坍落度失值(mm)
坍落度
保留值
(mm)
试验
室温
℃
凝结时间(min)
抗压强度（MPa）
0min
30min
60min
初凝
终凝
7d
28d
C15
0.68
291
1
75
良好
良好
150
10
30
120
25
315
495
20.1
29.2
0.73
268
1
95
良好
良好
145
10
25
125
25
345
515
18.9
24.5
0.78
247
1
100
差
差
150
20
60
70
25
365
545
16.1
21.0
C20
0.52
360
1
73
良好
良好
145
15
30
120
24
265
505
23.6
36.7
0.57
326
1
84
良好
良好
145
10
40
110
24
290
520
19.9
30.6
0.62
296
1
100
差
差
150
25
70
80
24
305
585
17.1
25.9
C25
0.52
388
1
75
良好
良好
150
15
30
120
25
265
475
22.5
35.2
0.55
349
1
92
良好
良好
150
15
30
120
25
270
505
21.9
33.1
0.60
312
1
100
差
差
150
20
60
90
25
315
595
16.8
28.5