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大桥建设工程中机制砂配制混凝土探究

添加时间:2019-01-02 11:11

  摘    要: 随着国家基础设施和基本建设的大力开展, 混凝土需求量巨大, 河砂资源愈发紧缺。采用机制砂 (人工砂) 配制混凝土将是我国建筑行业的大势所趋。机制砂混凝土与传统的河砂混凝土虽然配合比设计的方法和水化反应硬化的机理大致相同, 但由于目前我国生产的机制砂规格不一、机制砂产品的级配不太合理、表面非常粗糙、石粉含量普遍偏高、导致机制砂混凝土的需水量较大, 对混凝土的工作性 (和易性) 影响较大。虽然我国使用机制砂配制混凝土已有50多年的历史, 但桥梁工程采用机制砂混凝土施工的工程技术不成熟, 本文主要针对大桥工程在使用机制砂混凝土时, 可能存在的问题进行深入探讨, 为今后机制砂在桥梁高性能混凝土应用上提供参考。

  关键词: 机制砂; 机制砂混凝土; 石粉; 单方用水量; 砂率;
 

大桥建设工程中机制砂配制混凝土探究
 

  Abstract: With the vigorous development of national infrastructure and capital construction, the demand for concrete is huge, and river sand resources are becoming more and more scarce. The use of machine-made sand (artificial sand) to prepare concrete will be the general trend of China's construction industry. Although the machine-made sand concrete and the traditional river sand concrete have the same mix ratio design method and the hydration reaction hardening mechanism, because the machine-made sand produced in China is different in size, the grading of the mechanical sand product is not reasonable, and the surface is very rough, the content of stone powder is generally high, it results in a large water demand for the mechanism sand concrete, which has a great influence on the workability of the concrete.Although China has used machine-made sand to prepare concrete for more than 50 years, the engineering technology of using bridge machine-made sand concrete construction is not mature. This paper mainly discusses the possible problems of the bridge project when using the machine-made sand concrete, to provide reference for high performance concrete applications in bridges.

  Keyword: machine-made sand; machine-made sand concrete; stone powder; unilateral water consumption; sand rate;

  1、 机制砂的特性

  国家相关技术标准中规定, 机制砂 (人工砂) 是指经除土处理、机械破碎、筛分制成的, 粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒, 并不是风化、软质的颗粒。

  桥梁工程用机制砂目前基本为中粗砂, 细度模数一般在2.3~3.6之间, 颗粒级配不规则, 含有一定量的石粉, 棱角尖锐, 且表面十分粗糙。然而, 由于各地机制砂工艺方法、加工设备及生产矿源等方面存在较大区别, 各地生产出的机制砂在级配和颗粒等方面均存在一定差别。但差别虽然存在, 只要机制砂的各项技术指标均符合相关标准, 即可采用相关技术措施应用到实际的桥梁工程施工中。由于机制砂与天然砂之间除了明显的形状差异外, 其母岩的特性也不同, 材料力学性能的不同也会导致混凝土的和易性、力学性能及耐久性的不尽相同。

  天然砂的特点是级配和细度模数比较一致, 而机制砂不同, 其特点决定了它被实际应用到混凝土施工中时即使其他外界条件一样, 采用天然砂和机制砂配置出来的混凝土呈现出不同的性能特点, 机制砂混凝土特点表现为:坍落度减小, 28d混凝土标准强度提高;若保持坍落度不变, 则混凝土用水量增加。若在配置机制砂混凝土时采用天然砂的方法进行配比设计, 会发现其用水量会更大, 和易性稍差, 易产生泌水, 尤其是在一些低强度等级混凝土中, 由于这类混凝土所需水泥用量较少, 较大的用水量会使其强度大打折扣。

  湖北省恩来恩黔高速公路工程项目为湖北省鄂西北地区高速公路建设的重点项目, 由于所处的地理环境情况属鄂西北山地, 有“山原”之称。鄂西北山区特殊的地理条件带来交通运输上的非常不便;因为河流稀少, 造成了无天然形成的河砂开采资源, 若采用从外地引进砂源运输到工地, 产地最近的是湖南省岳阳洞庭湖, 每方砂运至工地价格要达到400元左右, 施工材料成本较大。中铁大桥局集团承建的湖北恩来恩黔高速公路工程项目第六合同段, 包括中小型桥梁9座及特大桥5座, 已经部分采用机制砂混凝土进行了施工, 桩基、承台、C55钢管混凝土都有比较多的应用, 取得了良好的效果。

  2、 机制砂配制混凝土

  2.1、 石粉的利与弊

  按照传统试验方法标准, 由于石粉和泥两种成分都是指砂中粒径小于0.075mm的颗粒, 在亚甲蓝试验方法未被采纳之前, 未发现有效的判定泥和石粉的方法。过去很长一段时间, 石粉的特质一直不被广泛了解, 甚至部分工程师们认为它是对混凝土有害无益的, 应设法将其清除。很多施工单位想尽方法除去石粉, 包括风选、水洗等方法, 导致施工单位吃力不讨好。通过我们实验室的研究及中铁大桥局应用情况表明, 机制砂含有适量的石粉对混凝土性能提高是十分有利的, 石粉是惰性掺合料, 适当的石粉使混凝土粘稠度增大, 改善了混凝土的粘聚性, 保水性提高, 石粉取代部分粉煤灰和矿粉, 可改善细粉料的颗粒级配, 提高浆体之间的机械咬合力。

  石粉在机制砂混凝土中的作用机理可以总结为以下四个方面:

  (1) 级配调节作用:对于机制砂混凝土中细集料级配比较差的情况, 合理的石粉含量可以适当调节细集料的级配, 改善混凝土的工作性。对于低、中强度等级的机制砂混凝土来说, 能够弥补胶凝材料用量少、拌合物工作性差的缺陷。

  (2) 参与水泥水化反应:试验研究表明, 石粉作为核晶对水泥的水化反应有促进作用和匀化作用, 若石粉中含有碳酸钙成分, 由于其能够在水泥水化早期有效抑制钙矾石在后期向单硫型硫铝酸钙转化, 从而具有良好的提高水泥石强度的效果。此外, 若石粉中含有活性碳酸钙, 通过和C3A的水化反应, 还能够有效增强混凝土的抗压强度。

  (3) 填充混凝土毛细孔:石粉可充当混凝土的细填料, 将其毛细孔空隙进行有效填充, 如此不仅可提高混凝土的密实度, 还可提高混凝土的抗冻性和抗渗性。

  (4) 使混凝土保水增稠:一定量的石粉存在, 在新鲜混凝土中的吸收拌合用水, 混凝土的单方用水量会因此增加, 随之增强的还有石粉含量, 如此可增大混凝土的粘聚度, 及降低离析风险发生的概率。另外, 混凝土在硬化的过程中石粉会将之前吸收的水分释放出来, 便于水泥的后期水化反应, 客观上降低了混凝土的收缩和徐变的绝对值大小。

  中铁大桥局试验人员经过大量的试验发现:机制砂的石粉含量并非越大越好。机制砂中石粉的主要化学成份是碳酸钙, 尽管参与水泥水化反应会取得一些良好的效果, 但能够参与到水泥水化反应中的数量是十分有限的, 多余的石粉会游离在外围, 有碍于集料和水泥石的粘结, 限制混凝土强度提升。机制砂石粉含量超过一定限值后, 干缩反而明显加大, 也降低了混凝土的长期性能和耐久性能。我们认为, C50以下混凝土机制砂石粉含量控制在10~18%是合适的, C50及以上混凝土石粉含量限制在6~10%, 是比较合理的。

  现行有效的规范标准对机制砂石粉含量的要求不一。各个国家出于自身实际情况考虑, 对石粉含量的限值规定并不一致, 甚至相差甚远。例如英国标准BS882:1992根据混凝土使用性能来规定其细集料中的石粉含量, 划分重载混凝土路面和普通混凝土来规定的;美国标准ASTMC33-2007是根据混凝土耐磨性来限制细集料中石粉最大含量的等。各个国家的规范标准并不统一, 我国多数地区对石粉含量的规定主要参考的是混凝土强度等级。表1是不同国家标准对混凝土用机制砂的石粉粒径的界定和石粉含量的限值。表2是我国各行业和地方标准对混凝土用机制砂的石粉含量限值标准。

  表1 各国对石粉及石粉含量的界定
表1 各国对石粉及石粉含量的界定

  表2 我国各地方及各行业标准规定的石粉含量限值
表2 我国各地方及各行业标准规定的石粉含量限值

  对于高强度等级混凝土, 比如混凝土强度等级C50及以上, 石粉含量可以采用JGJ52-2006_《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》, 控制机制砂石粉含量5~10%比较合理。但对于低强度等级混凝土的细集料石粉含量要求小于10%过于苛刻, 若无法满足实际工程使用需求, 可参考国外对于石粉含量的要求, 适当提高含量。

  2.2、 机制砂混凝土配合比设计的思考

  2.2.1、 混凝土用水量

  天然河砂由于长期自然流动形成的特点, 颗粒表面非常光滑, 颗粒之间相互的内摩擦力很小, 在混凝土中颗粒间绞合力小, 对拌合用水的需求量与机制砂比相对较小。而机制砂的采用机械破碎表面比较粗糙, 有棱有角, 在混凝土中颗粒间绞合力大, 聚羧酸外加剂的过量使用会造成混凝土粘性急剧增加, 从而导致混凝土泵送困难。 (表3)

  2.2.2、 砂率

  我国山区目前生产出的混凝土机制砂一般要求为中粗砂, 机制砂的细度模数在2.3~3.6, 一些机制砂生产企业的产品1.18mm以上的颗粒较多, 占到了50~65%, 砂中0.315mm的组分在7~14%波动, 级配不太合理, 从筛分情况看, 两头多, 中间颗粒比较少。我国多数工程实践表明, 采用中砂适宜泵送, 砂中通过0.315mm筛孔的数量对混凝土可泵性影响很大。日本泵送混凝土规程规定为10~30%, 美国混凝土协会推荐的细骨料级配曲线建议为20%;国内工程实践亦证明, 此值过低输送管易堵塞, 四川、湖北、山东、广东等地泵送混凝土施工经验表明, 此值都在15%以上。相关规范标准中要求, 细骨料应符合《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》规定, 通过0.315mm筛孔的砂不应少于15%, 有良好的连续粒级。砂场生产出的机制砂颗粒0.315mm级的数量略显不足, 同时颗粒直径在1.18mm以上的偏多, 导致泵送的机制砂混凝土配比较困难, 我们采用的方法是适当提高砂率, 增加0.315mm级的颗粒的数量, 满足机制砂混凝土的可泵性和工作性。

  表3 用水量对机制砂混凝土工作性和强度的影响
表3 用水量对机制砂混凝土工作性和强度的影响

  不要认为砂率越大越好施工, 过大的砂率虽然对混凝土的工作性有利, 却大大增加了混凝土的早期收缩, 体积稳定性差及出现塑性开裂等风险, 在夏季温度较高的时候施工会表现得格外明显。进行机制砂混凝土配合比设计时, 注意选择适宜的砂率, 我们通过大量的试验表明, 通常配制机制砂泵送混凝土要比河砂混凝土高出5~10%的砂率。

  2.2.3、 水泥及减水剂的影响

  水泥作为桥梁混凝土中最重要的胶凝材料, 对机制砂混凝土性能起至关重要的作用, 硅酸盐水泥的主要矿物组分是硅酸三钙, 硅酸二钙、铁铝酸四钙、铝酸三钙。硅酸二钙水化速度慢, 对混凝土后期强度影响大, 水化硅酸三钙, 铝酸三钙, 铁铝酸钙水化速度快, 主要影响混凝土产品的早期强度。钙矾石是由水泥水化产物C—A—H (水化铝酸钙) 和硫酸根离子结合产生的结晶物水化硫铝酸钙 (简称AFt) 。钙矾石产物可以提高机制砂混凝土的早期强度, 同时可以对机制砂混凝土的收缩进行补偿, 而延迟钙矾石却引起混凝土的膨胀开裂破坏, 这就是所谓钙矾石作用的矛盾的二重性。硅酸盐水泥的凝结、硬化, 以及主要水化产物的特性, 水化硅酸钙 (C—S—H) 凝胶约占水化产物总量的68%, 提供水泥石硬化的主要粘结力和硬化体的主要强度, 并对水泥石的耐久性起主要作用。聚羧酸系减水剂是我国市政工程、交通工程和铁路工程中最常用的一种混凝土超塑化剂 (减水剂) , 减水剂与水泥及其他各种砂石料的适应性至关重要。配合比设计非常重要, 通过试验, 配制出具有一定的经济性、工作性好、强度高、长期性能及耐久性良好的机制砂混凝土。

  2.2.4、 混凝土配合比的工作性实例 (表4)

  表4 机制砂混凝土的工作性
表4 机制砂混凝土的工作性

  3、 结语

  (1) 对于鄂西北山区高速公路混凝土施工, 运输条件限制的情况下, 采用优质的机制砂及高性能减水剂可以配制出工作性能好, 流动性较大的高强度混凝土, 对于节约施工成本达到了十分显着的成效。

  (2) 随着我们国家各地的基本建设、基础设施工程的大力开展, 现有的河砂资源越来越紧缺, 今后一段时间机制砂混凝土应用将会越来越多, 也是大势所趋。机制砂目前存在着规格不一、机制砂的两头级配量大、中间级配量少、表面非常粗糙、当前石粉含量偏高、导致需水量较大等缺陷, 在机制砂混凝土配制技术上和河砂存在差异。在机制砂混凝土配合比设计时, 混凝土实验室技术人员不可生搬硬套河砂混凝土配合比设计的计算方法, 对机制砂石粉的作用、混凝土用水量、砂率等几个指标进行重点关注, 机制砂混凝土的各种原材料必须通过试验检验合格, 混凝土配合比设计通过实际使用的原材料进行验证后, 方可在桥梁工程中使用。

  (3) 中铁大桥科学研究院有限公司同中铁大桥局五公司在湖北恩来恩黔高速公路项目龙桥钢管混凝土C55, 采用机制砂和天然砂相结合, 成功配制了大流动度和高强度混凝土并应用成功, 经验值得借鉴。

  (4) 在桥梁工程建设中, 砂作为结构混凝土重要的组成材料, 其质量优劣直接影响着混凝土的性能和桥梁工程质量。随着我国天然河砂的日益匮乏和国家环保局对生态环境保护严格要求, 有些地区已对河砂过度开采下达了禁令, 因此, 采用机制砂代替河砂将是今后混凝土发展的必然趋势。由于目前生产的机制砂在粒形、级配、石粉含量等特性指标上达不到天然河砂的内在品质, 在机制砂混凝土设计配制技术上又与河砂有所不同, 用机制砂设计混凝土配合比时不能机械地套用河砂混凝土的设计配合比的配制方法, 必须针对机制砂固有特性指标, 分析可能对混凝土性能带来的影响, 采取相应的措施配制出符合桥梁工程的设计强度等级、工作性稳定, 流动性好、长期耐久性和经济合理的高性能混凝土, 推动机制砂混凝土全面地发展应用。

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