人工混合砂在軌道交通工程混凝土中的應(yīng)用研究

秦明強(qiáng)，朱瑤宏，李進(jìn)輝，占 文，屠柳青

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430040;2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040;3.寧波市軌道交通工程建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315000)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，混凝土用量巨大，消耗了大量的天然砂石資源。目前，天然砂資源日趨匱乏，質(zhì)量日益下降，而且價(jià)格大幅上漲，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土用砂供需矛盾突出，甚至影響了混凝土質(zhì)量。機(jī)制砂和人工混合砂能在一定程度上緩解這一矛盾，并且能有效利用石場(chǎng)開采的廢棄物。機(jī)制砂是指由機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖的顆粒。混合砂則是指由機(jī)制砂和天然砂混合制成的砂。機(jī)制砂顆粒表面粗糙、尖銳多棱角、細(xì)度模數(shù)大、級(jí)配不良、堆積空隙率高［1-2］，配制出的混凝土易出現(xiàn)和易性差、離析泌水、后期強(qiáng)度低、外觀質(zhì)量不好等系列問題。若配以一定比例的天然砂制成混合砂后，能在一定程度上緩解。

寧波市軌道交通工程1號(hào)線一期起于市區(qū)西部的高橋鎮(zhèn)，終于東外環(huán)路站，線路全長(zhǎng)約21.00 km。設(shè)車站20座，其中地下站15座，高架站5座，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。本工程混凝土方量約為100萬(wàn)m3，預(yù)計(jì)需要用砂約75萬(wàn) t。寧波附近缺少淡水砂資源，如采用當(dāng)?shù)睾Ｉ芭渲苹炷粒炷林谐跏悸入x子濃度滿足不了規(guī)范要求，勢(shì)必影響混凝土的耐久性。目前混凝土用砂基本采用福建閩江和江西贛江天然河砂，河砂供需矛盾突出且價(jià)格較高。同時(shí)，寧波本地石料場(chǎng)較多，有較為充足的機(jī)制砂資源。因此，如何采用機(jī)制砂和天然河砂混合配制出滿足工程需要的混凝土是一個(gè)亟待解決的問題。本研究主要針對(duì)以上情況，研究人工混合砂配制軌道交通工程混凝土的可行性。

1 主要原材料及試驗(yàn)方法

1.1 主要原材料

水泥選用余姚舜江P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量26.8%，比表面積360 m2/kg，28 d抗壓強(qiáng)度45.2 MPa;粉煤灰選用寧波北侖電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度11.1%，需水量比99.2%;礦粉選用寧波港新S95級(jí)礦粉，比表面積400 m2/kg，28 d活性指數(shù)96%;石子選用寧波新欣5～25 mm碎石，表觀密度2 635 kg/m3、針片狀含量3.8%、壓碎值4.1%;外加劑選用中交武港院聚羧酸減水劑，減水率25.2%。

天然砂為福建閩江砂，具體性能指標(biāo)見表1;機(jī)制砂為寧波半浦石場(chǎng)生產(chǎn)，具體性能指標(biāo)見表2。

表1 試驗(yàn)用天然砂主要技術(shù)指標(biāo)

表2 試驗(yàn)用機(jī)制砂主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土電通量、抗水滲透性能和碳化試驗(yàn)按《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》(GB/T50082—2009)的相關(guān)方法進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

本研究主要以工程中用量較大的C35 P10防水混凝土為例進(jìn)行試驗(yàn)。C35 P10防水混凝土配制時(shí)要求具有良好的工作性、抗?jié)B性、抗裂性和耐久性能，具體指標(biāo)要求見表3。

目前C35 P10防水混凝土配制一般采用大摻量礦物摻合料(單摻粉煤灰或粉煤灰和礦粉雙摻)和高效減水劑的配制技術(shù)，部分工程中摻入膨脹劑、抗裂防水劑或纖維來提高其抗?jié)B性。同時(shí)，通過控制膠材用量來降低水化熱，降低水膠比來提高密實(shí)性，控制砂率來提高體積穩(wěn)定性。

表3 C35 P10防水混凝土配制技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)中選取軌道交通工程中較為常用的C35 P10防水混凝土配合比(NJ-5)作為基準(zhǔn)配合比，將機(jī)制砂和天然砂按照不同比例(100∶0，80∶20，60∶40，40∶60，0∶100)混合，通過外加劑摻量調(diào)節(jié)，使混凝土坍落度達(dá)到180～200 mm，具體試驗(yàn)配合比見表4。表中膠材用量采用雙摻，水泥∶粉煤灰∶礦粉=5∶3∶2。考慮到機(jī)制砂的級(jí)配不如混合砂，細(xì)顆粒相對(duì)較少，對(duì)砂率進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。機(jī)制砂用量愈多，砂率愈大，全用機(jī)制砂時(shí)砂率取46%，全天然砂時(shí)砂率40%。試驗(yàn)主要測(cè)試混凝土的工作性能、抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)和相關(guān)耐久性指標(biāo)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

表4 試驗(yàn)用配合比 kg/m3

2.1 工作性能

由表5可知，人工混合砂較天然河砂、全機(jī)制砂混凝土工作性能均有一定的改善。與天然河砂相比，人工混合砂中機(jī)制砂的摻入使得混凝土的坍落度和擴(kuò)展度增大，主要由于機(jī)制砂中含有一定量的石粉，可增加混凝土中漿體量，改善了工作性能，在一定程度上緩解了摻入礦粉后混凝土發(fā)黏的問題。另外，與全機(jī)制砂相比，人工混合砂解決了全機(jī)制砂混凝土易離析的問題，并在一定范圍內(nèi)隨著機(jī)制砂用量的降低、天然砂用量的增加改善離析效果愈發(fā)顯著，究其原因?yàn)樘烊簧暗膿饺朐黾恿思?xì)顆粒含量，改善了級(jí)配，弱化了機(jī)制砂表面較粗糙、相互摩阻力大的問題。

表5 工作性能對(duì)比

2.2 力學(xué)性能

力學(xué)性能如圖1所示。人工混合砂配制出的混凝土早期抗壓強(qiáng)度(7 d)要略高于天然砂(NS)，低于全機(jī)制砂(MS)，后期抗壓強(qiáng)度(28 d)基本相當(dāng)，均能滿足試配強(qiáng)度要求。機(jī)制砂中含有適量的石粉，一方面微細(xì)的石粉可起到填充空隙的作用，使得混凝土中漿體量增大，提高密實(shí)性［3-5］。更重要的是，石粉的主要成分為碳酸鈣，微細(xì)碳酸鈣的加入還可以加速硅酸三鈣的水化，提高混凝土的早期強(qiáng)度［6］。后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢可能由于機(jī)制砂表面有大量的裂縫和缺陷，在后期較高強(qiáng)度的情況下，不再是界面和水泥漿本身的破壞，而顯現(xiàn)為機(jī)制砂自身的破壞。

圖1 人工混合砂對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 抗?jié)B性能

由圖2可知，所配制的混凝土電通量均小于1 000 C，滿足高性能混凝土要求。人工混合砂配制出的混凝土28 d電通量值高于天然砂，低于全機(jī)制砂;56 d電通量值除全機(jī)制砂高于天然砂外，其余均低于天然砂，并隨著機(jī)制砂與天然砂比例的調(diào)整，電通量值略有差異。

全機(jī)制砂混凝土抗水滲透等級(jí)為P10，其余四組均可達(dá)到P12。其原因在于機(jī)制砂級(jí)配不良，采用全機(jī)制砂時(shí)堆積空隙率高，石粉不足以填充所有空隙，導(dǎo)致抗?jié)B性能略有降低。隨著機(jī)制砂與天然砂的比例調(diào)整、級(jí)配的優(yōu)化，填充效果得到改善，抗?jié)B性能提高。

圖2 人工混合砂對(duì)電通量的影響

2.4 碳化性能

圖3為各組28 d齡期碳化深度試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可知，天然砂28 d碳化深度最大，全機(jī)制砂次之，人工混合砂則隨天然砂的比例增大而增加，表明人工混合砂與天然砂相比會(huì)在一定程度上改善碳化問題。

2.5 變形性能

通過上述試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)濟(jì)性綜合比較，選取了NJ-4組(機(jī)制砂∶天然砂 =4∶6)與天然砂和全機(jī)制砂進(jìn)行干縮試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。圖中人工混合砂對(duì)干縮的影響較小，28 d干縮值略高于天然砂，主要由于石粉增加了混凝土中的漿體量，導(dǎo)致了混凝土的干縮增大。

圖3 人工混合砂對(duì)28 d碳化深度的影響

圖4 人工混合砂對(duì)干縮的影響

3 結(jié)語(yǔ)

通過以上試驗(yàn)，利用人工混合砂配制出的混凝土工作性能、早期抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能和抗碳化性能優(yōu)于天然砂，后期抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)、干縮變形稍大于天然砂。人工混合砂可替代天然砂用于配制軌道交通工程C35 P10防水混凝土。同時(shí)，在采用本研究的原材料情況下，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和混凝土性能，建議機(jī)制砂與天然砂的比例為6∶4。

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