混合砂混凝土的性能及其在橋梁工程中的應用綜述

張蘭芳，劉大超，黃維蓉

（重慶交通大學，重慶 400074）

0 前言

眾所周知，混凝土原材料豐富易得，價格低廉、性能優良，是建設公路橋梁的基礎，也是現代土木建筑技術發展的重要物質基礎。細集料是配制混凝土的基本原材料之一，一般占混凝土體積的30%左右，其質量優劣對混凝土拌合物的工作性和硬化混凝土的物理力學性能、耐久性均有重要的影響。目前，國內外常用天然中、粗砂作細集料配制混凝土，但從我國實際出發，天然砂資源分布極不平衡，且資源十分匱乏，如重慶、寧夏、河南、四川、內蒙古等廣大地區缺少優質天然中粗砂，甚至出現無砂可采的狀況，這使得砂的價格越來越高，遠距離運輸增加了中砂的成本，使得混凝土用砂供需矛盾日益突出，并經常出現供不應求的現象，影響了工程的建設進度，因而使用機制砂替代天然砂配制混凝土勢在必行。

1 復合砂對混凝土性能的影響

1.1 復合砂混凝土的工作性

國外的有關研究表明，機制砂部分取代河砂在沒有外加劑時，混合砂混凝土的工作性變差；隨高效外加劑摻量的增加，混合砂混凝土工作性逐步改善；黃洪勝[1]對混合砂（機制砂與重慶特細砂）拌制混凝土的工作性進行了研究表明，摻入一定量的摻合料和外加劑，可配制強度等級為C30、C40、C50 的混凝土，混凝土的坍落度都在200mm 以上，擴展性較好，能滿足混凝土泵送要求；余良君[2]的研究表明，在相同配合比、相同水灰比條件下，用特細砂和人工機制砂按照一定的比例復合后配制的混凝土坍落度及坍落度損失和中砂混凝土基本接近，且混凝土的保水性、粘聚性良好，有利于其澆注成形；覃光焱，劉大超[3]用60%機制砂+40%特細砂配制的混凝土和天然中砂的工作性進行對比試驗發現，混合砂混凝土的工作性好，初始坍落度、擴展度均較大，坍落度損失小，適合于配制大流動度的泵送清水混凝土；高楚文[4]等的研究得出，用45%機制砂+55%特細砂的混合砂配制的混凝土拌合物，初始坍落度與初始擴展度大，流動性、黏聚性和保水性好，而l h后坍落度損失也小，利于混凝土的長距離運輸和泵送施工。

由北方設計研究院設計、云南省第八建筑工程公司承建的金碧陽光工程，采用山砂和機制砂復合配制混凝土，混凝土的坍落度在20～24cm, 擴展度50～60cm, 經過50min 運輸到施工現場，混凝土入泵坍落度在18～22cm, 擴展度45～60cm, 滿足施工方案制定的坍落度為( 20±3) cm 的要求[5]。

表1 混合砂混凝土和簡陽中砂混凝土28d 各強度比較

1.2 混合砂混凝土的力學性能

大多數研究認為用機制砂配制的混凝土比河砂配制出的混凝土強度略高。D.S.PrakashRa 等人用含有石粉的機制砂分別制作了長1350mm、寬120mm、高150mm 的素混凝土梁和鋼筋混凝土梁，并與河砂混凝土梁作對比，結果表明:在素混凝土中，機制砂混凝土梁比河砂混凝土梁抗壓強度高17%、抗折強度高20%、劈裂抗拉強度高7%[6]；在涪江三橋的研究和應用表明，混合砂混凝土和簡陽中砂混凝土的抗壓強度、軸心抗壓強度、軸心抗拉強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和靜壓彈性模量各項指標比較，混合砂混凝土略高于簡陽中砂混凝土，兩者沒有太大差異，試驗結果見表1[7]。另外，李美利[8]用20%、40%的機制砂代替部分河砂配制混凝土，發現其抗壓強度、劈裂抗拉強度和斷裂能均比河砂混凝土的要高。而舒傳謙[9]的研究認為，一旦機制砂石粉含量或砂率過高，由于降低混凝土的強度，削弱骨料的骨架作用，也可能降低彈性模量。

筆者走訪了重慶市大量的混合砂混凝土工程，如重慶合川市的涪江三橋、重慶漁洞長江大橋、重慶嘉華嘉陵江長江大橋工程、重慶渝奧大橋、石板坡長江大橋等。調研發現，機制砂和特細砂按適當比例混合配制的混凝土力學性能高于或和中砂混凝土相當，符合結構承載力的基本要求。實踐表明，混合砂混凝土用于橋梁、立交橋等工程中，混凝土實際強度都大于設計強度等級，工程質量優良，并降低了工程造價，具有重要的經濟技術效益。

表2 重慶市已建橋梁、隧道工程混合砂混凝土的應用情況調查表

1.3 混合砂耐久性能

通常，機制砂配制的混凝土耐久性與石粉的含量有關。采用高石粉含量機制砂拌制的混凝土，抗滲性能會有所提高，機制砂中的石粉較好的顆粒形狀和級配會使機制砂的堆積密度提高，較好的顆粒堆積會減少水泥水化后形成的孔隙，從而提高混凝土的抗滲性，且石粉越多，被阻斷的透水通道也就越多，越能改善混凝土的抗滲性能[10-11]；相同強度等級的混凝土，混合砂混凝土的抗滲透能力優于天然砂混凝土[4]；對不同強度等級的混合砂混凝土和中砂配制的混凝土的抗滲性結果表明，隨著混凝土強度等級的增加，混合砂混凝土的抗滲性、抗氯離子滲透性逐漸變好[1]。

對混合砂混凝土的耐硫酸鹽侵蝕性進行的研究表明，混合砂混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能比天然中砂的更好。這是因為混凝土受腐蝕損壞的速率取決于混凝土的滲透性。通過掃描電鏡觀察到，混合砂混凝土的密實度高、孔隙率小、含有的大孔和連通性良好的毛細孔少，滲透性低，不利于SO2-4離子擴散滲透進混凝土內，因而耐硫酸鹽腐蝕能力得到有效改善[11]。

相關研究表明，在配合比相同的情況下，混合砂混凝土比天然中砂混凝土具有更好的抗凍性[11-12]。但張桂梅等人研究石粉對低強度等級混凝土影響時，發現石粉對混凝土抗凍性不利，隨石粉含量增加，混凝土抗凍性下降[13]；而曹盛明認為，石粉含量對機制砂混凝土的抗凍性影響較小，可通過摻加摻合料改善機制砂混凝土的抗凍性，混合砂混凝土中只要控制好石粉含量及機制砂和特細砂的比例，再輔以一定量的礦物摻合料和外加劑，其它性能如抗碳化性能、鋼筋銹蝕性能、混凝土與鋼筋的握裹性能等都與中砂混凝土的相同或不低于中砂混凝土[14]。

通過大量的調查研究可知，機制砂與水泥漿體界面的結合良好，機制砂中的石粉填充了混凝土中的孔隙，提高了混凝土的密實性，因此，當石粉含量、機制砂與天然細砂比例適當時，混合砂配制的混凝土抗滲性、抗凍性、耐化學侵蝕性大多都優于中砂混凝土。

2 復合砂混凝土在橋梁工程中的應用

貴州壩陵河特大橋是國家重點公路建設項目滬瑞國道主干線貴州鎮寧至勝境關高速公路跨越壩陵河大峽谷的一座特大橋，橋長1564m、主跨1088m，東索塔高188.683m，采用機制砂配制C50 混凝土，完全滿足工程高程高溫條件下泵送施工的需要。

重慶石板坡長江大橋加寬改造工程中采用了強度等級為C60 的混合砂混凝土，其中采用了含粉量4.8%、細度模數為3.87 的機制砂和含泥量0.84%、細度模數為1.20 的合川渠河砂。混凝土配以一定量的磨細礦渣粉和泵送劑，各項性能指標優良，且不同抽樣部位混凝土的強度檢測結果表明，28d 抗壓強度均在70MPa 以上。

碚東嘉陵江大橋選用特細砂與機制砂混合配制高性能泵送混凝土。箱梁混凝土采用C55，混凝土除滿足強度、和易性要求，還具有很好的流動性，能保證工程順利施工，且每方混凝土細集料節約43 元左右，為工程節約造價。

重慶嘉華嘉陵江長江大橋工程華村立交采用細度模數為2.3 的混合砂，混凝土的強度等級為C50，其中采用了S95 磨細礦渣粉、 KS-JS60 泵送劑和GNA 混凝土膨脹劑（8%），28d抗壓強度平均達到65MP 以上，28d 彈性模量為4.24×104MPa，混凝土拌合物的和易性優良，凝結時間滿足施工要求，工程效果良好。

嘉陵江復線橋主橋箱梁配制C50 混合砂高性能混凝土采取摻高效減水劑和超細礦物質摻合料的雙摻技術措施，通過配合比優化試驗，配制成符合設計及施工技術要求的大流動性、緩凝、早強、高強、泵送的高性能混凝土；為工程建立了完整的質量保證體系和監控體系，在重慶首次全橋采用機制砂配制高性能混凝土獲得成功，給復線橋建設帶來了直接經濟效益，并給以后推廣帶來更為可觀的社會效益。

表2 是重慶市其他橋梁、隧道工程用混合砂混凝土的應用情況，可供相關施工企業或單位借鑒與參考。

3 結論

（1）采用級配與技術性能良好的機制砂和特細砂，能配出工作性、力學性能及耐久性和中砂混凝土相當的混合砂混凝土，且混合砂混凝土的收縮變化規律與中砂混凝土相同，只要嚴格控制特細砂的細度模數及二者的摻配比例，混合砂混凝土的收縮完全可降低至中砂混凝土的收縮水平。

（2）大量的工程實例表明，采用混合砂混凝土可節約工程成本、保護環境，對解決日益缺少的天然砂資源具有重要意義。本文所提供的大型橋梁工程實例為混合砂混凝土的推廣應用提供參考和借鑒。

[1]黃洪勝.混合砂混凝土性能與應用研究[D].重慶大學碩士論文[A]，2005.10.

[2]余良君.混合砂代替天然中砂在混凝土中的應用研究[J].福建建材，2006（4）：18-19

[3]覃光焱，劉大超.混合砂在C50 清水混凝土中的應用研究[J].混凝土，2007（9）：60-62

[4]高楚文，張金海.混合砂在中、低強度混凝土中的應用研究[J].混凝土，2008（10）：87-88

[5]李章建，呂劍鋒，李昕成等.機制砂和Ⅲ級粉煤灰配制低水泥用量C60 高性能混凝土的試驗和工程應用[J].2006（12）：74-77

[6]D.S.Prakash Rao and Giridhar Kumar. Investigationson Conerete with Stone Crushed Dust as Fine Aggregate[J],The Indian Concrete Journal，2004.6.

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[14]曹盛明.高性能機制砂混凝土的性能及應用技術研究[D]，重慶交通大學[A]. 2008