機制砂摻河砂混凝土的配制及性能研究

陳立兵 陳 攀*

(中交二航局六分公司，湖北 武漢 430017)

機制砂摻河砂混凝土的配制及性能研究

陳立兵 陳 攀*

(中交二航局六分公司，湖北 武漢 430017)

通過對中交二航局武深高速TJ-5標機制砂摻河砂混凝土的研究，闡述了機制砂與天然河砂的特點，對機制砂摻河砂混凝土的級配情況進行了分析，指出機制砂摻河砂混凝土具有更好的經濟性和適用性。

機制砂，河砂，混凝土，性能，適用性

1 研究背景及意義

近年來，各類建設項目與日俱增，混凝土的需求量不斷增加；砂是混凝土重要組成部分之一，其需求量也不斷增加。由于優質天然砂屬于不可再生資源，并且隨著近年來環境保護意識的加強，一些地區天然砂的開采受到限制，優質天然砂面臨供不應求的局面。為了解決天然河砂不足，項目所在地河砂級配差且偏細的矛盾，機制砂得到了越來越廣泛的應用。單純用機制砂配制混凝土其和易性較差，增加泵送難度。而機制砂摻偏細河砂混凝土不僅具有較高的經濟性和適應性，且機制砂的生產受氣候、季節影響小，料源穩定充足，成本低，在生產工藝上能有效控制，其品質指標相對穩定。而偏細河砂本身級配不良，很多區域不準使用，兩者結合使用有利于提高工程質量，確保生產進度，降低工程成本。

2 工程概況

本項目位于咸寧市崇陽縣境內，因受制于當地水文地質特點，天然河砂資源匱乏，大多從外地調運，其料源不穩定級配差且偏細，價格昂貴，隨著施工進入高峰期，混凝土需求量急增，當地天然河砂遠遠不能滿足現場施工的需求。本項目線路全長14.593 km。按雙向四車道高速公路標準修建，設計速度為100 km/h。合同段內共有隧道2座，主線橋梁15座，30 m預制箱梁1 098榀；涵洞、通道共40道。混凝土方量共計約為24萬m3。

3 工程面臨的主要技術挑戰

結合常規混凝土施工應用于本工程中，存在以下問題：1)當地河砂資源匱乏，河砂價格較高，運距遠，不利于成本控制，其料源不穩定，級配差且偏細，混凝土施工難以控制；2)單一使用機制砂作為細集料用于混凝土中，混凝土坍落度損失較大，和易性較差，泵送難，在運輸距離較遠的情況下，不利于現場施工。為了解決以上問題，本項目根據機制砂和河砂的特點，提出使用本項目隧道中開采出來的巖石資源生產的機制砂與河砂混摻用做混凝土細集料，并進行了混凝土配合比的試驗研究工作。

4 機制砂與天然河砂特點

4.1 本項目機制砂與天然河砂簡介

機制砂顆粒形呈三角形或方矩體，表面粗糙，棱角尖銳，有的片狀顆粒較多。本項目生產的機制砂細度模數在3.2～3.6之間，大多偏粗，級配不良，致使機制砂混凝土存在和易性差，易離析等問題，這就勢必使得在配制機制砂過程中加大水泥用量，增加混凝土的成本。

因本項目地處山區受地理條件的限制，天然河砂級配較差，大多偏細，細度模數基本在1.9～2.3之間，無優質河砂資源供應。

根據機制砂和河砂的特點，機制砂普遍較粗，篩余 0.3 mm以下所占的比例較小，而當地天然河砂的粒徑0.3 mm以下細顆粒所占比例較多，與機制砂復合正好可填補0.3 mm以下的累計篩余，使細骨料具有良好的級配。與此同時，天然河砂可減小機制砂之間的內摩擦力，從而使混凝土獲得良好的施工性能，因此，混合砂混凝土的和易性與流動度接近優質天然中砂混凝土，甚至工作性能更好。將機制砂和天然河砂按一定比例配合而成的混合砂，用于混凝土中，不僅能節約成本，而且能大大改善混凝土的工作性能。

4.2 本項目機制砂與天然河砂級配情況

取用于本項目施工中具有代表性的機制砂和河砂進行篩分試驗，其結果見表1。

表1 機制砂與河砂的篩分試驗結果

由表1試驗數據可見，該機制砂級配區屬Ⅰ區，級配不良，細度模數Mx=3.4，為粗砂，而天然河砂細度模數Mx=2.3，為中砂且偏細。因此，在機制砂中摻入一定比例的天然河砂調整機制砂的顆粒級配，以達到Ⅱ區中砂的級配要求。結合機制砂、河砂原材料價格，通過試驗計算分析可得出，當混合砂中機制砂與河砂摻配比例為60%∶40%時，其所配得混合砂的細度模數為2.9，級配區間為Ⅱ區，且具有較好的經濟性，因此本研究優選機制砂與河砂摻配比例60%∶40%。混合砂合成試驗數據見表2。

表2 60%機制砂與40%河砂的合成試驗數據

5 機制砂摻河砂混凝土配合比的研究

結合本項目原材料特點，通過試驗分析確定了混合砂的摻配比例，然后進行機制砂配合比、河砂配合比和混合砂配合比的設計與試配比對試驗，并對其力學性能和工作性能進行研究分析。

5.1 原材料的選擇

細集料為武漢鴻業成建筑工程有限公司生產的機制砂(細度模數3.4)和崇陽縣肖嶺公路局生產的天然河砂(細度模數2.3)；粗集料為崇陽縣昌盛采石場碎石5 mm～20 mm∶16 mm～31.5 mm=60%∶40%比例摻配，合成5 mm～31.5 mm連續級配；水泥為華新牌P.O42.5；粉煤灰為岳電廠F類Ⅱ級；減水劑為中交二航武漢港灣新材料有限公司生產的LS-SP聚羧酸系高效減水劑，減水率29%。

5.2 機制砂摻河砂混凝土配合比的研究與分析

本項目的混凝土設計等級為C15～C50六個等級，本試驗以C30墩柱混凝土為研究對象，進行單一砂和混合砂混凝土配合比的設計與試配研究，并對其影響因素進行分析探討。C30墩柱混凝土設計要求：坍落度160 mm～200 mm。

5.2.1 配合比設計

按照常規配合比設計方法，根據設計文件和JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規程要求對單一河砂混凝土配合比進行室內設計工作，混凝土配合比的計算采用質量法。得出其配合比見表3。

表3 C30河砂混凝土配合比表

5.2.2 配合比試配比對試驗成果

在得出河砂混凝土配合比后，為了使試驗具有可比性，在配合比設計時保證混凝土設計容重、水膠比、膠材用量不變及混凝土工作性能接近的情況下，按規范要求依次對混合砂混凝土和機制砂混凝土進行配比設計與試拌試驗，因本項目采用偏細河砂和機制砂混摻制得中砂，以滿足混凝土用砂的要求，提高混凝土性能。根據JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術規范第6.3.4條中關于Ⅱ區中砂級配要求，高性能、高強度、泵送混凝土用砂宜選用細度模數為2.6～2.9的中砂，結合機制砂和河砂的顆粒級配情況和前期試驗結果，同時考慮到機制砂供給充足，生產成本低且質量可以人為控制，提高機制砂的摻配比例符合技術經濟指標要求，因此本項目混合砂混凝土選用 60%的機制砂與 40%的河砂作為研究對象來配制混凝土。根據配合比設計要求和試驗可得出表4，表5的試驗結果，通過大量對河砂混凝土(A組)，機制砂混凝土(B組)，混合砂混凝土(C組)配合比的試配比對試驗可以得出機制砂與河砂混凝土具有如下特點：

1)因機制砂的形狀粗糙尖銳不規則，多棱角，顆粒之間的咬合作用導致新拌混凝土流動阻力大，工作性能差，容易離析。

2)機制砂混凝土與河砂混凝土相比，在相同水膠比和同樣的膠材用量時，要滿足混凝土良好的工作性，機制砂采用的砂率比河砂明顯要大，這是因機制砂表面粗糙，多棱角，粗顆粒較多，故機制砂混凝土的砂率不宜按天然河砂混凝土砂率選取的方法直接選取，而應根據機制砂的細度模數，顆粒級配，石粉含量等特點進行混凝土配合比設計，通過合理利用機制砂的特點，調整機制砂的砂率，可以配制出工作性良好的混凝土。在配制混凝土過程中砂率過大會使混凝土變得粘稠而達不到預期的流動性；砂率過小會使混凝土變得干硬易于離析。因此根據機制砂的特點選取合適的砂率，以保證混凝土拌合物具有良好的和易性與較高的抗壓強度是非常重要的。

3)機制砂的生產必然會產生石粉，而石粉對機制砂混凝土各方面都有著十分顯著的影響，過多的石粉對混凝土的流動性和強度等有不利的影響，但是機制砂中含有適量的石粉卻能彌補機制砂混凝土工作性差的缺點，起到填充顆粒間空隙的作用，能提高混凝土密實度，混凝土的粘聚性和保水性有所改善。同時細分散的石粉對C3S的水化起明顯的晶核作用，早期能與水泥熟料中的C3A和C4AF發生一系列的化學反應，生成具有一定強度的結晶水化物，且石粉具有填充作用，使混凝土更加密實，機械強度提高[1]。因此在生產中應加強機制砂石粉含量的控制。

表5 C30混凝土工作性能與力學性能

5.2.3 工作性能分析

由試拌結果和表4，表5中所得數據可知，A組混凝土保水性較差，B組混凝土的坍落度損失較大，在混凝土試配強度都滿足要求的前提下，混合砂混凝土(C組)其出機狀態比河砂混凝土(A組)、機制砂混凝土(B組)明顯要好，坍落度損失較小。

因本項目地處山區，混凝土運輸時間較長，對混凝土的坍落度控制及坍落度損失要求較高，針對本項目細集料研究分析，機制砂過粗容易造成混凝土和易性差，其形狀粗糙尖銳不規則，多棱角，顆粒之間的咬合作用導致新拌混凝土流動阻力大，易離析，不利于泵送，其中過多的石粉含量也會引起混凝土坍落度損失較快；河砂級配差且偏細，配得混凝土流動性、保水性差，細砂的比表面積較大會加大水分的吸收，相同用水量的情況下，坍落度偏小。對混合砂進行級配合成后，能有效的利用河砂中的細顆粒來減小機制砂之間的摩擦阻力，能配出良好級配，減小因細集料級配不良而造成混凝土工作性差，坍落度損失過大等問題，使混合砂混凝土具有較好的流動性和保坍性。

6 結語

通過本項目試驗研究，使用機制砂摻河砂配制混凝土，不僅解決了單一砂配制混凝土工作性和適用性差的問題，而且也解決了項目所在地河砂供不應求級配差、成本高的問題，利用本項目隧道中開采出來的巖石資源生產機制砂，不僅節約了成本，也保護了環境。因此，在今后項目混凝土施工過程中，施工單位可因地制宜，采用經濟性和適用性的混凝土配制方案，結合對該項技術進一步的推廣使用，必將取得良好的經濟和環保效益。

[1] 王稷良,牛開民,劉 英，等.機制砂中石粉對混凝土性能影響的研究現狀[J].公路交通科技,2008,25(9)：303.

Research on preparation for sand river of machine-made sand and its performance

Chen Libing Chen Pan*

(SixthBranchofNo.2HarborBureauofCCCC,Wuhan430017,China)

According to the research on the TJ-5 sand river of machine-made sand along Wuhan-Shenzhen Expressway by No.2 Harbor Bureau, the paper illustrates the concrete is bitterly economical and applicable, illustrates its features with the comparison of natural river sand, and analyzes the grading circumstances of the sand.

machine-made sand, river sand, concrete, performance, applicability

2015-02-06

陳立兵(1981- )，男，工程師

陳 攀(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)11-0109-02

TU528

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