機制砂特性在PHC管樁的應用研究

吳其群 余曉文 滕耀華 夏偉 何國昌 王智

（1廣東和駿基礎建筑工程有限公司，廣東 中山 528400；2廣東三和管樁股份有限公司，廣東 中山 528400）

0 前言

自2017年以來，受資源枯竭、環保的要求及國家產業政策引導等因素影響，在全國范圍內，天然河砂的供應相當緊張，河砂從東南亞大量進口已成事實。PHC管樁對砂的品質要求比普通混凝土更高，管樁企業不時陷入（高品質）河砂供應不足的困境。因此，管樁企業使用機制砂既是迫在眉睫，也是長久之計。在我國，機制砂的發展已有多年的歷史，在普通混凝土中的應用研究很多，技術相對成熟；管樁混凝土一般是河砂摻用部分機制砂，全機制砂在管樁中的使用還較少，這既有工藝技術的問題，也存在認識上的不足。

GB/T 14684-2011《建設用砂》已經將機制砂列入建筑用砂標準中，機制砂在顆粒形態、細度模數、物理性質和化學成分等方面與河砂有明顯不同，本文從機制砂的細度模數和顆粒級配、壓碎指標和輕物質含量、試塊強度和實體強度方面分析研究機制砂對PHC管樁的應用影響，以期利于全機制砂在PHC管樁行業更好的使用。

1 機制砂的特點

GB/T 14684-2011對機制砂的定義是經除土處理，由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業廢渣顆粒，但不包括軟質、風化的顆粒，俗稱人工砂。

國內大部分機制砂廠缺少專業的整形設備，機制砂表面粗糙、多棱角，細度模數較大，級配不合理，最明顯的是機制砂在生產過程中不可避免地產生約占總量的10%以上的粒徑＜0.075mm的石粉顆粒。部分機制砂，因母巖材質的原因，含有軟質顆粒（一般在砂石材料中，軟質顆粒基本可等同于輕質顆粒），甚或已不符合機制砂“不包括軟質”的定義，所制得機制砂輕物質含量偏高，壓碎指標值偏大。部分機制砂內部裂縫過多，需水量過大，限制了其在高強混凝土的應用。

總之，不同來源的機制砂千差萬別，是以GB/T 14684-2011中對機制砂在使用過程中也沒有明確的標準參數[1]，主要還是根據其用途確定。所以，在PHC管樁混凝土中使用機制砂需要了解機制砂不同參數對管樁混凝土性能的影響。

2 細度模數和顆粒級配

由于細度模數試驗簡單，計算方便、數據直觀，GB/T 14684-2011將其作為砂粒度的控制指標。細度模數概念是美國人阿布侖在1981年提出的，用來衡量骨料的粗細程度。骨料幾何平均粒徑是細度模數的指數函數，即：

式中：Dm—骨料幾何平均粒徑；

Mx—細度模數。

戴鎮潮、李寧等[2-3]給出了具體推導過程：采用骨料篩分的篩孔尺寸由小到大為d0=0.075mm、d1=0.15mm、d2=0.30mm、d3=0.60mm、d4=1.18mm、d5=2.36mm、d6=4.75mm、d7=9.50mm……，以篩孔尺寸比2倍遞增，于是各分級的幾何平均粒徑為：

以上各式與式（1）對照可知，各分級骨料的細度模數由小至大分別為0、1、2、3、4、5、6……n。當設各分級含量百分率相應為a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6……an時，則混合骨料的幾何平均粒徑Dm的計算式為：

式中：S=a0+a1+a2+a3+a4+a5+a6……+an

設骨料的最小粒徑為0.075mm，則，S=100%=1。

對比式（1）和式（5），得到：

式（6）表明，細度模數Mx等于各分級骨料的細度模數（0、1、2、3、4、5、6……n）與相應各分級含量百分率（a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6……an）乘積之和。用累計篩余百分率表達，細度模數Mx也等于各篩的累計篩余百分率的總和。

將式（6）具體應用到砂篩分，根據砂的定義為＜4.75mm的顆粒，則砂的細度模數為：

或變換成GB/T 14684-2011給定的形式：

但是，從推導過程應用到工程實際時，公式存在兩方面問題：

1）田文玉[4]指出，式（7）、式（8）明顯有不合理之處，未考慮篩底盤上＜0.15mm的部分，在試樣總量(100份)中也須扣除，其建議式(8)修改為：

2）筆者認為，即使按照式（9）進行了修正，因細度模數本身定義上的缺陷，在機制砂的細度模數數值上，仍然有很大的偏差，其原因是0.075～0.15mm檔的砂，細度模數定義為0，導致該檔顆粒無論多少，細度模數表征不出。

普通河砂，篩底（＜0.15mm顆粒）含量一般在3%以內；而大部分機制砂因其特性，篩底含量占比達到10%以上（如表1），對顆粒級配影響非常大，不可忽略。這說明GB/T 14684-2011 定義的細度模數主要反映0.15～4.75mm之間的顆粒粗細情況，并不適合機制砂其＜0.15mm的細顆粒較多的情況。因此，在設計機制砂混凝土配合比時，應同時考慮細度模數和顆粒級配。

試驗用泉州林邊地區機制砂，由變質花崗巖（見圖1）破碎制成，細度模數2.8，篩底含量16.0%（其中含粉量6.4%），見表1。

表1 機制砂篩分

3 壓碎指標值和輕物質含量

依據GB/T 14684-2011中“7.13.2壓碎指標法”將上述林邊機制砂試樣放在干燥箱中于（105±5）℃烘干恒重，冷卻至室溫后，篩除大于4.75mm及小于0.30mm的顆粒，然后 篩 分 成0.30～0.60mm、0.60～1.18mm、1.18～2.36mm、2.36～4.75mm四個單粒級，對各單粒級進行壓碎指標值試驗。

參照GB/T 14684-2011中“7.8輕物質含量”試驗方法，設計測量各單粒級輕物質含量的試驗。配置氯化鋅（化學純）溶液，密度2000kg/m3，將上述四個單粒級試樣分別置入氯化鋅溶液中，分離浮起的輕物質，留下的試樣經過濾、清洗、烘干、稱重后，計算得出各單粒級試樣的輕物質含量，見表2。

表2 壓碎指標值及輕物質含量

測試結果表明：

1）試樣機制砂各分級壓碎指標值隨著粒徑由小到大逐步上升，說明在相同壓力下，試樣砂顆粒越大越容易壓碎；與之相反，各分級輕物質含量隨著粒徑由小到大逐步下降，且絕大部分輕物質集中在0.30～0.60mm粒級，說明輕物質更易于破碎。

2）試樣機制砂壓碎指標值很大，達到33.3%，已超出了GB/T 14684-2011最低等級砂的質量要求（Ⅲ級，壓碎指標值≤30%）；輕物質含量也遠超GB/T 14684-2011的質量要求（≤1.0%）。不符合標準的機制砂能否用于高強度管樁混凝土存疑。

4 試塊強度和實體強度

本次試驗在三和管樁某分公司進行，試驗從強度對比及離心作用對管樁混凝土材料的結構分布影響入手，是一個統計性試驗，旨在研究分析高壓碎指標值機制砂在管樁中的使用。因時間跨度稍長，原材料品質有略微波動，但總體保持穩定。

4.1 原材料及配合比

1）水泥：某水泥廠P·Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥，3d強度34.6MPa，28d強度59.2MPa。

2）磨細砂：自加工，比表面積420 m2/kg，SiO2含量89%。

3）石：輝綠巖5～25mm，壓碎值指標10%，含泥量0.6%。

4）減水劑：萘系高效減水劑，含固量30%，減水率19%。

5）砂：泉州林邊機制砂，細度模數2.8，篩底含量16.0%（其中含粉量6.4%）。

配合比見表3。

表3 生產配合比(kg/m3)

4.2 離心工藝及試件制作

500AB125 為常見樁型，企業生產連續，作為每月鉆芯取樣檢測的樁型。離心工藝取管樁壁厚中點的加速度，具體離心制度為0.95g（3min）→7g（1.5min）→28g（1.5min）→38g（5min）。

采用二次養護工藝，蒸養池85～90℃，脫模后再進入高壓釜170～180℃（0.9～1.0MPa蒸氣壓）養護，所制作的100mm×100mm×100mm試塊養護和管樁同步。

據GB 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，試塊制作成100mm×100mm×100mm尺寸，抗壓強度折算系數取0.95。每月隨機選取管樁進行鉆芯取樣，芯樣用雙端面磨平機磨平，芯樣尺寸φ75mm×75mm，抗壓強度折算系數取1.00，芯樣強度即為實體強度。

4.3 強度分析

統計2019年3～12月的試塊強度及當月的鉆芯取樣強度，見表4。

表4 強度統計表(MPa)

在表4中，試塊平均強度72.4MPa，芯樣平均強度93.2MPa，表明管樁實體的強度很好。觀察鉆芯的試樣，砼料密實。 管樁最大離心力33g，計算此時的離心密實壓力為0.8kg·f/cm2，僅有這樣的離心密實壓力應不足以密實混凝土[5]，但實際上混凝土結構不僅分層了，振動液化將輕物質“浮”了出來，且其密實度比一般混凝土還好，管樁混凝土的密度(容重)為2.5～2.6g/cm3。這主要是因為依靠了離心過程中管樁模的“振動”作用，也就是，管樁離心成型嚴格來講是離心力+振動力的復合，離心成型過程中管模的振動頻率一般每min達數千次。需要強調的是，離心成型過程中管模合理的振動是十分有益的，重要的是離心轉動時管模的振幅要控制在mm級，管模不能“跳動”，當管模“跳動”時，其振幅達cm級，會引起管樁混凝土結構破壞，嚴重時造成管樁混凝土內壁不能成型，混凝土偏心或塌落。

一般地，天然河砂制得的試塊強度比樁身鉆芯取樣強度低5MPa左右，而本試驗強度相差達到20.8MPa。鉆芯平均強度超過90MPa，分析主要原因有三：1）上述的離心力+振動力的成型密實過程；2）離心過程中，部分水分以余漿的形式排出，降低了水膠比；3）機制砂中輕物質“浮”于管樁內壁，構成浮漿層，離開了混凝土結構，相當于對原材料進行了“分選”（見圖2），改善了原材料的品質，從而極大提高了混凝土強度。

試塊平均強度未達到80MPa，從試塊破型后的界面看，大多數破壞面都是沿著砂漿結構的。不同于離心混凝土的“分選”，輕物質均布于試塊混凝土中，而輕物質抗壓強度較低，在制成的試塊混凝土里形成了相對較薄弱的砂漿結構。受力后，機制砂中輕物質先破碎，砂漿出現裂縫，砂漿和石子結合面剝落，導致整個混凝土結構被破壞。

圖1 林邊機制砂母巖

圖2 離心后混凝土分層結構

5 結語

機制 砂在顆粒級配、顆粒形狀、輕物質含量等方面與天然砂有很大不同，使用時應根據機制砂的特性，運用工藝技術手段揚長避短。

1）受限于加工機械及機制砂母材特性，石粉含量在機制砂中偏多，而目前GB/T 14684-2011的細度模數指標并不適合機制砂細顆粒及石粉較多的情況。因此，在設計機制砂混凝土配合比時，應同時考慮細度模數和顆粒級配。

2）機制砂的定義中，“不包括軟質、風化的顆粒”，但實際情況是有一些機制砂母材本身就含有軟質成分，制成的機制砂輕物質含量偏高、壓碎指標值超標，在普通高強混凝土中應用可能會受限，但是在管樁混凝土中，利用離心工藝，相當于對機制砂材料再次分選，可以制得強度達90MPa的管樁。

3）本試驗顯示，機制砂混凝土試塊強度比樁身鉆芯取樣強度低20MPa以上，既說明了機制砂對高強混凝土強度的影響，又說明了采用離心工藝對管樁混凝土的結構改善。采用全機制砂生產PHC管樁是可行的，用物當用長。