花崗巖機制砂在水泥混凝土中的應(yīng)用

文 應(yīng)，李玉標(biāo)，羅文杰，郭世杰

（中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710119）

機制砂是指除土開采、機械破碎、篩分制成的粒徑在4.75mm以下的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖石顆粒。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐不斷加大，給建筑材料的開采和供應(yīng)帶來極大的壓力，而建筑工程使用混凝土的方量增加，對砂的需求量增大，加上山區(qū)交通不便，外購砂石運距較遠(yuǎn)，導(dǎo)致混凝土原材料中細(xì)集料（河砂）采購難度較大且成本較高。在花崗巖地區(qū)，可在室內(nèi)基準(zhǔn)配合比試驗成功、建設(shè)方批準(zhǔn)的情況下，科學(xué)使用人工生產(chǎn)機制砂代替河砂，以保證工程建設(shè)質(zhì)量。

1 項目概況

山海高速公路是海南省主骨架高速公路網(wǎng)中線重要補充部分，路線全長55.865km。五指山隧道洞身有5條斷裂構(gòu)造和1條巖性接觸帶，區(qū)內(nèi)基巖主要為燕山期斑中粗粒似斑狀黑云母花崗巖、中細(xì)粒斑狀黑云母花崗巖、海西期（華力西期）黑云母二長花崗巖，局部為花崗閃長巖，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，軟硬不一、厚薄不均，隧道花崗巖棄渣方量較大，棄渣場選擇困難，圍巖支護(hù)需要大量混凝土。但是，沿線河流產(chǎn)中粗砂及砂礫，儲量不大，大量工程用砂需從昌化江、南圣河、寧遠(yuǎn)河、陵水河和藤橋河中取，部分河流距離較遠(yuǎn)。

2 花崗巖母巖性能指標(biāo)

地質(zhì)勘察資料主要為花崗巖、花崗閃長巖、二長花崗巖、石英砂巖，其中燕山期花崗巖飽和單軸極限抗壓強度為103MPa，軟化系數(shù)為0.86；海西期花崗巖飽和單軸極限抗壓強度為112MPa，軟化系數(shù)為0.9。根據(jù)設(shè)計圖紙要求，宜使用強度大于60MPa，潔凈、質(zhì)地硬質(zhì)、未風(fēng)化且性質(zhì)穩(wěn)定的花崗巖，用于機制砂加工生產(chǎn)。項目工地實驗室取樣切塊石料，III級圍巖試件尺寸70.7mm×70.7mm×70.7mm，單軸抗壓強度平均值106.7MPa；II級圍巖試件尺寸70.7mm×70.7mm×70.7mm，單軸抗壓強度平均值122.6MPa。

3 實測花崗巖機制砂性能指標(biāo)

項目采用花崗巖碎石加工機制砂，巖石的堅硬強度在80～130MPa，軟化系數(shù)大于0.9，含泥量少，含有少量的黑云母、白云母及石英等，礦物成分含鉀長石55%、斜長石15%、石英26%、黑云母4%；化學(xué)成分為 SiO2占 75.70%、TiO2占 0.15%、Al2O3占 13.21%、Fe2O3占0.56%、FeO占1.35%、MgO占 0.19%、MnO占0.03%、CaO占0.70%、Na2O占3.35%、K2O占4.43%、P2O5占0.02%、H2O占0.73%。采用半干式制砂工藝，成品砂的細(xì)度模數(shù)平均值FM在2.7～3.0，使機制砂的含水率控制在2.6%～3.4%，同時能夠獲得穩(wěn)定的石粉含量，控制在8.5%～10%，實驗數(shù)據(jù)及對比結(jié)果如表1、表2所示。

表1 機制砂與河砂篩分試驗結(jié)果

表2 機制砂與河砂篩分物理性能對比

通過實驗數(shù)據(jù)對比分析，花崗巖機制砂石粉含量較高，具有以下特性：（1）機制砂是使用粒徑規(guī)格19.5～31.5mm的碎石，經(jīng)過專用制砂機加工而成，含泥量很少，顆粒表面均勻且粗糙。（2）花崗巖機制砂由于母巖含云母較多，影響混凝土拌和物的和易性、強度、耐久性，當(dāng)云母在骨料中的含量達(dá)到2%時，混凝土工作度損失幾乎達(dá)到50%；當(dāng)云母含量達(dá)到10%時混凝土的坍落度降低到零。（3）花崗巖機制砂級配范圍屬于II類砂范疇，機制砂絕大多數(shù)呈現(xiàn)中間顆粒少（0.3～1.18mm的細(xì)砂顆粒），粗顆粒（1.18～4.75mm）和粉料（0.075mm以下）含量大的特點，級配的不良導(dǎo)致機制砂混凝土有較明顯的離析泌水的傾向。細(xì)度模數(shù)低于河砂，壓碎值大于河砂、堆積密度小于河砂，表觀密度和空隙率大于河砂。（4）機制砂中石粉的含量高于河砂，對混凝土的工作性要求更高，在使用過程應(yīng)注意石粉含水率的影響。機制砂與河砂篩分結(jié)果對比如圖1所示。

圖1 機制砂河砂篩分結(jié)果對比圖

4 花崗巖機制砂對混凝土性能的影響

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55)要求，結(jié)合項目使用頻率和數(shù)量的混凝土，選取C30常用配合比，按照規(guī)定進(jìn)行試配，如表3所示。

實驗對比花崗巖機制砂中粉塵含量變化對混凝土強度的影響情況，采用同批次生產(chǎn)加工的原材料，其中所使用的粗集料全部水洗。9.5～26.5mm碎石水洗后測定含粉量為0.1%；4.75～9.5mm碎石水洗后測定含粉量為0.3%；0～4.75mm（機制砂、石屑）的粉塵含量根據(jù)混合料含粉量6%～14%的需要通過篩分配置，并且摻配后的混合料含粉量為6%、8%、10%、12%、14%，滿足±0.2%的要求。

項目C30混凝土施工生產(chǎn)配合比為水泥∶粉煤灰∶水∶碎石∶砂∶減水劑=1∶0.175∶0.53∶3.07∶2.32∶0.019；其中水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，減水劑采用第三代聚羧酸高效減水劑，考慮到混合料粉塵含量變化對混凝土坍落度的影響，選擇調(diào)整對混凝土強度影響較小的減水劑做摻量漸變，以滿足坍落度不變化或定值，而使水膠比、砂率不變化；C30混凝土細(xì)集料（機制砂）粉塵含量6%～14%強度匯總結(jié)果如表4所示。

5 結(jié)論

（1）通過室內(nèi)拌制10批次C30混凝土，其細(xì)集料含粉量分別調(diào)整為6%、8%、10%、12%、14%時，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，對比使用黃砂和人工生產(chǎn)機制砂的C30混凝土28d強度，滿足規(guī)范及設(shè)計要求，人工生產(chǎn)的花崗巖機制砂可以替代河砂。（2）在實際生產(chǎn)實踐中，花崗巖機制砂中云母和輕物質(zhì)含量占4%左右，對混凝土的工作性能有部分影響，應(yīng)引起重視。配合比設(shè)計過程中應(yīng)考慮機制砂及石粉含量對混凝土彈性模量、收縮徐變的影響，外加劑的摻量應(yīng)按機制砂中石粉含量的高低酌情增減。機制砂混凝土工作性對用水量和減水劑的改變及砂的細(xì)度模數(shù)、級配、石粉含量及砂率的變化比較敏感，應(yīng)加強機制砂的質(zhì)量檢查，動態(tài)調(diào)整。由于聚羧酸系高性能減水劑的敏感性和“性能延遲性”，在攪拌時間上應(yīng)比其他類型減水劑要延長25～40s，滿足工作性要求為主。（3）從山海高速五指山隧道項目，隧道洞渣利用的實際情況及海南當(dāng)?shù)睾由傲显床少徢闆r出發(fā)，天然黃砂的進(jìn)場價約210元/t，人工生產(chǎn)機制砂約120元/t，平均差價在90元/t，項目隧道使用加工混凝土約21萬m3，按照機制砂平均添加35%左右計算，項目使用機制砂約16萬t，項目建設(shè)結(jié)束后，按照外購和自產(chǎn)各占50%，自產(chǎn)花崗巖機制砂代替黃砂節(jié)約成本約688萬元。

表3 試驗室水泥混凝土設(shè)計結(jié)果

6 結(jié)束語

機花崗巖機制砂應(yīng)用于水泥混凝土中，不但可以降低混凝土生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，還對保護(hù)自然資源有著積極的意義，形成綜合效益，更符合科學(xué)發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展的趨勢。

表4 粉塵含量6%～14%對C30混凝土強度匯總結(jié)果