機(jī)制砂在地鐵管片混凝土中的試驗(yàn)研究與應(yīng)用

李本友，吳海龍，代龍，劉曉清，張守剛

（1. 濟(jì)南軌道中鐵管片制造有限公司，山東 濟(jì)南 250214；2. 樂陵山水水泥有限公司，山東 德州 253000）

隨著河砂資源的日益枯竭和國(guó)家環(huán)保政策的日益收緊，建筑行業(yè)砂子的供需矛盾愈發(fā)突出。在建筑工程中，由于使用了很多低劣品質(zhì)的砂，對(duì)工程質(zhì)量造成了很嚴(yán)重的影響，并且河砂價(jià)格日益上漲，人們不得不尋找使用其他材料來(lái)替代河砂，以滿足建筑工程的需要。機(jī)制砂是巖石經(jīng)除土開采、機(jī)械破碎、篩分而成的，公稱粒徑小于 5.00mm 的巖石顆粒。由于生產(chǎn)設(shè)備和工藝的限制，機(jī)制砂與天然河砂相比具有級(jí)配差、顆粒棱角多、質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，所配制出來(lái)的混凝土拌合物質(zhì)量也不穩(wěn)定[1]。且受限于其本身的質(zhì)量特點(diǎn)，機(jī)制砂雖然在商品混凝土中應(yīng)用已經(jīng)有十幾年的時(shí)間了，但在地鐵管片混凝土中實(shí)際應(yīng)用卻很少。近年來(lái)，隨著機(jī)制砂制砂設(shè)備和制砂工藝的不斷改進(jìn)，市場(chǎng)上逐漸出現(xiàn)了許多精品機(jī)制砂。精品機(jī)制砂具有粒形圓潤(rùn)、砂子細(xì)度模數(shù)在 3.0 以下、石粉含量可控可調(diào)、亞甲藍(lán)值低的特點(diǎn)，這也為機(jī)制砂在地鐵管片混凝土中的大規(guī)模使用提供了有利條件。

本文根據(jù)地鐵管片的生產(chǎn)工藝，對(duì)濟(jì)南周邊的混凝土原材料進(jìn)行篩選，針對(duì)機(jī)制砂的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)了混凝土試驗(yàn)配合比，研究了地鐵管片配合比中摻加機(jī)制砂對(duì)混凝土狀態(tài)和強(qiáng)度的影響，以及配合比中混凝土砂率、外加劑摻量、水膠比的調(diào)整方案，以滿足地鐵管片混凝土的技術(shù)要求。

1 混凝土原材料選擇

1.1 水泥

地鐵管片宜選用不低于 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，為滿足管片混凝土的技術(shù)要求，宜選用早強(qiáng)、低堿、與外加劑適應(yīng)性好的水泥，堿含量不應(yīng)大于0.6%。本文選用山東東華水泥有限公司生產(chǎn)的 P·Ⅱ42.5水泥，其性能指標(biāo)見表 1。

表1 水泥性能指標(biāo)

1.2 摻合料

地鐵管片摻合料宜選用不低于 Ⅱ 級(jí)的風(fēng)選 F 類原狀粉煤灰，并需保證貨源和品質(zhì)穩(wěn)定。為減少因摻入粉煤灰而引起的混凝土收縮開裂，根據(jù)以前試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，粉煤灰摻量一般不宜超過膠凝材料的 20%。本文選用淄博竣鴻建材有限公司生產(chǎn)的 Ⅰ 級(jí)風(fēng)選原狀粉煤灰，其 45μm 篩篩余 8.2 %，需水量比 93%，燒失量2.4%，28d 活性指數(shù) 73%。

1.3 細(xì)骨料

地鐵管片由于對(duì)混凝土的技術(shù)要求比較苛刻，細(xì)骨料通常選用級(jí)配合理、粒形圓潤(rùn)、空隙率小的優(yōu)質(zhì)天然河砂，河砂的細(xì)度模數(shù)宜為 2.5～3.0，含泥量≤2.0%。由于濟(jì)南周邊地區(qū)河砂開采困難，故質(zhì)量普遍較差。本文選擇質(zhì)量相對(duì)較好的泰安崅峪大汶河砂廠河砂。機(jī)制砂選用濟(jì)南周邊地區(qū)質(zhì)量最好的平陰山水水泥有限公司生產(chǎn)的機(jī)制砂，該機(jī)制砂由大型精品制砂機(jī)制成，采用 5～10mm 或 20～40mm 碎石破碎研磨而成，粒形圓潤(rùn)，比目前所用河砂細(xì)度模數(shù)小，且細(xì)度模數(shù)與石粉含量可控可調(diào)，亞甲藍(lán)值低。河砂與機(jī)制砂的性能指標(biāo)見表 2。

表2 砂性能指標(biāo)

1.4 粗骨料

地鐵管片宜選用連續(xù)級(jí)配、粒形良好、質(zhì)地堅(jiān)硬、膨脹率低、石粉含量少的碎石。由于濟(jì)南周邊地區(qū) 5～20mm 級(jí)配碎石粒徑普遍偏大，里面 10mm 以下粒徑偏少。本文碎石選擇距離較近、質(zhì)量最穩(wěn)定的濟(jì)南章丘文祖石子廠生產(chǎn)的碎石，采用 5～10mm 與 10～20mm 兩級(jí)配按 2:8 搭配使用，搭配以后碎石性能指標(biāo)見表 3。

表3 碎石性能指標(biāo)

1.5 外加劑

地鐵管片由于對(duì)混凝土的技術(shù)要求比較高，外加劑一般宜選用與水泥有更好適應(yīng)性的聚羧酸系高性能減水劑，且外加劑廠家應(yīng)根據(jù)地鐵管片生產(chǎn)工藝的要求，在設(shè)計(jì)減水劑配方時(shí)要同時(shí)達(dá)到混凝土前期損失小、后期早強(qiáng)效果好、減水率高和混凝土粘度小等技術(shù)要求。本文選擇西卡河北建筑材料有限公司生產(chǎn)的 3301C（早強(qiáng)型）聚羧酸高性能減水劑，其減水率 31%，基準(zhǔn)摻量時(shí)含氣量 2.1%，堿含量 0.09%，氯離子含量 0.01%。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果分析

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為 C50，抗?jié)B等級(jí)為 P12，28d 抗壓強(qiáng)度不宜低于 59.9MPa，考慮到強(qiáng)度太高會(huì)增大地鐵管片的脆性，28d 抗壓強(qiáng)度也不宜高于 73MPa?；炷列枰哂辛己帽Ｋ裕瑵仓昂椭虚g坍落度損失小，狀態(tài)較松軟，振動(dòng)之下具有良好的流動(dòng)性，不分層、不泌水，易排氣，澆筑完畢以后混凝土表面漿體能夠盡快失去流動(dòng)性，易于工人收面，混凝土早期強(qiáng)度高，脫模強(qiáng)度 20MPa 以上，滿足生產(chǎn)線 24h 運(yùn)轉(zhuǎn)兩次的要求[2]，混凝土初始坍落度宜為 (70±20)mm。試驗(yàn)配合比和試驗(yàn)結(jié)果見表 4。

表4 混凝土配合比、強(qiáng)度與工作性

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出：

（1）在其它量保持不變的情況下，隨著配合比中機(jī)制砂摻量的增大，混凝土坍落度逐漸變小，混凝土粘聚性變大，流動(dòng)性能變差，逐漸不能滿足地鐵管片的生產(chǎn)工藝要求。

（2）在其它量保持不變的情況下，隨著配合比中機(jī)制砂摻量的增大，混凝土的 7d 和 28d 強(qiáng)度均逐漸變大，單獨(dú)使用機(jī)制砂的配合比 28d 強(qiáng)度超過 73MPa，富余系數(shù)較大。

（3）當(dāng)機(jī)制砂摻加比例超過 50% 后，可以通過適當(dāng)調(diào)整混凝土砂率和外加劑摻量的措施來(lái)調(diào)整混凝土的狀態(tài)和坍落度以滿足地鐵管片的生產(chǎn)工藝要求，其中砂率調(diào)整范圍一般為 1%～4%，外加劑調(diào)整范圍一般為膠凝材料的 0.1%～0.3%（外加劑基準(zhǔn)摻量為 2.0%）。

（4）地鐵管片混凝土配合比的水膠比合理范圍宜取 0.31～0.34 之間，在單獨(dú)使用機(jī)制砂配制混凝土?xí)r，可以通過同時(shí)調(diào)整混凝土砂率、外加劑摻量和提高 0.01水膠比的措施來(lái)使混凝土狀態(tài)滿足地鐵管片的生產(chǎn)工藝要求，并且調(diào)整以后 7d 和 28d 強(qiáng)度沒有太大降低，符合設(shè)計(jì)要求。

3 工程應(yīng)用

濟(jì)南軌道交通地鐵 R2 線長(zhǎng) 36.39km，全部采用地下盾構(gòu)法施工，所用管片外徑 6400mm，內(nèi)徑5800mm，厚度 300mm，寬度 1200mm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為 C50，抗?jié)B等級(jí)為 P12，耐久性設(shè)計(jì)為 100a。濟(jì)南一公司為該工程生產(chǎn)地鐵管片，公司采用機(jī)制砂摻量 50% 與單獨(dú)使用機(jī)制砂的配合比各試生產(chǎn)了管片 200 環(huán)，所配制的混凝土保水性能良好，粘聚性適中，振動(dòng)之下流動(dòng)性良好，不分層、不泌水，工人容易收面，拆模強(qiáng)度達(dá)到 22MPa 以上，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊 28d強(qiáng)度 59.9MPa 以上，混凝土抗?jié)B性能及管片尺寸和檢漏、抗拔、抗彎、三環(huán)拼裝試驗(yàn)完全滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，采用混凝土養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)，在存放場(chǎng)地存放 28d 后，管片外觀顏色均勻一致，表面密實(shí)，側(cè)面氣泡及蜂窩麻面少，側(cè)面和外弧面無(wú)開裂，受到主管部門的一致認(rèn)可。

4 結(jié)論

（1）按照比例摻加或單獨(dú)使用機(jī)制砂，都可以配制出強(qiáng)度和工作性能滿足地鐵管片混凝土技術(shù)要求的混凝土。配合比中隨著機(jī)制砂摻量的增大，混凝土 7d 和28d 強(qiáng)度也逐漸變大，并且比使用天然河砂配制時(shí)有一定的提高。通過調(diào)整混凝土砂率、外加劑摻量、水膠比來(lái)改善地鐵管片混凝土狀態(tài)，可以達(dá)到與單獨(dú)使用粗天然河砂配制的混凝土相比相當(dāng)甚至更優(yōu)的混凝土狀態(tài)，混凝土砂率調(diào)整范圍一般為 1%～4%，外加劑調(diào)整范圍一般為膠凝材料的 0.1%～0.3%（外加劑基準(zhǔn)摻量為2.0%），水膠比控制范圍一般在 0.31～0.34 之間。

（2）機(jī)制砂的粒形情況、細(xì)度模數(shù)、石粉含量、亞甲藍(lán)值是機(jī)制砂質(zhì)量控制的幾個(gè)最關(guān)鍵的指標(biāo)。機(jī)制砂質(zhì)量的控制首先要確保進(jìn)入制砂設(shè)備的原材料質(zhì)量，粒徑要小，石粉含量與含水量要低；其次要采用合理先進(jìn)的制砂設(shè)備和制砂工藝進(jìn)行生產(chǎn)。通過確保機(jī)制砂關(guān)鍵指標(biāo)的合格率和穩(wěn)定性，進(jìn)而保證地鐵管片混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量。