花崗巖洞渣特性與工程應用研究

韋永正

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來各類工程建設都在大量使用機制砂。2017年廣西發布了機制砂應用地方標準《機制砂及機制砂混凝土應用技術規范》，進一步推動和規范機制砂在該地區公路工程中的應用。為提高公路工程機制砂應用水平，國家工信部聯合國家發改委、交通運輸部等部門于2019年下半年和2020年上半年先后發布了《關于推進機制砂石行業高質量發展的若干意見》《關于促進砂石行業健康有序發展的指導意見》，提出了對機制砂石“嚴格質量管控、實施標準引領”的要求并貫徹落實綠色發展理念。機制砂得到國家層面的大力支持和推廣，鑒于此，本文依托廣西某在建高速公路項目，重點研究了花崗巖洞渣機制砂的特性及工程應用中混凝土及水穩層的各項性能，為后續其他工程使用花崗巖提供技術參考。

1 花崗巖母巖和機制砂特性研究

該項目各工區花崗巖洞渣顏色差別不大，但經檢測得知其礦物成分不同，這給花崗巖洞渣的利用增加了難度。因此，有必要對不同時期花崗巖洞渣機制砂的性能進行分析，了解其變化。經過半年的跟蹤和試驗，得到試驗數據如表1所示。

表1顯示，各工區洞渣母巖樣品強度均較高，超過110 MPa，波動范圍不大，因此從強度來說完全滿足混凝土對原材料的要求。根據半定量法分析，不同時期花崗巖母材的礦物成分比例有所變化，主要表現在有害成分云母含量的不同。對于一工區和三工區，云母占比一直處于高位，超過規范對云母含量的限制，且變化幅度較大，特別是一工區，這給調整混凝土配合比帶來很大的困難，也不利于混凝土質量的控制；而二工區云母含量相對較低，這對于混凝土配合比的控制是較為有利的。

抽取不同時段生產的花崗巖洞渣機制砂進行試驗，結果如表2所示。由表2可知，洞渣機制砂壓碎值均超過現行規范的最低要求，這與花崗巖母材在加工過程中剝落的軟弱顆粒、半風化巖及云母等有較大的關聯。抽檢試驗的機制砂樣品中石粉含量均在10%上下波動，細度模數在2.6～2.8之間，機制砂級配相對穩定；除二工區外，一、三工區洞渣花崗巖機制砂不同時期的MB值均不合格，由于洞渣潔凈，基本排除了含泥量對亞甲藍吸附的影響因素，可見云母類礦物是導致MB值增大的主要原因[1]。機制砂國標和廣西地標里均對機制砂石粉含量做了規定[2-3]，特別是MB值不合格時，應對其石粉含量加以嚴格限制。經調查，采用重力和磁選的方法可以降低石粉中的云母含量，具體效果如何還有待進一步研究。

表1 各工區隧道不同時期花崗巖洞渣母巖性能分析表

表2 各工區隧道不同時期花崗巖洞渣機制砂相關技術

2 花崗巖洞渣的工程應用研究

2.1 花崗巖洞渣在混凝土中的應用

花崗巖用于混凝土中的最大問題是使混凝土坍落度損失快、早期強度偏低。解決途徑是選擇高性能緩凝減水劑、控制單位用水量并適當增加水泥用量。選用C40、C30、C20標號強度等級的混凝土進行試配，配合比如表3所示。由于試驗過程中同源材料試配各標號混凝土呈現的變化大體相同，本文只取C30混凝土性能指標來分析花崗巖洞渣機制砂的使用性能。

表3 花崗巖洞渣機制砂混凝土配合比設計表(kg/m3)

另外，保持膠凝材料的水膠比相同，通過調整外加劑摻量也可保持混凝土初始坍落度的一致性。由表3和圖1可知，一、三工區洞渣機制砂比二工區洞渣機制砂需水量稍大。在試拌過程中發現各工區混凝土坍落度損失對比明顯，二工區表現相對較好，三工區較差，一工區最差，1 h和1.5 h后混凝土拌和物局部出現漿體不流動、裹不住石子等現象。圖2表明，各工區花崗巖混凝土7 d強度相對偏低，28 d強度增長較慢，但56 d強度仍有所上升。由此可見，除水膠比和膠凝材料用量外，機制砂母巖礦物成分對混凝土具有較大影響。這可能是由于花崗巖洞渣是酸性石材，加上云母等有害物質，漿體的膠結能力較差，導致水泥漿體硬化速度下降、強度增長較慢。因此，建議該項目花崗巖洞渣機制砂應慎用于C40及以上標號混凝土，可用于C30、C20等中低標號混凝土，并根據需水量的變化及時調整膠凝材料和外加劑摻量，以保證混凝土強度。

圖1 C30混凝土坍落度變化 曲線圖

圖2 C30混凝土強度變化 柱狀圖

2.2 花崗巖洞渣在路面墊層和水穩層的應用

隧道將項目隔成四個工區，有四個洞渣碎石加工場，生產的機制砂和碎石來源多、質量不穩定，試驗部門聯合材料部門不定期巡檢，將材料分區堆放，含粉量超標的機制砂和瓜米石用作路面墊層和水穩層原材料，以達到充分、合理利用地材的目的，提高其利用效率。

在路面墊層施工過程中，關鍵是控制好混合料的級配和含水率。水泥穩定碎石作為半剛性基層，對強度要求不高，但并不意味著花崗巖洞渣機制砂的使用無風險；相反，無機結合料的水泥劑量通常限定在7%以內，比混凝土中水泥用量要低得多。因此，花崗巖洞渣機制砂的技術指標不能降低要求，選擇合理的碎石級配、適宜的水泥劑量才能滿足路面水穩層的各項指標要求。

經過前期兩段試驗路總結，選擇合適的水泥劑量、生產過程中不斷調整砂石比例、維持6.5%左右的含水率，可使水穩料效果最好，各項數據指標符合設計要求，可在后續路面基層施工中推廣。花崗巖洞渣機制砂的使用既解決了項目砂石短缺的困境，又減少了對外購買砂石的依賴，給項目節省成本、創造利潤，取得了較好的經濟效益。

3 結語

(1)花崗巖洞渣母巖抗壓強度較高，但加工后的機制砂壓碎值較大；各工區花崗巖洞渣礦物中均含有一定量的云母，但比例不同，且隨隧道的掘進情況而變化。

(2)花崗巖礦物中的云母含量超標不利于混凝土保坍，并引起混凝土強度下降，因此需對花崗巖洞渣機制砂中的石粉含量加以限制。

(3)花崗巖洞渣機制砂需水量大，骨料與水泥漿體的膠結性能較差，導致混凝土強度增長緩慢、早期強度低，但28 d后強度仍在增長，建議以56 d強度作為評判時間標準。

(4)花崗巖洞渣應用于路面水穩層的關鍵是控制好水泥劑量和合理的骨料級配。