黔東南地區石灰巖機制砂中低標號混凝土配合比設計優化

陳立軍，李國盛，伍國星

（中交路橋華東工程有限公司，上海 201203）

1 引言

貴州高速公路的建設總里程已突破8 000 km，在“十四五”規劃期間，還將開工建設一大批省際通道、普通公路以及高速公路等，繼續為貴州的高質量發展提供重要支撐，由于高速公路的大量建設且橋隧比占比大，混凝土的需求量大，尤其是中低標號混凝土對砂石需求量很大，在西南地區，優質河沙資源匱乏，且運輸距離遠，成本高，并且運輸受限，而石灰巖母材蘊藏較為豐富，就地取材加工為機制砂及碎石，既能減少棄渣占用的土地，又能作為資源合理化利用。

2 工程概況

毛栗坪隧道位于貴州省銅仁市石阡縣石固鄉與青陽鄉境內，隧道全長4 691 m，棄渣約為100萬m3，開挖揭示含有石灰巖地層。貴陽礦產資源監督檢測中心巖礦鑒定報告顯示，礦物組分主要為方解石，含少量白云巖、黏土礦物、褐鐵礦等（方解石占90%，白云石占5%~10%，黏土占2%~3%，褐鐵礦占1%），經過對棄渣進行篩選與試驗，對強度、密度、含泥量及吸水率等進行測定，可作為加工機制砂母材，但為高含粉量機制砂。

3 試驗目的

主要利用隧道石灰巖棄渣作為母材加工機制砂，該機制砂石粉含量高，石粉含量作為機制砂中重要指標之一[1]，試驗通過篩洗和摻入不同含粉量機制砂進行優化中低標號混凝土配合比，使混凝土滿足施工和設計要求，通過對經篩洗為無石粉含量的機制砂進行基準配合比設計及確定機制砂中篩洗出的石粉與亞甲藍值（MB）線性關系，在無石粉含量機制砂中摻配不同量的石粉，與水泥、粉煤灰及外加劑等進行攪拌，最后，對拌和混凝土的工作特性、力學性質等進行對比分析，優化高石粉含量機制砂混凝土的配合比設計，利用優化后的配合比在實際施工中進行亞甲藍MB值測定，完成中低標號混凝土的配合比設計及施工應用。

4 試驗材料

根據現場實際選擇隧道棄渣加工的機制砂、碎石以及當地外購的水泥、粉煤灰外加劑等開展試驗，具體材料來源及主要特性指標為：

1）石粉：隧道棄渣加工機制砂，經對機制砂篩洗或風選，選擇通過75μm篩孔徑且未經過二次磨細的原狀石粉。

2）水泥：貴州銅仁市海螺盤江水泥廠生產的P·O42.5R水泥，經試驗，細度、初凝時間、終凝時間及強度等主要技術指標全部合格。

3）粉煤灰：粉煤灰為貴州黔東火電廠生產的F類II級粉煤灰。

4）細骨料：采用隧道棄渣中經篩分加工的中砂。

5）碎石：篩選隧道棄渣中經加工的碎石，5~25 mm連續級配。

6）外加劑：四川信高通科技有限公司XGT-HPWR-S型聚羧酸高性能減水劑。

7）拌和水：凈化檢驗合格的河溝水。

其主要材料技術性能指標見表1~表3。

表1 水泥主要材料技術性能指標

表2 粉煤灰主要技術性能指標%

表3 機制砂主要級配指標

5 試驗過程

在隧道棄渣加工生產的機制砂中取樣，然后進行水洗，篩取或風選粒徑小于75μm篩孔的石，按不同摻配數量加入經過清洗無石粉的機制砂中，在此基礎上調整水泥、粉煤灰、礦粉及外加劑等摻量，優化中低標號混凝土配合比。

5.1 利用亞甲藍法測含粉量

亞甲藍溶液按國家相關標準規定的方法進行配制，通過亞甲藍法試驗和結果評定確定機制砂石粉含量。

取一定質量篩洗的石粉按定質量進行添加，記錄每個石粉重量下需要的亞甲藍溶液用量，繪制機制砂含粉量和亞甲藍溶液消耗量的關系，可以直接通過亞甲藍溶液試驗測得機制砂的含粉量，為混凝土配比提供數據參考。

5.2 砂率

隨著石粉摻入量的增多，砂率也有一定的提高。而由于石粉顆粒粒徑一般小于75μm，同水泥、粉煤灰顆粒尺寸相近，理解為在機制砂中摻入石粉相當于為混凝土中添加了膠凝材料，而機制砂的（75μm~4.75 mm）用量也將下降，所以，需要增加機制砂的使用量，提高砂率。

5.3 外加劑摻量

在機制砂中摻入與水泥、粉煤灰粒度相應的石粉，相當于增加膠凝材料。所以，在計算過程中，應把石粉歸入膠凝材料，并由此確定外加劑用量。

5.4 石粉含量

對于不同強度等級的水泥，最佳石粉含量差異很大，對于C30強度等級混凝土以下，膠凝材料數量較小，且水泥的和易性差，不易泵送澆筑，所以，對于低強度等級水泥，應采用在不降低混凝土強度等級的前提下的最大石粉含量；對于C30及以上強度稍高的混凝土，本身已具有了較好的和易度，基本可滿足泵送現場施工，采用了強度等級增加的最大值。

在外加劑和砂率不變的前提下，通過調整石粉含量，能有效地改變混凝土的特性（增強和易性和強度等）。隨著混凝土強度等級，以及膠凝材料比例的提高，和易度改善效果逐步減弱。另外，機制砂中加入適量的石粉數量，有助于增加混凝土強度，但石粉超過一定程度，會對混凝土強度產生很大的負面影響，并增加混凝土坍落率。試驗結果證實，隨著混凝土強度等級的提高，膠凝材料的總量增大，在混凝土強度等級不變的前提下，石粉的摻入比例變小。

采用機制砂進行基準配合比拌和，得到最優砂率、混凝土外加劑摻入量等數據后，進行對比測試，由于石粉摻入量和水泥強度等級的改變，砂率、混凝土外加劑摻入量需要進行適當的調節，以得到良好的混凝土和易性。所以，在后期試驗過程中，同強度級別的混凝土，除石粉摻入量、用砂率和外加劑摻入量需要做適當變化，其余材料用量均不做調節，以對比不同配合比下混凝土特性。實測數值見表4。

表4 混凝土拌和對比數據

由表4可見，不同標號的混凝土摻入一定量的石粉含量后，工作性能指標、力學強度均可滿足施工和設計要求。

6 試驗結果分析

石粉主要是指巖石經過機械加工后的微細顆粒，混凝土中膠凝材料和水的用量較少，當人工砂中含有適量的石粉時，石粉在砂漿中能替代部分摻合料，與膠凝材料一起起填充空隙和包裹砂粒表面的作用，相當于增加了膠凝材料漿體，能在一定程度上改善灰漿量較少的混凝土拌和物的和易性，增進混凝土的勻質性、密實性、抗滲性。

經過大量試驗數據分析得出，膠凝材料用量減少時，石粉的存在可以彌補礦料的空隙，在一定程度上，混凝土的泌水率隨著石粉含量的增加而降低，機制砂石粉含量存在最佳值，等級越高，石粉含量的最佳值越低，中低標號強度等級混凝土在不同的強度等級的情況下，均存在對應的最佳石粉含量（見表5）[2]，此時，中低標號強度等級混凝土的工作性、力學性能及耐久性均能滿足設計要求。

表5 中低標號強度等級混凝土最優石粉摻入量

機制砂中石粉含量在小于一定比例范圍，填充機制砂及礦料之間的空隙，改善級配，有利于提高水泥的水化，從而提高混凝土強度，當機制砂超過一定比例范圍時，造成膠集比偏大，削弱了混凝土的強度，為滿足優化后的配合比要求，在生產中采用電動吸塵或水洗法進行生產，當要求石粉含量偏低時，必須采用水洗法，但也要保證原有機制砂的級配，在此基礎上也要通過試驗確定石粉摻量的最優范圍[3]，以保證機制砂混凝土的工作性、力學性能及耐久性。

7 結語

綜上所述，貴州省黔東南地區河沙資源匱乏，而石灰巖較為豐富，可作為加工機制砂的母材利用。通過大量試驗可知，機制砂經篩洗后進行配合比設計，并且在基準配合比的基礎上摻入不同量的石粉配制中低標號的混凝土，混凝土的工作特性、力學特性及耐久性等均能滿足施工和設計要求。配制過程中，最佳石粉摻量可以作為機制砂加工和中低標號混凝土配置的參考，這樣可將棄渣作為機制砂母材本著就地取材，資源得到了有效利用，生產的混凝土質量也能得到保證，同時棄渣占地面積減少，機制砂加工成本較購買在一定程度上也得到節約。