机制砂特性及其在高性能混凝土中应用技术

机制砂特性及其在高性能混凝土中应用技术

 

蒋正武1 严希凡1 梅世龙2 石大为 2

1.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 200092；

2.贵州高速公路开发总公司，贵州贵阳，510080）

 

摘  要：本文分析了机制砂一般特性，概述了贵州地区石灰岩机制砂高性能混凝土发展现状及各种类别的定义、特点及工程应用，主要包括机制砂抗扰动混凝土、机制砂钢管拱自密实混凝土、机制砂水下抗分散混凝土、机制砂自密实片石混凝土、机制砂超高墩泵送大体积混凝土、机制砂高强高性能混凝土、机制砂大体积混凝土等。

关键词：机制砂，特性，贵州地区，高性能，混凝土。

 

1 前言

混凝土目前一直是人类最大宗的建筑结构材料。砂作为混凝土的主要原材料之一，包括天然砂和机制砂两大类。受自然资源的限制，以河砂为主的天然砂越来越无法满足日益增长的混凝土用量的需求，尤其在我国西南地区。另外因过量的开采天然砂源，对自然环境所造成的压力也日益增加，使用机制砂替代河砂在国内外已成为混凝土行业可持续发展的一种趋势。机制砂已经在砂浆、混凝土、砌块中已经得到一定程度的应用，尤其在云南、贵州等河砂自然资源短缺的地区[1][2][3][4]。

石灰岩（Limestone）简称灰岩，以方解石为主要成分的碳酸盐岩。贵州地区盛产石灰岩，并因地质环境条件，形成大量特色的喀斯特地貌。因此，贵州地区的机制砂绝大部分区域均是采用石灰岩制备而成。贵州地区的机制砂混凝土的推广在上世纪80年代，早期因无法很好的解决混凝土工作性不良、强度不佳等难题而应用停滞，在本世纪初以来，在积极研发、吸收新混凝土技术的基础上，机制砂混凝土推广应用得到了快速发展，目前已经开发出系列石灰岩机制砂高性能混凝土，并在工程中广泛应用。

目前，贵州地区已经制定了《贵州省高速公路机制砂高强混凝土技术规程》（DBJ52-55-2008）、贵州省地方标准《山砂混凝土技术规程》等规范标准，也大大促进了贵州地区机制砂高性能混凝土的应用。

2. 机制砂特性

根据国标规定，经除土处理、由机械破碎、筛分制砂，粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩，风化岩石的颗粒。

机制砂的自身主要特点是，目前基本为中粗砂，细度模数在2.6—3.6之间，颗粒级配稳定、可调，含有一定量的石粉，除150m的筛余有所增加外，其余筛余均多呈三角体或方矩体，表面粗糙，棱角尖锐。但由于全国各地机制砂的生产矿源的不同、生产加工机制砂的设备和工艺不同，生产出机制砂粒型和级配可能会有很大的区别。比如，有些机制砂片状颗粒较多，有些机制砂的颗粒级配为两头大中间小，但只要能满足国标中对机制砂的全部技术指标，就可以在混凝土和砂浆中使用。河砂与机制砂的基本物理性能指标见表1。图1给出了河砂与机制砂的颗粒形貌。图2给出了河砂与机制砂的分计筛余曲线与累计筛余曲线。从中可以看出，机制砂石粉含量高，表面粗糙，球体类似度水平较低，颗粒较大，级配不均。

表1  河砂与不同地区机制砂的基本物理性能

Table1 Basic physical properties of river-sand and machine-made sand

 

Items	Packing density  /kg·m-3	Apparent density  /kg·m-3	Crushing  Index/％	Module of  fineness	Content of rock  powder/％	Fine Aggregate  Angularity/s	Sphere similar  degrees
River sand	1.49	2.67	10.2	2.5	0.3	30.5	0.57
Guizhou Machine-made sand	1.61	2.70	14.1	3.5	9.2	42.8	0.47
Huzhou Machine-made sand	1.65	2.73	10.7	3.1	7.7	23.7	0.51

 

Fig.1（a） Guizhou Machine-made sand

 

Fig.1（b） Huzhou Machine-made sand

 

Fig.1（c） River sand

图1 河砂与不同地区机制砂的颗粒形貌

Fig.1 Granule morphology of river-sand and machine-made sand

 

图2  河砂与机制砂的筛分曲线

Fig.2 Sieving curve of river sand and machine-made sand

 

由机制砂本身的特点所决定，与条件相同天然砂相比，在配比设计、其它材料成型养护条件都相同的情况下，用机制砂配制出混凝土的特点是：坍落度减小，混凝土28d标准强度提高；如保持坍落度不变，则需水量增加；但在不增加水泥的前提下水灰比变大后，一般情况下，混凝土实测强度并不降低。按天然砂的规律进行混凝土配比设计，机制砂的需水量大，和易性稍差，易产生泌水，特别在水泥用量少的低强度等级混凝土中表现明显；而如果根据机制砂的特点进行混凝土配比设计，通过合理利用机制砂中的石粉、调整机制砂的砂率，是完全可以配制出和易性很好的混凝土。普通混凝土配比设计规程的配比设计方法完全适用于机制砂。最适合配制混凝土的机制砂细度模数为2.6-3.0，级配为2区。机制砂在配制添加外加剂的混凝土时，对外加剂的反应比天然砂敏感。机制砂配制的高强度泵送混凝土在泵送过程中不易堵泵。正确使用机制砂的混凝土密实度大、抗渗、抗冻性能好，其它物理力学性能和长期耐久性均能达到设计使用要求。机制砂特别适于配制高强度等级混凝土、高性能混凝土和泵送混凝土。

 

3. 贵州地区机制砂特种混凝土及其工程应用

随着混凝土技术的发展，贵州地区利用机制砂开发配制高性能特种混凝土也越来越多，主要包括机制砂抗扰动混凝土、机制砂钢管拱自密实混凝土、机制砂水下抗分散混凝土、机制砂自密实片石混凝土、机制砂超高墩泵送大体积混凝土、机制砂高强高性能混凝土、变质岩碱骨料反应抑制混凝土。这些机制砂特种混凝土已经在贵州地区重大工程中得到广泛应用，并取得了显著的经济效益、社会与环境效益。

3.1机制砂抗扰动混凝土

3.1.1概述

抗扰动混凝土是为适应现代交通技术发展需求而研制的一种新型的混凝土，它可以抵抗行车荷载引起的车桥耦合振动对新拌及硬化混凝土的损害损伤，进而保证在不中断交通的情况下进行桥面大范围重新铺装浇筑质量。

抗扰动混凝土具有以下特点：（1）高抗交通扰动性，可以充分抵抗或削弱车辆、机械或人工引起的各类扰动破坏；（2）合理的初凝终凝时间差，交通扰动对处于凝结阶段的混凝土性能影响程度最大，尤其是初凝至终凝阶段，抗扰动混凝土相对于普通混凝土而言，其初终凝时间差大大缩短；（3）高早期强度，抗扰动混凝土早期强度发展快，可大大减小交通扰动的不利影响，满足不中断交通修补工程的需求；（4）高抗裂性，抗扰动混凝土不泌水，不易分层离析，其具有极高的抗裂性，尤其是抗早期的收缩开裂性能，可以大大抵抗交通扰动引起的引力破坏或开裂；（5）高流动性能，抗扰动混凝土的流动度大，工作性良好，在一定时间内损失较小，具有较好的施工性能；（6）高粘结性能，新浇筑的抗扰动混凝土与老的基层混凝土和钢筋具有良好的粘结力；（7）高耐久性，抗扰动混凝土从高耐久性角度设计混凝土的配合比，其在修补工程中具有良好的耐久性。

抗扰动混凝土广泛适用各类混凝土修补工程，尤其适用于桥梁、隧道、公路等混凝土修补与抢修工程。

3.1.2工程应用

C50机制砂抗扰动自密实混凝土主要用于贵州韩家店Ⅰ号特大桥维修加固工程中。

韩家店Ⅰ号特大桥位于国家主干线出海通道兰海高速公路K5+184.500处。主桥为（122+210+122）m预应力混凝土连续刚构，主桥全长为454m，桥面横坡为双向2%。桥梁全宽22.5m；主桥箱梁为三向预应力结构，采用单箱单室截面。

 

图2 韩家店大桥形貌

2010年7月进行检测发现，该桥预应力损失严重，且桥面出现开裂等问题，需要尽快进行维修加固。但该桥是连接重庆和贵州的公路动脉，经统计该桥车流量高到6200辆/天，承载着繁重的交通任务，传统的修复方法需中断交通，将产生巨大的经济损失，严重影响社会正常的生产和生活。因此，韩家店特大桥混凝土桥面的修复施工宜采用不中断交通修复方法。

 

图3 桥面施工情况及施工形貌

    

2010年8月-11月对该桥进行不中断交通式修复加固。施工时左右幅对称，分成四幅施工，同时为了解决桥梁在荷载作用下的振动对现浇混凝土造成病害，该工程采用C50机制砂抗扰动泵送混凝土。腹板以及转向块等处采用机制砂抗扰动自密实混凝土。在桥面浇筑施工期间，仅进行限速控制，基本保证了该桥的正常通行；同时由于采用抗扰动自密实混凝土，避免了行车荷载引起的车桥耦合振动对新拌混凝土的损害，新浇筑的桥面平整度高，几乎没有裂缝。

   

目前，抗扰动混凝土在韩家店I号特大桥中用量在1500方左右，应用效果良好，取得了显著的社会和经济效益。

3.2钢管拱自密实混凝土

3.2.1概述

自密实混凝土是一种通过合理配合比设计与配制而成的具有高流动性、穿越钢筋能力和抗离析能力的特种混凝土，是高性能混凝土的一个重要分支和发展方向之一。因其具有优异的性能而广泛应用于各类混凝土工程。

 钢管拱自密实混凝土是将自密实混凝土填入薄壁钢管拱内形成的一种介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的一种新型组合结构材料，钢管拱及其核心混凝土之间的力学与刚度的协同互补，使其在施工工艺方面表现出了其它材料无可比拟的优势[5]。

3.2.2工程应用

钢管拱自密实混凝土主要用于贵阳南环线工程花溪I号大桥施工建设中。

该桥主桥为（12+175+12）m的中承式钢管混凝土拱桥（如图3所示），拱轴线为悬链线，计算跨度为175m，拱肋轴线理论矢高40m，矢跨比为1/4.375，拱肋轴向中心距为29.5m；每肋由一个直径为 1000mm的钢管和2个直径为700mm的钢管由平连管和腹杆焊接成的三肢格构桁架；在拱肋的上下弦管、拱上立柱、G1～G4内泵送C50自密实混凝土。

 

图4 花溪I号大桥主桥平面图

 

图5 花溪I号大桥主桥施工形貌

 

针对钢管拱自密实混凝土的施工工艺、冬季低温气候条件以及现场施工条件，计算出上弦管连续泵送施工时间需4.5小时。为此，配制出的钢管拱自密实混凝土除自密实性、强度等级以外，还应具有优异工作性长时间保持性、补偿收缩性。通过优选材料、优化配合比并进行系统试验配制出了性能优良的C50钢管拱自密实混凝土。实际性能如下：

初始坍落度260mm，坍落扩展度700mm；4h坍落度260mm，坍落扩展度650mm；6h坍落度240mm，坍落扩展度600mm；8h坍落度220mm，坍落扩展度575mm；混凝土常压泌水率为0；初凝时间17h，终凝时间19h；含气量小于3.0%；T50时间10.2s；混凝土抗压强度3d为41.3MPa，7d为59.5MPa，28d为79.0MPa；混凝土28d弹性模量4.57×104MPa，28d自由膨胀率2.4×10-4。

钢管拱自密实混凝土的成功应用缩短了花溪I号大桥的施工周期，保证了施工质量，效果显著。钢管混凝土拱桥是自密实重要的应用领域之一，据不完全统计，目前我国已建和在建的钢管混凝土拱桥已达200多座，并在数量仍在不断提高，因此钢管拱自密实混凝土的应用前景十分广阔。

3.3机制砂水下抗分散混凝土

3.3.1概述

普通混凝土在水中下落时容易受到环境水的冲洗、稀释，造成各组分的分离，使水泥浆流失，混凝土强度大大降低，工程质量无法保证。一般混凝土施工技术规范均规定，普通混凝土不能在水中浇注成型。

水下抗分散混凝土，即采用水下抗分散剂与合理的混凝土原材料，经合理配合比设计后，配制出一种在水下施工时不离析、抗分散、自密实、自流平、且安全无毒，不污染环境的水下抗分散混凝土。水下抗分散混凝土的性能、配制方法、施工技术的好坏直接影响了水下混凝土结构的质量和使用寿命。

3.3.2工程应用

机制砂水下抗分散混凝土主要应用于贵州花鱼洞大桥桥墩基础下溶洞的修补和填充。

花鱼洞大桥跨越红枫湖水库，勘察结果表明，大桥4#桥墩基础下伏地基岩溶发育，钻孔揭露溶洞分为三层，其中上层溶洞地板距离基础底仅0.4m，溶洞高度1.5m，洞内无充填，对基础稳定性影响较大，须进行处理。另外，花鱼洞大桥贵阳岸拱座基础下伏地基岩溶发育且规模较大，钻孔揭露溶洞高度约13m，横向发育宽度2～4m，近椭圆状发育，顶板基岩厚2.7m，洞内为水体全充填，溶洞与红枫湖水体有管道连通，对工作基础稳定性有较大影响，须进行处理。

由于场区工程地质条件及水文地质条件较复杂，设计规定对溶洞采用水下抗分散混凝土进行修补填充，要求修补后填充密实，能满足基础承载能力需要，且对环境无污染，不能影响红枫湖饮用水源。

通过选用合理的原材料，优化设计配合比，配制出性能优良且不污染水质的水下抗分散混凝土，并取得了良好的工程应用效果。

 

 

   图6 导管法施工现场                                            图7 浇筑后溶洞侧面效果

 

3.4机制砂自密实片石混凝土

3.4.1概述

机制砂自密实片石混凝土是指首先将满足一定粒径要求的大块石/片石直接放入施工仓，形成有一定空隙的片石体，然后在片石体表面浇注机制砂配制的超流态机制砂自密实混凝土，依靠自重，完全填充片石空隙，机制砂超流态机制砂自密实混凝土硬化后与片石形成完整、密实、低水化热的混凝土结构[6][7][8]。

 

图8 片石堆放与机制砂超流态自密实混凝土的浇筑

超流态机制砂自密实混凝土是指混凝土拌合物具有非常良好的工作性，粘度极低、流动性很好且粘聚性好，倒坍落度筒流出时间小于6s，仅仅依靠混凝土自重作用无需振捣作用便能够均匀密实的填充片石自然堆积后的空隙的高性能自密实混凝土。

机制砂自密实片石混凝土采用大量片石和粉煤灰，减少了水泥用量、降低水化热，从而减少温室气体排放和能量消耗，是一种环保型混凝土；且在片块石机制砂自密实混凝土施工过程中，片石的掺加可采用机械进行，混凝土不用进行振捣，最大限度地减少人工、降低工人技术水平和质量管理水平对工程质量的影响，在提高施工质量的基础上，可明显缩短工期，提高施工效率，在工程应用中具有重大的实际意义。该混凝土可以适用于贵州地区公路工程中混凝土挡墙工程，也可适用于片石混凝土基础、片石混凝土涵墙身、片石混凝土桥台等领域的混凝土工程。

3.4.2工程应用

机制砂自密实片石混凝土主要应用于贵州地区高速公路挡土墙中。

依托惠兴高速公路惠镇第七合同段第四工区桩号（K78+870~K78+876）段施工，模拟实际施工结构物，进行模拟施工试验。根据现场原材料、施工环境和施工情况，提出C20超流态自密实混凝土的具体设计指标为：

①拌和物性能性能要求：（1）初始坍落度270±20mm，坍落扩展度＞650mm；（2）2h后坍落度不小于250mm，坍落扩展度不小于500mm；（3）混凝土常压泌水率≤1.0%；（4）混凝土初凝时间应不大于10h，终凝时间应不大于24h；（5）混凝土含气量应小于4.0%；（6）T50时间不大于10s；（7）倒坍落度流出时间不大于10s。

②硬化混凝土性能要求：（1）混凝土抗压强度7d≥15 MPa；28d≥25 MPa；（2）混凝土28d弹性模量应不小于3.0×104 MPa。

通过检测超流态自密实混凝土的初始坍落度和扩展度以及倒坍落度筒流出时间、强度等以及机制砂自密实片石混凝土的外观质量、密实度、强度等，经试验验证和后期检测，各项指标均达到或超出设计要求，并符合相关标准和规程的规定，施工质量较高而且施工速度较快，可大大降低成本。

 

图9 机制砂超流态自密实混凝土

 

机制砂自密实片石混凝土具有施工效率高、人工劳动少、工程质量高、施工管理水平高等特点。非常适合贵州地区高速公路挡墙的设计施工，也可在铁路、水利、冶金、城建等部门推广应用。目前机制砂自密实片石混凝土已在贵州惠新高速、毕威高速等工程得到广泛的推广应用。

3.5机制砂超高墩泵送混凝土

3.5.1概述

泵送混凝土与一般混凝土主要区别在于其不仅要满足设计要求的强度、耐久性等，还要有良好的工作性及可泵性，即拌合物在输送管道中摩擦阻力小、粘聚性好，不离析、不堵管。尤其在大高差、长距离泵送条件下，原材料的选择与质量控制和配合比设计是实现高墩泵送混凝土的良好工作性能的首要基础[9]。

对机制砂泵送混凝土，骨料级配不合理，细颗粒总量多，内聚性差，在管内作“柱塞”运动时，阻碍形成合适的润滑层，导致流动阻力增加。因此机制砂超高混凝土提高可泵性的技术关键是增大混凝土内聚性，减小流动阻力。

3.5.2工程应用

机制砂超高墩泵送混凝土主要应用于贵州赫章特大桥的施工建设中。

赫章特大桥设计基准期为100年；设计等级为公路1级；桥梁总宽度共21.5m。桥区位于赫章县城南东方向1km处，场区位于云贵高原乌蒙山脉北段，海拔1492~1835m，属暖温带季风润湿气候区，历年最大风速28m/s，平均2.1m/s。灾害气候为干旱、倒春寒、冰雹、凝冻。赫章特大桥主墩195m，为目前国内最高的桥墩，一次泵送。

图10 赫章特大桥形貌

 

根据工程要求，对赫章特大桥C50超高墩泵送混凝土提出如下基本性能要求：初始坍落度为180~220mm，扩展度≥550mm，T50≤20s；1h坍落度180~220mm，扩展度≥500mm，T50≤25s；混凝土常压泌水率小于0.5%，不离析，低粘度；强度要达到相关标准和规范的要求。

在理论分析和试验研究的基础上，采用如下配合比设计原则进行混凝土配合比设计：（1）控制总胶凝材料用量，不宜大于480kg/m3；（2）单掺或复掺适量的活性矿物掺合料，如粉煤灰或矿渣粉，掺量宜大于20%；（3）优选选用聚羧酸高性能减水剂，并严格进行水泥适应性 分析；（4）掺加适量引气组分；（5）根据最紧密堆积理论，选择合理的大小碎石比例，使其堆积密度最大，空隙率最小；（6）选择优化配合比基本参数，使新拌混凝土具有较好的工作性能。

机制砂超高墩泵送混凝土目前在贵州地区的应用量已超过5000m3。

3.6机制砂高强高性能混凝土

3.6.1概述

C60机制砂高强高性能混凝土不仅要求其具有良好的可泵性，以及达到强度要求；此外考虑到混凝土的应用环境和耐久性，要求其为高性能混凝土。高性能混凝土在配制上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。概括起来说，高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价[10][11]。

3.6.2工程应用

六冲河特大桥位于黔织高速公路T2合同段内，该桥为195m+438m+195m双塔预应力混凝土斜拉桥。主桥平面均位于直线段，纵坡为±0.6%，中跨设R=50000米凸曲线,主梁断面为∏形梁，桥面宽度24.1米,梁高2.7m，主梁顶板厚0.32m，设双向2%横坡。主桥桥在195m边跨、438m中跨跨径内设有合拢段，合拢段长度分别2.0m（28#段）、3.0m（28#段）。主梁设计采用C60机制砂高强高性能混凝土。

 

图11六冲河特大桥的实际形貌

 C60高强高性能混凝土的具体设计目标：

    （1）坍落度和扩展度：坍落度180~220mm，扩展度≥500mm；

    （2）坍落度保持性：1h坍落度损失不大于30mm，扩展度≥500mm；

    （3）抗压强度：抗压强度3d≥30MPa，7d≥55MPa，28d≥70MPa；

    （4）28d弹性模量：混凝土28d弹性模量应不小于3.5×104MPa；

 

图12 桥梁浇筑部位上部主梁

近年，随着贵州交通基础设施建设速度不断加快，机制砂混凝土在交通基础建设中大规模使用，特别是在高速公路中用的C50、C55和C60机制砂混凝土的大规模应用在桥梁关键部位。

采用机制砂替代河砂配制C60高强混凝土，每立方米混凝土可节约85元。若C60机制砂高强混凝土在目前的贵州高速重大工程桥梁中应用，应用3万立方米，可为工程项目直接节约资金255万元。如果应用量进一步增大到10万立方米，将会直接产生850万元的经济效益。可见，应用推广C60高强机制砂混凝土可以为施工单位节约大量资金，具有可观的经济效益。

 

4．结论

随着工程需求与混凝土技术发展，目前，贵州地区已开发出系列石灰岩机制砂特种混凝土，并在众多高速公路工程及其他行业领域中得到推广应用，并取得了显著的经济、社会与环境效益。

 

参考文献

1、蒋正武,孙振平,梅世龙,杨志刚.矿物掺合料对机制砂砂浆性能的影响,粉煤灰综合利用,2006,10(99)：17－19.

2、MEHTA P K,A5TCIN P C.Principles underlying production of high-performance concrete[J].Cement,Concrete and Aggregate,1990,12(2):70-78.

3、JIANG Zhengwu,SUN Zhenping,WANG Peiming.Autogenous relative humidity change and autogenous shrinkage of high-performance cement pastes[J].Cement and Concrete Research,2005,35(8)1539-1545.

4、徐健,蔡基伟,王稷良,等.人工砂与人工砂混凝土的研究现状[J].国外建材科技,2004,25(3):20-24.

5、蒋正武,李享涛,孙振平,王培铭.钢管拱自密实混凝土的配制与应用[J].建筑材料学报,2010.,13(2)：203-209.

6、Zhengwu Jiang,Shilong Mei.Properties of Self-Compacting Concrete with Machine-Made Sand and High-Volume Mineral Admixtures[J].The Open Construction and Building Technology Journal,2008,2,96-102.

7、梅世龙，蒋正武，孙振平，骨料对自密实混凝土性能的影响[J].建筑技术，2006，38(1)：53-55.

8、蒋正武,石连富,孙振平.用机制砂配制自密实混凝土的研究[J].建筑材料学报,2006.4,10(2)：154－160.

9、陈俊生,等.泵送混凝土工作性能试验研究和模拟计算研究进展[D]//..《超高层混凝土泵送与超高性能混凝土技术的研究与应用国际研讨会论文集（中文版）》2008年.

10、A.Neveille,P-C. Aitcin.High performance concrete-Anoverview[J].Materials and Structures,

Vol.31, March1998, pp.111-117

11、W.F.Price.High-strength concrete,[J].concrete,June,1999,pp.9-10.