花岗岩机制砂混凝土的性能研究及应用

花岗岩机制砂混凝土的性能研究及应用摘要: 随着山岭重丘区高速公路建设的不断推进，桥隧比例越来越高。

河砂因长远距离运输不但极大地提升了混凝土施工成本，而且也影响到施工进度，用机制砂取代河砂已成为一种必然趋势。

选取一定石粉含量的机制砂进行机制砂混凝土配合比设计，并掺入一定量的粉煤灰、矿粉用以提高混凝土的工作性能，通过工程实践研究机制砂混凝土质量控制要点，提高了混凝土的工作性能。

该技术通过在广西资源至兴安高速公路得到全面应用，产生了很好的经济和社会效益，对该地区花岗岩机制砂混凝土应用有很好的借鉴意义。

关键词: 机制砂石粉混凝土质量控制1 概述广西资源至兴安高速公路是安（康）至北（海）公路重要组成部分，是广西高速公路网规划“6横7纵8支线”中纵2—资源（梅溪）至铁山港高速公路的组成部分，项目位于广西东北部资源县内，主要构筑物涵盖了隧道工程、桥梁工程、路基工程。

隧道围岩类别以IV级围岩（中风化花岗岩，节理裂隙发育，接近风化层，其开挖后的性质较差，容易掉块，岩体较周围岩性破碎，基岩裂隙水发育）和Ⅲ级围岩（中风化花岗岩，节理裂隙较发育，岩体较完整）为主。

资源县境内属于资江水源保护区，对水源地河道整治管理严格，全县基本无天然河砂开采。

项目部前期对当地地材情况进行了摸底，发现规模及质量较为有保障的天然砂场离工程所在地运距最短也要130km，高昂的运价及捉襟见肘的生产能力与全线的巨大的需求量产生了日益突出矛盾。

为保证工程合理有序的正常进行，资兴高速项目通过利用隧道Ⅲ级围岩花岗岩洞渣破碎生产机制砂来替代天然河砂使用，在保证工程质量的前提下，不但取得了较好的经济效益，而且减少了废渣倾倒对环境的破坏，赢得了良好的社会效益。

2 花岗岩机制砂特点2.1机制砂生产机制砂是指经除土开采、机械破碎、筛分制成的粒径在4.75mm以下的岩石颗粒。

应选取Ⅲ级及以上类别、较为完整的围岩用于机制砂生产，其生产施工工序流程如图1。

图1 机制砂生产流程图2.2母岩强度要求机制砂宜采用开采的新鲜母岩制作，母岩岩石的抗压强度宜满足表1规定。

2.3机制砂的颗粒级配机制砂生产必须严格控制其粒形和颗粒级配。

相对于天然砂而言，机制砂颗粒多呈棱角，颗粒的比表面积更大，颗粒与颗粒之间的摩擦力也更大，只有保证机制砂良好的连续级配和适中的细度模数，才能降低其颗粒间的空隙，更好的满足混凝土的施工和易性。

机制砂按细度模数可分为粗砂、中砂，其颗粒级配应分别符合表2、表3的规定。

表2 Ⅰ类机制砂级配范围表3 Ⅱ类、Ⅲ类机制砂级配范围2.4 机制砂的石粉含量机制砂质量在满足《建设用砂》（GB/T14684-2011）与《公路工程水泥混凝土用机制砂》（JT/T819-2011）、规定的基础上，其石粉含量还应符合《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）的相关要求。

试验证明，在确保工程质量的前提下，可适当调整机制砂的石粉含量，而适量的石粉含量有助于混凝土和易性的改善。

规范采用亚甲蓝试验方法来判定机制砂中的石粉是否有害，并就机制砂的石粉含量指标作出了明确规定，见表4。

表4 机制砂石粉含量技术要求2.5压碎值要求机制砂的压碎指标要求见表5。

3 机制砂混凝土配合比主要设计依据《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）、《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）要求进行配合比设计，针对机制砂颗粒、石粉含量等特性，适当进行调整适配，以更好的满足混凝土适用、合理、耐久、经济的原则。

3.1 试验用原材料 3.1.1水泥水泥采用兴安海螺水泥有限责任公司海螺牌P ·O42.5级普通硅酸盐水泥，性能指标见表6表6 P ·O42.5 水泥的物理力学性能试验结果3.1.2骨料粗骨料采用梨子田碎石场的5～31.5mm （三级配碎石）连续级配碎石，其性能指标见表7。

表7 粗集料试验结果表碎石的掺配比例按5-10mm:10-20mm:16-31.5mm =20%:50%:30进行掺配。

细骨料：采用梨子田碎石场生产的机制砂和新宁新皂砂场生产的河砂，其性能指标分别见表8、表9。

表8 机制砂试验结果表表9 河砂试验结果表3.1.3矿物掺合料采用湖南邵阳宝庆电厂Ⅱ级粉煤灰和冷水江钢铁厂S95级粒化高炉矿渣粉，性能指标分别见表10、表11。

表10 F 类Ⅱ级粉煤灰性能指标表表11 S95级粒化高炉矿渣粉性能指标表3.1.4外加剂采用湖北荆州锐利RL-8000高效聚羧酸减水剂，其性能指标见表12。

表12 高效聚羧酸减水剂试验结果表3.2 主要配合比设计参数3.2.1砂率配置机制砂的混凝土选取级配范围在Ⅱ区级配范围的机制砂，细度模数控制在2.7～3.2之间。

因机制砂比表面积大、表面粗糙的特性，为保证机制砂的混凝土工作性能，与相同细度模数的天然砂相比较，应适当提高2%左右的砂率。

3.2.2坍落度损失控制机制砂中石粉与外加剂、水泥的适应问题普遍存在，直接反应在混凝土拌合物坍落度经时损失大，在试配机制砂的混凝土配合比时，对混凝土拌合物进行坍落度损失试验尤为重要，一般情况下应将坍落度经时损失控制在30mm/h内，其温度环境也应该尽量与实际施工温度环境一致。

3.3.1初始坍落度设计设计配合比时，应在满足混凝土试配强度要求的前提下，结合施工工艺、混凝土运距及坍落度损失情况，可适当提高混凝土的初始坍落度设计值，以满足其浇筑性能要求。

图2是采用不同坍落度机制砂混凝土浇筑的试验柱外观情况，采用三种不同的坍落度自下而上分三次浇筑，见表13。

由图2可以看出，在不同的坍落度情况下，试验柱的外观差异很大，施工时应根据试验柱情况选择合适的坍落度。

图2 机制砂混凝土浇筑的试验柱外观情况3.3 机制砂混凝土配制情况以C35普通混凝土配合比为例，结合砂的颗粒级配、石粉含量等特性，以适用、合理、耐久、经济为原则，通过配合比调整，以更好的满足混凝土，配制出坍落度为120～160mm的混凝土配合比见表14。

表14 机制砂与河砂混凝土配合比对比比较上表数据可知，通过适当调整混凝土砂率、外加剂及掺合料用量等，有利于改善机制砂混凝土的和易性和坍落度损失情况，其28d抗压强度较河砂混凝土强度略有提高，且通过试验柱图2中选择最佳的坍落度,调整外加剂及矿物掺合料机制砂的试件与调整外加剂及矿物掺合料河砂的试件其外观质量没有明显区别（如图4图5）。

说明采用机制砂取代河砂进行混凝土配合比设计是可行的，拌合物的工作性能、硬化混凝土力学性能都能够满足设计要求。

3.4不同石粉含量对混凝土强度的影响以C30普通配合比为例，在水胶比、水泥用量、砂率、外加剂等不变的情况下，调整机制砂中石粉含量进行混凝土性能分析，试验结果见表15。

表15 不同石粉含量机制砂混凝土性能测试结果由表15可以看出，当机制砂中的石粉含量在6.7%～11.3%范围内波动时，混凝土拌合物的和易性基本不受影响，其7d和28d抗压强度值也能保持相对稳定。

随着机制砂中石粉含量继续增大，拌合物性能变差，7d和28d抗压强度值降低。

可见在满足拌合物强度及工作性能的前提下，机制砂中的石粉含量可以控制在一定的范围以内。

4 机制砂混凝土施工质量控制4.1搅拌时间的控制机制砂颗粒表面粗糙、多棱角，且颗粒级配波动较大，所以人工砂混凝土的搅拌时间应在天然砂混凝土搅拌时间的基础上适当延长，建议延长30S。

运输过程中的颠簸等容易加剧机制砂混凝土拌合物的离析，在混凝土到达现场后，建议高速旋转罐车，保证混凝土的工作性能，这也提高了混凝土运输对罐车性能的要求。

4.2 拌合物性能控制机制砂混凝土拌合物的水分蒸发速度比天然砂快，在大风的环境下蒸发的更快，如果现场出现混凝土坍落度满足不了正常施工生产，可在运输车罐内加入适量的与原配合比相同成分的减水剂，严禁现场加水改变水灰比，这是现场混凝土构件强度达不到要求的主要原因，也将影响混凝土外观质量。

4.3 混凝土收缩控制针对机制砂混凝土的早期塑性收缩较大，承台、地系梁、盖梁等面层易出现干缩裂缝，在终凝之前宜采用抹面机械或人工多次抹压并及时采取保湿养护措施，避免产生干缩裂缝。

4.4 外观质量控制经室内试验实践证明，机制砂混凝土表面气泡、蜂窝麻面较多，究其原因还是机制砂颗粒粗糙，比表面积大，砂浆的表面张力比天然砂要小，流动性差，在气泡破裂后，浆体不能及时填补造成表面气泡（如图3）。

针对上述问题，除了控制机制砂本身质量外，可通过调整外加剂成分，例如在不影响混凝土工作性能的情况下掺入适当的消泡剂（一般为万分之5左右）以减少大气泡的存在，还可以通过掺加适量的粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等矿物掺合料，提高混凝土工作性能、降低单位用水量、提高混凝土后期强度、改善混凝土耐久性等很多优点，应用效果明显（如图4）。

为了进一步改善机制砂混凝土外观质量，现场分别采用了模板漆及特殊材料透水模板布进行辅助施工，从试验结果可以看出透水模板布可以很好解决气泡眼、蜂窝麻面等质量通病，比模板漆效果要好，如图6、图8右。

而且模板布可以满足对不同坍落度的砼浇注，如图8右边的试验柱按照表13的三种坍落度进行试验柱浇注，试验柱的整体效果较为一致。

但透水模板布混凝土的表面比模板漆混凝土的表面略显粗糙，光泽度不高，如图9、图10，且透水模板布成本较高，对模板布粘贴的平整度要求较高，经比对现场选择使用模板漆施工.其效果也能满足施工质量要求如图7图3 不调整外加剂及矿物掺料试件图4 调整外加剂及矿物掺和料机制砂试件图5 调整外加剂及矿物掺和料河砂试件图6 现场采用透水模板布施工的墩柱图7 现场采用模板漆施工的墩柱图8 （左边试验柱为不同坍落度模板漆浇注，右边为不同坍落度模板布浇注）图9 使用模板漆表面混凝土图10 使用透水模板布表面混凝土5 结束语实践证明，通过合理的控制机制砂中石粉含量，调整外加剂掺量和性能、适当的掺入矿物掺合料，加强机制砂混凝土施工的管理与控制，配制的混凝土在工作性能上、结构强度等方面都能取得良好的施工效果，可以很好地取代天然砂。

在广西资源至兴安高速公路施工中，C35及以下强度等级混凝土采用机制砂混凝土施工，已浇筑混凝土约五十万方，应用效果良好，减少了天然砂供应不足对施工进度的影响，降低了混凝土生产成本，取得了很好的效果和效益。

参考文献:[1] 张应力，杨柏科，周玉华，现代混凝土配合比设计手册[第二版].人民交通，2013[2] 公路桥涵施工技术规范[JTG/T F50-2011].人民交通，2011[3] 公路工程集料试验规程 [JTG E42 -2015].人民交通， 2005[4] 混凝土外加剂应用技术规范[GB 50119 -2003].中国建筑工业， 2003[5] 建筑用砂 [GB/T 14684 -2011]. 中国标准出版，2011[6] 人工砂混凝土应用技术规程 [JTG/ T 241-2011].中国建筑工业，2011[7] 普通混凝土配合比设计规程[JGJ55-2011].中国建筑工业，2011[8] 公路工程水泥混凝土用机制砂[JT/T819-2011].人民交通，2011。