西非某工程利用尾礦砂與細(xì)河砂配制優(yōu)質(zhì)砂的研究

冉 蓉， 朱 映 文

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司 四川 成都 610066)

1 概 述

西非貝寧三城市供水項(xiàng)目之大壩工程位于貝寧南部韋梅河流域，距離首都科托努約250 km。該工程主要包括兩個(gè)水庫大壩，其中，Ayédjoko*水庫的蓄水量為210萬m3，均質(zhì)土壩壩長(zhǎng)609 m，最大壩高19.2 m；Lifo水庫的蓄水量為1 235萬m3，均質(zhì)土壩壩長(zhǎng)1 050 m，最大壩高19.3 m。其中Ayédjoko*壩混凝土工程量為16 793 m3，Lifo壩混凝土工程量為17 485 m3。

項(xiàng)目所在中南部沿海平原為熱帶雨林氣候，高溫多雨，年最高氣溫為39 ℃，最低氣溫為20 ℃。該工程所在韋梅河流域降水年內(nèi)分配不均，4～10月降水量占全年降水量的90%，11～次年3月降水量?jī)H占年降水量的10%，最枯的12月降水量?jī)H占年降水量的0.45%。

工程伊始，項(xiàng)目部對(duì)工程周邊的砂石料場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)距項(xiàng)目約30 km有當(dāng)?shù)氐氖蠄?chǎng)。但由于貝寧缺水缺電等原因?qū)е缕錈o法滿足砂料生產(chǎn)的工藝要求，且該料場(chǎng)只生產(chǎn)粗骨料，不生產(chǎn)人工砂。除距項(xiàng)目200 km科特努附近泄湖存在滿足質(zhì)量要求的水撈砂外，項(xiàng)目附近均沒有合格的砂料場(chǎng)。為了降低工程成本，項(xiàng)目部在工程附近韋梅河周邊進(jìn)行勘探，發(fā)現(xiàn)了大量的天然河砂，其儲(chǔ)量能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。經(jīng)對(duì)天然河砂進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規(guī)范》中對(duì)砂的要求并經(jīng)配合比試驗(yàn)得知：天然河砂配合比施工性能較差，不能滿足工程施工配合比的需要。

為了能夠就近獲得優(yōu)質(zhì)的砂料，項(xiàng)目部技術(shù)人員針對(duì)當(dāng)?shù)厝斯す橇仙笆蠄?chǎng)堆存的大量尾礦砂進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：尾礦砂中含有大量的人工砂顆粒，能夠和天然細(xì)河砂形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，據(jù)此項(xiàng)目部技術(shù)人員對(duì)天然細(xì)河砂及尾礦砂進(jìn)行了深入分析、檢測(cè)和試驗(yàn)。

2 解決方案

2.1 天然細(xì)河砂料顆粒分析及配合比試驗(yàn)

通過進(jìn)行室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)并展開對(duì)天然河砂進(jìn)行篩析法試驗(yàn)及顆粒分析試驗(yàn)取得的結(jié)果見表1、2。

表1 天然細(xì)河砂篩析法試驗(yàn)結(jié)果表

表2 天然細(xì)河砂顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明：天然河砂料細(xì)度模數(shù)為2，屬細(xì)砂，級(jí)配檢測(cè)結(jié)果屬Ⅲ區(qū)砂[1]，99%的顆粒粒徑在2.36 mm以下；同時(shí)，對(duì)其它砂樣進(jìn)行了檢測(cè)，天然河砂細(xì)度模數(shù)最小值達(dá)到1.55。根據(jù)法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)p-18-541《水凝混凝土用集料》，砂的細(xì)度模數(shù)為1.8～3.2就能夠滿足混凝土配合比要求；但根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T 5144-2015規(guī)范要求，細(xì)砂做配合比需要進(jìn)行試驗(yàn)。為了在保證混凝土質(zhì)量的基礎(chǔ)上最大限度地利用當(dāng)?shù)夭牧?，?xiàng)目部技術(shù)人員對(duì)天然細(xì)河砂進(jìn)行了配合比試驗(yàn)。當(dāng)砂率按37%進(jìn)行試配后，混凝土的流動(dòng)性較差，在調(diào)整配合比用水量后，水泥用量增加，在將其與以往同級(jí)配混凝土配合比類比發(fā)現(xiàn)，水泥用量嚴(yán)重超標(biāo)。為了最大限度地規(guī)避非洲炎熱天氣下水泥水化熱帶來的后續(xù)質(zhì)量問題及減少施工成本、降低水泥用量，對(duì)配合比進(jìn)行了砂率調(diào)整，將其調(diào)整至27%[2]，所配制混凝土的配合比結(jié)果見表3。

將砂率調(diào)整至約27%后試配出的混凝土配合比室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度滿足要求，水及水泥用量有所降低，但類比以往配合比仍偏高約30 kg/m3；同時(shí)，由于為了降低水泥用量采用了低砂率，配合比工作性能較差，現(xiàn)場(chǎng)試拌時(shí)純天然細(xì)河砂配合比和易性較差，泌水及離析現(xiàn)象嚴(yán)重且坍落度損失較快，混凝土施工性能差。

2.2 砂料場(chǎng)尾礦砂顆粒分析

為了進(jìn)一步優(yōu)化施工配合比之用砂質(zhì)量，在對(duì)當(dāng)?shù)厥蠄?chǎng)進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，石料場(chǎng)廢棄有大量的尾礦砂(圖1)。

圖1 石料場(chǎng)大量廢棄的尾礦砂

通過對(duì)當(dāng)?shù)厝斯す橇隙汛娴奈驳V砂進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看后發(fā)現(xiàn)：其實(shí)際就是生產(chǎn)粗骨料中產(chǎn)生的尾礦砂，遂對(duì)該尾礦砂用篩析法進(jìn)行了分析，具體結(jié)果見表4。

試驗(yàn)結(jié)果證明：尾礦砂內(nèi)粒徑0.15 mm以上的顆粒含量達(dá)到70%左右，剩余粉料以石粉為主。

2.3 天然砂及尾礦砂顆粒組成篩析法分析對(duì)比情況

天然砂和尾礦砂顆粒分析試驗(yàn)成果對(duì)比情況見表5、6。從表5、6中可以看出：天然細(xì)河砂顆粒粒徑為2.36 mm以下的含量達(dá)99%，粒徑5～2.36 mm區(qū)間的顆粒幾乎為零，而尾礦砂粒徑在5～2.36 mm的含量為23.2%，砂料顆粒組成和尾礦砂顆粒組成可以互為補(bǔ)充[3]。由于考慮到尾礦砂中石粉含量較多，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，采用了增加一道2 mm篩對(duì)尾礦砂進(jìn)行篩余生產(chǎn)，利用篩余料和天然細(xì)河砂按一定比例混合作為混凝土用砂。

表3 純天然細(xì)河砂混凝土配合比匯總表

表4 尾礦砂篩析法試驗(yàn)匯總表

表5 天然砂顆粒分析試驗(yàn)成果對(duì)比匯總表

表6 尾礦砂顆粒分析試驗(yàn)成果對(duì)比匯總表

2.4 料場(chǎng)尾礦砂增加篩孔徑2 mm砂篩，對(duì)篩余料進(jìn)行顆粒分析

將尾礦砂經(jīng)過加篩孔徑2 mm砂篩進(jìn)行整理加工后進(jìn)行顆粒分析，粒徑5～2.36 mm顆粒的含量達(dá)到58.5%，粒徑2.36～0.075 mm顆粒的含量達(dá)到40%以上，石粉含量為1.5%，屬特粗砂，其結(jié)果見表7、8。

2.5 天然細(xì)河砂與篩分整理后的尾礦砂

2.5.1 尾礦砂摻配試驗(yàn)

對(duì)天然細(xì)河砂料及篩分整理后的尾礦砂進(jìn)行摻配試驗(yàn)且經(jīng)過比例摻和后進(jìn)行篩析法及顆粒分析試驗(yàn)后認(rèn)為天然細(xì)河砂及篩分整理后的尾礦砂按照質(zhì)量比為2∶1的比例摻配其效果最優(yōu)。天然河砂與尾礦砂摻配后進(jìn)行的篩析法及顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果見表9、10。

表9、表10試驗(yàn)分析結(jié)果表明，按2∶1摻配后的混合砂品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果均滿足規(guī)范 DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求，細(xì)度模數(shù)在2.2～3.0之間，屬中砂。

表7 尾礦砂經(jīng)2 mm篩篩余顆粒篩析法試驗(yàn)

表8 尾礦砂經(jīng)2 mm篩篩余顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表

表9 天然細(xì)河砂∶尾礦砂篩余料2∶1摻配后顆粒篩析法試驗(yàn)結(jié)果表

表10 天然細(xì)河砂∶尾礦砂篩余料2∶1摻配后顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表

2.6 混凝土配合比試驗(yàn)

2.6.1 混凝土推薦配合比的確定

依據(jù)以上原材料試驗(yàn)及混凝土配合比設(shè)計(jì)最佳參數(shù)的選擇結(jié)果，按照《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》DL/T 5330-2015和《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T 5150-2017進(jìn)行了混凝土配合比拌和物性能試驗(yàn)，對(duì)硬化混凝土進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果見表11，根據(jù)表11中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了回歸分析[4]，得出的混凝土強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系式見表12，得出的混凝土水膠比結(jié)果見表13。通過對(duì)表11、12、13中的結(jié)果進(jìn)行分析，依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)、混凝土和易性、經(jīng)濟(jì)性因素進(jìn)行綜合比較后確定了混凝土所用配合比，所推薦的常態(tài)混凝土配合比見表14。

2.6.2 天然細(xì)河砂混凝土配合比及混合砂混凝土配合比改善了混凝土性能

將天然細(xì)河砂混凝土配合比及混合砂混凝土配合比兩組配合比數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得知：由于天然細(xì)河砂里摻入了經(jīng)整理的尾礦砂的篩余料，使砂的細(xì)度模數(shù)得到大幅度改觀，砂的級(jí)配更合理[5]且滿足規(guī)范要求，成為適合配置混凝土的優(yōu)質(zhì)Ⅱ區(qū)砂。因此，在除砂以外其它材料不變的情況下，混合砂混凝土配合比比純天然細(xì)河砂混凝土配合比的水泥用量減少了約30 kg/m3,減水劑摻量減少了約0.5 kg/m3，同時(shí)，混合砂配合比除強(qiáng)度滿足質(zhì)量要求外，進(jìn)行混凝土生產(chǎn)拌和試驗(yàn)時(shí)，混凝土配合比的流動(dòng)性、和易性等工作性能均能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

表11 C10、C15、C20、C25混凝土配合比表

表12 混凝土28d強(qiáng)度與水膠比關(guān)系表

表13 混凝土水膠比結(jié)果表

表14 推薦混合砂混凝土配合比匯總表(混合砂(天然細(xì)河砂∶整理尾礦砂=2∶1))

綜上所述，由于混合砂級(jí)配較合理，細(xì)度模數(shù)適中，混合砂品質(zhì)優(yōu)于純天然細(xì)河砂，由混合砂拌制的混凝土比純天然細(xì)河砂拌制的混凝土可施工性強(qiáng)，混凝土流動(dòng)性、和易性及質(zhì)量穩(wěn)定性均優(yōu)于純天然細(xì)河砂混凝土配合比。

3 結(jié) 語

在非洲干旱環(huán)境下，對(duì)不生產(chǎn)人工砂的砂石料場(chǎng)的尾礦砂經(jīng)過2 mm篩進(jìn)行篩分處理獲得的整理后的尾礦砂與天然細(xì)河砂按適當(dāng)比例進(jìn)行摻配，互為補(bǔ)充，使混凝土用砂的品質(zhì)得到了良好改善，且配制的混凝土在施工中性能穩(wěn)定，質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，解決了施工現(xiàn)場(chǎng)附近無合格砂料可用的難題，降低了項(xiàng)目部的生產(chǎn)成本，按西非貝寧當(dāng)?shù)厮鄡r(jià)格64 836西非法郎/t(折合人民幣約750元/t)水泥直接節(jié)約人民幣約70余萬元；按當(dāng)?shù)剡\(yùn)輸單價(jià)33.13西非法郎/t/km計(jì)算，節(jié)約運(yùn)費(fèi)1.45億西非法郎，折合人民幣150余萬元，同時(shí)大量減少了砂料成本、減少了設(shè)備投入費(fèi)用,規(guī)避了遠(yuǎn)距離運(yùn)營(yíng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。