馬 路
(本溪泓源供水有限責(zé)任公司,遼寧 本溪117000)
遼寧省觀音閣水庫輸水工程位于太子河干流上,是將已建的觀音閣水庫水經(jīng)過輸水隧洞及管線自流輸入到本溪市的大(2)型Ⅱ等工程。工程位于在本溪市管轄區(qū),主要由一座取水頭部、頭部壓力隧洞、輸水管線、一座電站、無壓隧洞、四座配水站及分支管線等幾部分組成。管道大部分沿河敷設(shè),采用雙管同槽的方式,個別地段采用單根外包混凝土鋼管,工程輸水線路主干線長度41.5 km,分支管線長度49.8 km。
遼寧省觀音閣水庫輸水工程建設(shè)區(qū)域存在豐富的人工砂資源,本溪市內(nèi)的天然河沙細度模數(shù)偏大,含泥量偏高,幾乎處于臨界值,且價格偏貴、儲量低。通過對人工砂襯砌進行實驗研究及人工砂市場調(diào)研,對主要料場的產(chǎn)品進行理化試驗和配合比試配,對人工砂應(yīng)用給出了解決方案和經(jīng)濟評價。人工砂應(yīng)用不當易造成混凝土開裂,由于觀音閣水庫輸水工程建設(shè)所在區(qū)域,缺乏級配良好且滿足工程標準要求的天然砂,本文重點對該工程人工砂性能指標檢驗及應(yīng)用進行分析探討。
機制砂,又稱人工砂。機制砂、混合砂主要應(yīng)用于建筑、市政、交通等建設(shè)工程中的C60 及以下強度等級的混凝土。在滿足相應(yīng)的技術(shù)要求時,亦可用于港口和水利等混凝土工程。機制砂:由機械破碎、篩分制成的,粒徑小于4.75 mm 的巖石顆粒,細度模數(shù)2.4~2.8,表面含水率<6%,但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖的顆粒。
建設(shè)單位質(zhì)量負責(zé)人組織了設(shè)計單位現(xiàn)場代表、建設(shè)單位技術(shù)負責(zé)人、監(jiān)理單位副總監(jiān)和施工單位技術(shù)代表,利用一周的時間對本溪市地區(qū)主要碎石場進行了專門的實地考察,通過料場實際踏勘,對母材、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)成品等進行詳細的調(diào)研,對關(guān)鍵環(huán)節(jié)的母材、中間產(chǎn)品和產(chǎn)成品全部取樣送檢,對主要碎石場生產(chǎn)的人工砂進行抽樣檢測。
本溪市為山區(qū)城市,市內(nèi)石灰石礦、鐵礦分部廣泛,規(guī)模以上生產(chǎn)廠家眾多,一般施工工地距最近產(chǎn)地距離均小于20 km,近者可達1 km~5 km。
各家碎石場母料來源大致分為兩種:一是石灰石礦專業(yè)生產(chǎn)碎石,母材供應(yīng)充足;二是位于鐵礦開采區(qū)內(nèi),礦山排巖排渣料源供應(yīng)充足。母材理化指標均符合相關(guān)標準。
碎石場生產(chǎn)設(shè)備為顎式破碎機時,每條生產(chǎn)線產(chǎn)能為:碎石20000 m3/月,副產(chǎn)品為石粉,出粉率低,約為500 m3/月,由于受設(shè)備及生產(chǎn)工藝限制,該型生產(chǎn)線不具備批量生產(chǎn)能力。
顎式破碎機一臺搭配小型制砂機一臺的產(chǎn)能為:碎石10000 m3/月,副產(chǎn)品為石粉(可作為人工砂使用),出粉率低,約為1000 m3/月,由于受設(shè)備及生產(chǎn)工藝限制,該型生產(chǎn)線不具備批量生產(chǎn)能力。
目前市場上運費約為0.6 元/(m3·km)~0.8 元/(m3·km)。人工砂成品約18 元/m3。天然河砂成品約80 元/m3~150 元/m3。
目前市場上運費根據(jù)車型不同,約為0.6 元/(m3·km)~0.8元/(m3·km)。人工砂成品約18 元/m3~40 元/m3。天然河砂成品約65 元/m3~120 元/m3。具體市場調(diào)研結(jié)果見表1。
表1 人工砂市場調(diào)研信息
目前市場上各企業(yè)所使用的原材料均未采用純凈巖石作為母材,均為礦山排渣和排巖,夾帶大量山皮泥土,生產(chǎn)的成品人工砂均為破碎碎石產(chǎn)生的廢棄副產(chǎn)品石粉,不是正規(guī)的機制砂,石粉中含山皮土比例較高、膨脹性黏土比例較大,膨脹性黏土?xí)乐赜绊懩z凝材料與粗細骨料的握裹力,導(dǎo)致混凝土強度降低、耐久性差、和易性差,且會從混凝土內(nèi)部造成膨脹漲裂破壞。
石粉和泥均為0.075 mm 以下粒徑,水工實驗無法進行區(qū)分。根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352-2006),人工砂石粉含量在6%~18%為合格,但并未規(guī)定石粉中含泥量指標,所以人工砂檢測合格而混凝土檢測不合格的現(xiàn)象時有發(fā)生。然而在國標和電力系統(tǒng)水工混凝土等規(guī)范中明確規(guī)定了石粉中不能含有膨脹性黏土即泥的成分, 例如《建設(shè)用砂》(GBT_14684-2011)、《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》(DL/T 5151-2014),有關(guān)行業(yè)也早在2002 年便規(guī)定使用亞甲藍實驗MB 值檢測石粉中含泥量指標為硬性指標。依據(jù)《建設(shè)用砂》GBT_14684-2011 對主要料場的人工砂進行檢測,結(jié)果表明:本溪市內(nèi)主要料場人工砂MB 值均值為5.1。已有資料和相關(guān)實驗表明:MB 值越大,石粉中含泥量越大,在此不再敷述相關(guān)實驗原理。見表2、表3。
表2 石粉含量和泥塊含量(MB 值≤1.4 或快速法試驗合格)
表3 石粉含量和泥塊含量(MB 值>1.4 或快速法試驗不合格)
機制砂MB 值≤1.4 或快速法試驗合格時,石粉含量和泥塊含量應(yīng)符合表2 的規(guī)定;機制砂MB 值>1.4 或快速法試驗不合格時,石粉含量和泥塊含量應(yīng)符合表3 的規(guī)定。
在遼寧省某大型引調(diào)水水利工程建設(shè)期間,在配制水工混凝土配合比實驗時發(fā)現(xiàn),盲目的用水洗去石粉中細顆粒物質(zhì),會導(dǎo)致人工細骨料級配不良,細顆粒減少,比表面積降低,導(dǎo)致混凝土泌水率高、保水性差、和易性極差,滿足不了施工要求,使用水洗人工砂不能配置出合理的配合比。
水洗機制砂也會產(chǎn)生大量的污水,污水處理起來異常繁瑣;直接排放也不滿足環(huán)保部門的相關(guān)規(guī)定,也與習(xí)近平總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”的理念相違背。
將初次破碎產(chǎn)生的石粉中含山皮土量、微膨脹性黏土量較大,完全廢棄。改進生產(chǎn)工藝,引進了一臺12 t/h~520 t/h 型專用制砂設(shè)備,將初次破碎產(chǎn)生的潔凈碎石進行二次破碎,二次破碎產(chǎn)生的機制砂則為潔凈的不含泥的優(yōu)質(zhì)機制砂,經(jīng)亞甲藍實驗檢測MB 值和石粉含量能夠滿足人工細骨料質(zhì)量標準的,可進行適配。最終確定使用偏嶺河沙和西湖區(qū)人工砂進行試配,算運費綜合單價為河沙105 元/m3,人工砂27 元/m3。檢測結(jié)果見表4。
表4 檢測結(jié)果
1)進行天然砂與人工砂混凝土對比試驗研究,優(yōu)選天然砂與人工砂混合最優(yōu)摻配比例;
2)依據(jù)以上試驗成果,提供5 組基準混凝土配合比,現(xiàn)場選取典型洞段開展驗證試驗,通過驗證試驗結(jié)果,最終確定人工砂混凝土施工配合比。
依據(jù)相關(guān)標準和工程設(shè)計要求對主要原材料性能和質(zhì)量進行試驗檢測(具體項目見表3),包括:水泥(P.O42.5 級水泥)、外加劑(泵送劑)、粗骨料(規(guī)格為5 mm~20 mm、20 mm~40 mm)、細骨料(天然河砂、人工砂),原材料檢測合格后方可進行試配。
天然砂與人工砂混凝土性能對比試驗。對天然砂混凝土、人工砂與天然砂混合料(按不同比例摻配)混凝土、人工砂混凝土進行對比試驗,對混凝土性能指標進行檢驗和優(yōu)選,試驗方案見表5。
表5 天然砂與人工砂進行對比試驗計劃及內(nèi)容
依據(jù)優(yōu)選出的混凝土配合比,每組配合比制作樣板,同時測試對應(yīng)混凝土拌和物性能,制作硬化混凝土的抗壓強度、抗?jié)B試件,并測試對應(yīng)齡期硬化混凝土性能指標?;炷僚浜媳戎袑嶒炈鲈噳K養(yǎng)護條件為在隧洞中自然養(yǎng)護,隨時觀測樣板的外觀質(zhì)量以及裂縫情況。
1)同水膠比不同混合比例混凝土試配情況見表6。
表6 同水膠比不同混合比例混凝土試配情況
2)同水膠比不同混合比例混凝土質(zhì)量情況見表7。
表7 同水膠比不同混合比例混凝土質(zhì)量情況
3)同和易性不同混合比例混凝土試配情況見表8。
表8 同和易性不同混合比例混凝土試配情況
4)同和易性不同混合比例混凝土質(zhì)量情況見表9。
表9 同和易性不同混合比例混凝土質(zhì)量情況
天然河砂受到水流沖刷,表面光滑無附著力,常伴隨有機質(zhì)和泥質(zhì),不易清潔干凈,對拌合物性能不利。隨著人工砂比例的提高,混凝土的強度得到了有益的增長,人工砂表面粗糙針片狀含量較大,表面多棱角,且表面清潔無污染,能夠提高與膠凝材料和石子的結(jié)合度,使強度和耐久性顯著提升,但是使用人工砂多數(shù)情況下會使塌落度、和易性下降,需水量增加、泌水率增大,影響混凝土強度最重要的指標是水膠比,因而適當比例的人工砂混合比例尤為重要,經(jīng)過試驗對比確定50%的人工砂參量對混凝土性能影響和經(jīng)濟效益評價最優(yōu)。
試驗研究項目及費用見表10。
表10 試驗項目及費用
觀音閣水庫輸水工程C30 混凝土總用量157400 m3,砂堆積密度取1450 kg/m3,混凝土單方用砂量890 kg,即0.61 m3,工程累計用砂量157400×0.61=96014 m3。共節(jié)約成本=96014 m3×(天然砂單價- 人工砂單價)×人工砂比例(50%)×(1+材料損耗率5%)- 試驗檢測費=3861968 元。
二次破碎產(chǎn)生的機制砂潔凈、不含泥,經(jīng)亞甲藍實驗檢測MB值和石粉含量能夠滿足人工細骨料質(zhì)量標準的,可進行試配。根據(jù)實驗結(jié)果選擇質(zhì)量合格、經(jīng)濟合理的人工砂混凝土配合比。合理比例的人工砂混凝土和易性較好,耐久性有小幅提升,強度峰值有所提高,28 天強度標準差變小,工程投資照比單純使用天然砂大幅度減少,經(jīng)濟效益明顯。工程于2018 年7 月1 日正式建成通水,工程質(zhì)量驗收合格,達到水利工程優(yōu)良標準,外觀質(zhì)量優(yōu)良。隨著本地區(qū)天然砂資源的枯竭,機制砂不管是從經(jīng)濟合理性還是儲量替代天然砂都勢在必行、也應(yīng)盡早提上日程。