機(jī)制砂高性能混凝土在大型預(yù)制箱梁中的應(yīng)用

阮裕和，李洪斌

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

近年來由于河砂過多開采以及環(huán)境保護(hù)的限制，造成了資源逐漸枯竭，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，混凝土的需求越來越多，以河砂為主要原材料的混凝土將無法滿足這種增長的需求，河砂被機(jī)制砂替代已成為發(fā)展的趨勢［1］。目前國內(nèi)外對機(jī)制砂混凝土已有大量的研究，也廣泛應(yīng)用于工程當(dāng)中，但C60 機(jī)制砂高性能混凝土用于大型預(yù)制箱梁的實例較少。市場上機(jī)制砂質(zhì)量良莠不齊，給混凝土性能的控制帶來了較大的困難。同時，本項目對混凝土的耐久性要求較高（使用壽命120 年），混凝土配合的設(shè)計也存在一定的難度。因此，必須控制好機(jī)制砂及其它原材的質(zhì)量，優(yōu)化混凝土的配合比，在生產(chǎn)過程中控制好混凝土的拌制質(zhì)量、優(yōu)化澆筑工藝，使混凝土性能滿足大型箱梁的澆筑需要，并采取材料降溫、拌制過程加冰等溫控措施，防止箱梁開裂。

1 工程概況

香港某跨灣連接路工程共有預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制箱梁18 榀，為不規(guī)則變截面曲線箱梁，分單室和雙室2種結(jié)構(gòu)形式。梁體具有體形大、高度大、長度大的特點，最大跨度75 m，梁高3.85 m，梁頂板寬度最大24.5 m，腹板厚度0.4～0.8 m，底板厚度0.25～0.40 m，端部橫隔墻厚度2 m，為大體積混凝土，單榀最大混凝土方量1 250 m3，重量3 125 t。結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 箱梁斷面Fig.1 Sectional View of Box Girder

箱梁在廣東省江門市某預(yù)制廠預(yù)制，使用的混凝土具有3大特點：①采用C60機(jī)制砂高性能混凝土；②混凝土生產(chǎn)供應(yīng)需符合香港混凝土生產(chǎn)供應(yīng)協(xié)議（即QSPSC）標(biāo)準(zhǔn)，所有原材料及混凝土試塊檢測采用英國標(biāo)準(zhǔn)（British Standard），需要委托具有香港實驗室（HOKLAS）認(rèn)可的試驗室進(jìn)行檢測；③混凝土澆筑需在高溫季節(jié)施工，最高環(huán)境溫度達(dá)38℃。

2 機(jī)制砂混凝土原材料選擇

香港某跨灣橋箱梁所用材料性能參數(shù)必須符合英國標(biāo)準(zhǔn)，拌制的混凝土強(qiáng)度等級、耐久性等必須滿足設(shè)計及技術(shù)規(guī)格書的要求。同時，混凝土的工作性能必須滿足現(xiàn)場泵送及振搗的要求。

2.1 機(jī)制砂

機(jī)制砂普遍具有顆粒形狀較為尖銳、表面粗糙、級配較差、細(xì)度模數(shù)較大、石粉含量較大等特點，與河砂顆粒圓潤、級配細(xì)度模數(shù)較好的特點相對比，存在明顯的差異，因此導(dǎo)致了機(jī)制砂混凝土的性能與河砂也存在著較大的差異［2］。

2.1.1 機(jī)制砂石粉含量與混凝土工作性能的關(guān)系

機(jī)制砂石粉是指在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生小于75 μm 的顆粒，不同的石粉含量會給混凝土的工作性能帶來一定的影響。石粉的細(xì)度與水泥的細(xì)度比較接近，能在一定程度上彌補(bǔ)由于機(jī)制砂高性能混凝土漿體不足而導(dǎo)致包裹性較差的缺陷，隨著石粉含量的增加，混凝土的黏聚性也相應(yīng)增加，同時也容易使得混凝土的流動性不足，石粉含量過大會導(dǎo)致混凝土的工作性變差［3］。

通過研究（見圖2）得出：C60混凝土的坍落度在機(jī)制砂石粉含量小于5%時，有向上增大的趨勢，在機(jī)制砂石粉含量大于5%時，有向下降低的趨勢。但按照目前市場上機(jī)制砂的普遍情況，石粉含量控制在5%有一定難度，根據(jù)經(jīng)驗，石粉含量限制最好在8%以下。

圖2 C60混凝土石粉含量與坍落度關(guān)系Fig.2 C60 Concrete Stone Powder Content and Slump

2.1.2 機(jī)制砂級配和細(xì)度模數(shù)與混凝土工作性能的關(guān)系

機(jī)制砂的另外2 個重要參數(shù)是級配和細(xì)度模數(shù)。粗顆粒較多、細(xì)度模數(shù)較高的機(jī)制砂，拌制的混凝土流動性較好，但保水性、黏聚性較差，容易造成混凝土泌水、離析。顆粒較細(xì)、細(xì)度模數(shù)較小的機(jī)制砂，會增加拌制需水量，對混凝土的強(qiáng)度造成影響。選擇級配和細(xì)度模數(shù)合適的機(jī)制砂，是保證混凝土的工作性能及質(zhì)量的前提條件［4］。

表1 為2 個產(chǎn)源、級配、細(xì)度模數(shù)各不相同的機(jī)制砂配制的混凝土坍落度及特性情況。

由表1 可知，石場2 機(jī)制混凝土工作性能優(yōu)于石場1機(jī)制砂混凝土，在石粉含量不變的情況下，不同的機(jī)制砂級配、細(xì)度模數(shù)拌制的混凝土坍落度、黏聚性、保水性有較大的區(qū)別。

故選用石場2 生產(chǎn)的機(jī)制砂，各項技術(shù)指標(biāo)［5］如表2所示。

2.2 水泥

按照設(shè)計要求，C60混凝土采用硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級不低于52.5，質(zhì)量除了符合英國標(biāo)準(zhǔn)BSEN 197-1∶2011外，還需符合《通用硅酸鹽水泥：GB 175-2007》。本工程采用的是某品牌PⅡ52.5N水泥，水泥中的熟料鋁酸三鈣C3A含量小于8%，水泥比表面積在300～360 m2/kg之間，各項技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表1 混凝土工作性能情況及特征Tab.1 Performance and Characteristics of Concrete

表2 機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical Index of Machine Sand

表3 水泥技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Cement Technical Indicators

2.3 摻合料

為提高混凝土的致密性、耐久性及其它工作性能，通過等量替換，摻入硅粉和粉煤灰來替換等量的水泥，降低混凝土水化熱，改善混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔隙大小和毛細(xì)孔徑結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮摻合料的活性、填充、密實等效應(yīng)。

本工程選用東莞市某電廠F 類Ⅰ級粉煤灰，各項技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)Tab.4 Fly Ash Technical Index

硅灰選用廬江縣某建材公司生產(chǎn)的S95 硅灰，各項技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 硅粉技術(shù)指標(biāo)Tab.5 Silicon Powder Technical Index

2.4 碎石

碎石的顆粒級配、顆粒形狀、洛杉磯磨耗值對混凝土的工作性能和強(qiáng)度有較明顯的影響。本工程碎石產(chǎn)自經(jīng)過香港認(rèn)證的新會石場2，母材為無堿活性花崗巖，級配為5～10 mm、10～20 mm 2 種單級配。使用時按3∶7 的比例配成5～20 mm 的連續(xù)級配，各項技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

表6 碎石技術(shù)指標(biāo)Tab.6 Crushed Stone Technical Indicators

3 機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計

該香港工程箱梁設(shè)計采用C60強(qiáng)度等級的機(jī)制砂混凝土，根據(jù)香港QSPSC要求，C60混凝土配置強(qiáng)度不低于75 MPa［6］?；炷涟韬衔锾涠却笥?75 mm，擴(kuò)展度（450±50）mm?；炷潦褂脡勖?20 年。為了保證箱梁混凝土的耐久性，在設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，增加混凝土耐久性控制指標(biāo)，混凝土56 d氯離子滲透系數(shù)不大于1.2×10-12m2/s。

基于香港現(xiàn)行土工工程通用規(guī)范中對硅粉、粉煤灰摻量的基本要求，以及該項目技術(shù)參數(shù)中對混凝土的力學(xué)性能和耐久性的要求，確定硅粉摻量分別取5%和8%，粉煤灰摻量取25%。因此，混凝土設(shè)置3種配合比，膠凝材料總量分別為：470 kg/m3、490 kg/m3、510 kg/m3，膠材組成分別采用：水泥+5%硅灰+25%粉煤灰、水泥+8%硅灰+25%粉煤灰，其配合比如表7所示。

試驗結(jié)果如表8所示。

由表 8 可知，編號 4、5、6、7、8混凝土符合配合比要求。其中編號4 富余強(qiáng)度較小，編號6 富余強(qiáng)度較大，編號5、7、8強(qiáng)度相差不大，但從混凝土開裂敏感性的角度出發(fā)，應(yīng)適當(dāng)降低混凝土膠凝材料總量（主要是降低硅粉摻量，硅粉摻量取5%），以滿足混凝土各項設(shè)計性能，因此采取編號7 配合比作為目標(biāo)配合比。

表7 不同膠材種類及用量試驗配合比Tab.7 Test Mix Ratio of Different Types of Rubber Materials and Dosage

表8 性能測試項目Tab.8 Performance Test Items

4 混凝土生產(chǎn)

箱梁混凝土生產(chǎn)需符合香港QSPSC 要求，同時攪拌站也必須通過香港品質(zhì)保證局（HKQAA）認(rèn)證，建立符合ISO09000 和QSPSC 的質(zhì)量體系。攪拌站的秤量系統(tǒng)、混凝土的出機(jī)溫度、坍落度等指標(biāo)必須符合硬性要求。因此，在混凝土生產(chǎn)前，需做好機(jī)械設(shè)備的檢查，考慮好各種應(yīng)急措施。生產(chǎn)時采取各種溫控措施，保證混凝土出倉溫度滿足設(shè)計要求。

4.1 混凝土攪拌均勻性試驗

混凝土的均勻性是影響其工作性能的主要因素，因此攪拌是混凝土生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序。若攪拌時間過短，會造成各種原材料攪拌不均勻，或者有加冰要求的混凝土冰片不能完全融化。若攪拌時間過長，會造成混凝土離晰等降低和易性的問題。為了驗證攪拌時間是否合適，需進(jìn)行混凝土攪拌均勻性試驗。通過檢測坍落度、含氣量、粗骨料、砂漿密度的相對誤差，考察混凝土拌合物是否均勻，確定合理的攪拌時間及各項指標(biāo)相對誤差控制范圍。根據(jù)均勻性試驗結(jié)果，混凝土最佳攪拌時間為120 s。

4.2 混凝土材料計量及投料順序

根據(jù)香港QSPSC 要求，原材料的計量誤差為水泥、粉煤灰、骨料、水＜2%，硅粉、外加劑＜5%。

加冰混凝土要注意冰片要有足夠的融合時間，生產(chǎn)投料順序為：骨料?冰?粉料?水?外加劑。

4.3 混凝土溫度控制

4.3.1 溫控措施

根據(jù)香港QSPSC的要求［7］，混凝土的入模溫度應(yīng)小于30℃，而夏天現(xiàn)場大氣溫度高達(dá)38℃，為保證混凝土入模溫度滿足要求，需要采取以下降溫措施：⑴石料倉增加霧化器降溫，砂石料溫度小于30℃；⑵水泥、粉煤灰、硅粉等膠材提前進(jìn)場，溫度＜55℃；⑶粉料罐噴淋降溫；⑷制備冷卻水，水溫控制低于6℃；⑸混凝土摻冰片攪拌。

一般情況下，在大氣溫度低于25℃時，采取措施⑴～⑷可以控制混凝土出倉溫度小于30℃，在大氣溫度高于25℃時，需要采取加冰措施。

4.3.2 加冰施工措施

對混凝土出倉溫度有強(qiáng)制要求的情況下，攪拌站一般必須配置制冰系統(tǒng)［8］。制冰系統(tǒng)有螺旋桿輸送方式和風(fēng)送輸送方式2種。傳統(tǒng)的螺旋桿輸送系統(tǒng)對場地的布置要求較高，風(fēng)送輸送系統(tǒng)則較為靈活，對場地的要求不高。因此，根據(jù)本工程場地的具體情況，選擇了風(fēng)送制冰系統(tǒng)（見圖3）。風(fēng)送制冰系統(tǒng)主要由制冰機(jī)、儲冰庫、風(fēng)送系統(tǒng)3部分組成。制冰機(jī)制作的冰片厚度約3 mm，一般需提前將冰片制好存放在儲冰庫中。使用時，由儲冰庫中的刮刀將冰片刮到緩沖倉中，經(jīng)過秤量系統(tǒng)秤量后，由風(fēng)送系統(tǒng)將冰片輸送到攪拌站中。

圖3 攪拌站制冰系統(tǒng)Fig.3 Mixing Station Ice Making System

根據(jù)《建筑施工計算手冊（第二版）》［9］，混凝土摻冰屑拌和溫度計算公式為：

式中：T0為混凝土的出倉溫度（℃）；Ts、Tg為機(jī)制砂、碎石的溫度（℃）；Tc、Tw為水泥、水的溫度（℃）；mc為水泥的重量（kg）；ms、mg為扣除含水量的機(jī)制砂及碎石的重量（kg）；mw為水的重量（kg）；ws、wg為機(jī)制砂、碎石中水的重量（kg）；P為加冰率，為用水量的百分比（%）。

根據(jù)配合比，公式可簡化為：

由上式可知：⑴各種原材料的溫度對混凝土出倉溫度的影響程度，最大的是碎石和砂的溫度，其次是水的溫度，最后是水泥的溫度；⑵每增加10%的用冰量，混凝土的出倉溫度可降低1.5℃左右。

5 箱梁混凝土澆筑

由于現(xiàn)場攪拌站的生產(chǎn)能力有限，梁的長度較長，總體混凝土方量大，無法采用傳統(tǒng)的全面分層工藝進(jìn)行澆筑，而采用縱向分段，斜面分層的工藝進(jìn)行澆筑。混凝土澆筑布料順序從一端向另一端推進(jìn)，連續(xù)澆筑完成。過程中關(guān)鍵要避免混凝土冷縫的出現(xiàn)，新舊澆筑混凝土間隔時間控制在2 h以內(nèi)。

為使混凝土保持濕潤，減少后期混凝土裂縫的產(chǎn)生，箱梁頂面、箱內(nèi)底板采用高分子養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)，箱梁側(cè)面安裝自動噴淋系統(tǒng)，淋水養(yǎng)護(hù)。

6 混凝土溫度監(jiān)測

為驗證溫度應(yīng)力對混凝土的影響，在箱梁橫隔板處（厚度2 m）埋設(shè)溫度傳感器進(jìn)行實時溫度監(jiān)測，溫度傳感器布置如圖4所示［10］。

箱梁混凝土各中心溫度的發(fā)展趨勢如圖5所示。

圖4 溫度傳感器布置Fig.4 Temperature Sensor Layout

圖5 箱梁混凝土各中心溫度隨時間變化曲線圖Fig.5 Temperature Change Curve of Concrete Center of Box Girder over Time

從表9 得知，混凝土最大中心溫度出現(xiàn)在澆筑完成后36 h 的測點3，為67.5℃，對應(yīng)外表測點4 溫度49.3℃，最大內(nèi)外溫差為18.2℃；混凝土最大外表溫度出現(xiàn)在澆筑完成后20 h 的測點8，為52.6℃，對應(yīng)環(huán)境溫度30℃，最大溫差22.6℃，滿足規(guī)范要求。

表9 最高溫測點數(shù)值統(tǒng)計Tab.9 Highest Temperature Measurement Point Statistics

7 結(jié)語

⑴ 在采取了上述一系列的措施，混凝土性能滿足施工的要求，箱梁未出現(xiàn)開裂情況，C60機(jī)制砂高性能混凝土在大型預(yù)制箱梁中取得了成功的應(yīng)用。

⑵ 目前國內(nèi)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝較為簡單，生產(chǎn)出來的機(jī)制砂質(zhì)量良莠不齊。有的設(shè)備生產(chǎn)的砂級配不達(dá)標(biāo)，有的石粉含量過大。要選擇符合要求的優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂，必須考察生產(chǎn)廠家的綜合能力，如制砂設(shè)備性能是否達(dá)標(biāo)、生產(chǎn)工藝流程是否正常、質(zhì)量控制措施是否完善等因素。

⑶ 機(jī)制砂的顆粒形狀、顆粒級配、細(xì)度模數(shù)、石粉含量對混凝土的工作性能、強(qiáng)度、耐久性等影響較為明顯。配置高強(qiáng)度高性能混凝土機(jī)制砂級配應(yīng)選擇級配區(qū)2 區(qū)級配，細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在2.5～3.0 之間為宜，石粉含量控制在5%左右比較合適，最好不超過8%。

⑷ 南方地區(qū)夏季溫度一般高達(dá)38℃以上，混凝土采取加冰措施的溫控效果比較顯著。

⑸ 由于機(jī)制砂與河砂各種特性差異較大，拌制的混凝土性能也有一定的區(qū)別，一般機(jī)制砂混凝土在施工早期表面失水更快，更容易出現(xiàn)收縮裂縫，尤其要注意加強(qiáng)二次抹面和及時覆蓋養(yǎng)護(hù)。