機制砂在公路橋梁混凝土中的試驗及其應(yīng)用

謝燕妮

（中鐵二十三局集團第三工程有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

砂每年有著非常大的使用量，在混凝土的組成材料中，占有很高的一部分比例。如今，公路橋梁混凝土中經(jīng)常使用的砂有兩種，分別是機制砂和天然砂。機制砂就是將巖石多次破碎、逐次篩選得到的建筑材料。而天然砂是可以直接開采使用的一種砂，但卻是一種不可再生的資源，而且如果過度開采還會造成水土流失，導(dǎo)致自然環(huán)境破壞。因此，公路橋梁混凝土適合用機制砂代替天然砂。但是機制砂比天然砂棱角性更強，級配范圍更廣，更易出現(xiàn)斷檔現(xiàn)象，雖然進一步提高了混凝土的強度，但是，會導(dǎo)致和易性降低[1]。因此，為了將機制砂在公路橋梁混凝土中的使用質(zhì)量進一步提高，相關(guān)工作人員應(yīng)該在試驗路段，分析使用不同的機制砂級配以及巖石類型混凝土的施工狀況，進一步探討機制砂級配和巖石種類對公路橋橋梁混凝土施工的影響，為公路橋梁的施工質(zhì)量提供更好的保障。

1 絮凝劑對混凝土性能影響

根據(jù)《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）規(guī)定，機制砂MB 值≤1.4 或快速法試驗合格時，石粉含量最多不能超過10%，為了使生產(chǎn)的產(chǎn)品符合相關(guān)規(guī)定，機制砂通常需要經(jīng)過水洗才能使用。而水洗過程中會產(chǎn)生大量的污水，為提升污水回收利用率，通常在制砂污水中加入具有較長線性結(jié)構(gòu)的高分子化合物（絮凝劑），這些高分子化合物在水中溶解、充分伸展，長鏈上多個活性基團可同時黏附多個顆粒，使顆粒之間相互靠近，形成較大的絮團（絮凝），達(dá)到強化過濾與分離的目的。將分離得到的澄清液重新用于洗砂時，會在機制砂中引入一定量的絮凝劑，對使用機制砂的混凝土性能造成影響。目前，針對不同類型絮凝劑絮凝效果研究及對混凝土造成的影響，行業(yè)中相關(guān)研究較為缺乏。對絮凝劑加入對混凝土性能的影響進行研究，以指導(dǎo)絮凝劑在機制砂混凝土的應(yīng)用及新型機制砂絮凝劑的開發(fā)。

1.1 原材料

試驗采用紅獅牌P·O42.5R 水泥。聚羧酸減水劑：含固量20%，科之杰新材料集團有限公司生產(chǎn)。聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑：陰離子型絮凝劑分子量為500 萬、1200 萬和2000 萬；非離子型絮凝劑分子量為2000 萬，陽離子型絮凝劑分子量為1000 萬和2000 萬。

1.2 試驗方法

采用機制砂進行水洗2 遍后得到的泥水作為濁液進行絮凝效果測試，測定加入絮凝劑前上清液的吸光度A0。加入絮凝劑，攪拌10min 后靜置2min，吸取上清液測定其吸光度A1。將濁液放入量筒中，測試絮團與上清液的界面從量筒220mL 刻度下降至120mL 刻度的時間t。

水泥凈漿流動度按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》（GB/T 8077—2012）中的方法測定，水灰比為0.29。新拌混凝土性能試驗方法參照《混凝土外加劑》（GB 8076—2008）、《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）進行[2]，絮凝劑采用外摻方法加入，測試新拌混凝土初始坍落度、擴展度、1h 損失后混凝土的坍落度和擴展度，以及7d 和28d 抗壓強度。

1.3 試驗結(jié)果與討論

選用分子量相同、不同類型的聚丙烯酰胺絮凝劑X-3、X-4 和X-6，加入混凝土中測試混凝土的初始及1h 坍落度、擴展度，以及7d 和28d 抗壓強度，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 絮凝劑混凝土試驗結(jié)果

從表1 中坍落度和擴展度數(shù)據(jù)中可以看出，加入0.100%不同類型PAM 絮凝劑后，混凝土的初始坍落度、擴展度和1h 坍落度、擴展度均下降，說明加入絮凝劑會對混凝土的和易性造成一定負(fù)面影響。其中，加入非離子絮凝劑對混凝土的初始坍落度和擴展度影響最大，初始坍落度下降17.4%，初始擴展度下降17.5%，說明非離子絮凝劑的加入對混凝土和易性較為不利；陰離子和陽離子絮凝劑對混凝土初始和易性影響近似，但是加入陽離子絮凝劑的混凝土1h 坍落度損失為10.8%，對混凝土工作性能影響較大。比較3 種類型絮凝劑，陰離子型PAM 類絮凝劑對混凝土和易性影響最小[3]。

從表1 中強度數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，加入不同類型PAM 絮凝劑后混凝土的7d 和28d 抗壓強度均有所下降，7d 強度相較28d 強度下降幅度大，說明加入絮凝劑對混凝土的早強強度影響大于對后期強度的影響。加入非離子絮凝劑對混凝土的強度影響最小，7d 和28d的抗壓強度分別為空白組的93.9%和94.7%。比較3 種類型絮凝劑，非離子型PAM 類絮凝劑對混凝土強度影響最小。綜上得出結(jié)論，水洗機制砂中含有任何一種離子型絮凝劑，均會對混凝土和易性、強度、耐久性及施工有一定的影響。因此在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制絮凝劑含量。

2 機制砂在公路橋梁混凝土中的試驗實例分析

2.1 工程概況

某項目為四川省高速公路工程項目，其中涉及跨橋子工程，主線按雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計行車速度100km/h，路基寬度33.5m，路線全長20.193km；主線除控制性工程橋梁采用鋼箱梁斜拉橋結(jié)構(gòu)外，其他橋梁總體結(jié)構(gòu)設(shè)計為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁（30m），設(shè)計基準(zhǔn)期為100 年，汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，適用環(huán)境類別為Ⅱ類；本項目A5 合同段作為獨立預(yù)制標(biāo)，承擔(dān)全線所有T 梁共2232 片的預(yù)制、架設(shè)及橋梁上部調(diào)平結(jié)構(gòu)的施工任務(wù)，隨著國家環(huán)保新政的實施以及全國基礎(chǔ)建設(shè)投資規(guī)模的迅速擴大，全國范圍內(nèi)建筑用砂供需矛盾日趨突出，河砂出現(xiàn)資源制限、供應(yīng)緊張且品質(zhì)下降等背景，決定運用機制砂作為水泥混凝土細(xì)集料使用于本工程。

2.2 本項目擬使用的機制砂和混凝土原材料產(chǎn)地及規(guī)格

（1）機制砂。擬使用的機制砂為本項目A2 合同段主線隧道洞渣（凝灰?guī)r）Ⅱ、Ⅲ級圍巖經(jīng)機械破碎加工的機制砂，規(guī)格為Ⅱ類；通過對機制砂的主要技術(shù)指標(biāo)進行了檢測，結(jié)果均符合規(guī)范《公路工程 水泥混凝土用機制砂》（JT/T 819—2011）以及《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）中Ⅱ類機制砂的技術(shù)要求[4]，其余指標(biāo)經(jīng)自檢及第三方抽檢試驗結(jié)果均符合規(guī)范要求，結(jié)果如表2 所示。

表2 結(jié)果統(tǒng)計

（2）碎石：采石場生產(chǎn)4.75～19mm 連續(xù)級配碎石，摻配比例為（粒徑4.75～9.5mm）∶（粒徑9.5～19mm）=1:9。

（3）水泥：海螺水泥有限責(zé)任公司，規(guī)格P.Ⅱ52.5。

（4）摻合料：F 類Ⅱ級粉煤灰、S95 級礦渣粉。

（5）外加劑：YK-A 聚羧酸高性能減水劑。

（6）水：村可飲用水。

2.3 機制砂混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)公路通道工程設(shè)計圖紙要求，所有T 梁（主梁、橫隔板、濕接縫、調(diào)平層）均采用C50 混凝土澆筑，其中主梁梁體混凝土耐久性要求：最大水膠比0.45，最小水泥用量350kg/m3（當(dāng)摻用外加劑且能有效改善混凝土和易性時，水泥用量可減少15kg/m3），最大氯離子含量0.06%，最大堿含量2.3kg/m3，混凝土的28d 抗壓彈性模量Ec=3.45×104MPa；粉煤灰摻量（%）：依據(jù)《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50146—2014）及《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）中粉煤灰最大摻量規(guī)定，粉煤灰的摻量為12%，影響系數(shù)取值為0.87、礦渣粉摻量為8%，影響系數(shù)取值為1.0，外加劑摻量為1.4%，混凝土含氣量為1.3%，減水率為28%；結(jié)合《公路工程水泥混凝土用機制砂》（JT/T 819—2011）、《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50476—2008）、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50—2011）等相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程進行配比[5]。C50 混凝土T 梁每立方米混凝土材料用量（kg）理論配合比如表3 所示。

表3 機制砂混凝土理論配合比

A5 合同段對A2 合同段生產(chǎn)的機制砂進行了多次試驗，確定該機制砂的細(xì)度模數(shù)為2.8～3.3，累計篩余符合Ⅱ類機制砂級配范圍要求。其間還會同外加劑廠家對機制砂配合比進行了多次試拌，通過提高砂率、適當(dāng)增加減水劑摻量進行優(yōu)化和調(diào)試，優(yōu)化后混凝土坍落度為195mm、擴展度為535mm、砂率為43%、水膠比為0.32%、減水劑摻量為1.4%、容重為2510kg/m3、流動性、粘聚性和保水性均符合規(guī)范及設(shè)計施工要求，且不泌水、不板結(jié)，故最終確定。

C50 混凝土T 梁每立方米混凝土材料用量（kg）試驗配合比如4 表所示。

表4 機制砂混凝土試驗配合比

2.4 配合比參數(shù)對混凝土拌制澆搗梁體與張拉壓漿

本項目T 梁混凝土拌和方式：采用水泥混凝土拌和樓集成強制式攪拌機，配料為自動稱量系統(tǒng)，運輸方式采用混凝土罐車運輸；鑒于機制砂的特性粒形規(guī)則、表面粗糙、棱片狀較多，原材料經(jīng)進場每批量報驗合格，通過試驗檢測石粉含量約占機制砂的5%；為符合混凝土和易性要求，所以用機制砂配制的混凝土攪拌時間比河砂要控制相應(yīng)延長15～30s，T 梁混凝土澆筑振搗時間也要做相應(yīng)延長10～15s，外加劑采用后摻法時間也相應(yīng)延長15～25s，主要目的能使混凝土攪拌充分、質(zhì)量更均勻密實、混凝土和易性能得到更好保障。

2.5 機制砂C50 混凝土和易性能及耐久性試驗

機制砂混凝土含氣量測試：在正常室溫情況下（溫度為21℃），經(jīng)過仔細(xì)觀察和多次試驗，1h 混凝土坍落度無損失，沒有明顯泌水、抓地現(xiàn)象且翻拌后流動性良好，能滿足現(xiàn)場施工要求。試驗梁混凝土抗?jié)B性能，根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）規(guī)程檢測，所檢項目符合設(shè)計要求[6]。

3 結(jié)語

綜上所述，在當(dāng)前的各類施工過程中，機制砂混凝土的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在公路橋梁混凝中應(yīng)用機制砂，可以最大限度滿足用砂性能等相關(guān)指標(biāo)。因此，對于機制砂的生產(chǎn)加工技術(shù)要更加重視，要進一步提高機制砂生產(chǎn)加工的質(zhì)量，使其性能和質(zhì)量得到更顯著的提升，從而讓機制砂在公路橋梁工程施工的過程中得到更加良好的應(yīng)用。要從公路橋梁工程具體實施的情況出發(fā)，選取更加科學(xué)、合理的施工方案，以此充分滿足公路橋梁混凝土的質(zhì)量要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及最大限度滿足相對應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，進一步提升公路橋梁工程的質(zhì)量，延長公路橋梁的使用時間。