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机制砂混凝土用于桥梁建设的研究

1、引言
  随着基本建设的日益发展,混凝土用砂需求量急增,现有天然砂资源难以保证我国基础设施建设。我国2006年混凝土总产量达21亿m3,仅混凝土中砂的用量达15亿t。天然砂是一种地方性资源,分布很不均匀,短时间内不可再生,也不适宜长距离运输。目前,不少地区的天然砂资源已近枯竭,还有很多地方已经开始禁采或限采天然砂,这样工程用砂供需矛盾日益突出,导致砂的价格越来越高,某些地区甚至无天然砂可用,影响了工程建设的进展。随着混凝土技术的发展,现代混凝土对砂的技术要求越来越高,特别是高强度等级和高性能混凝土对骨料的要求很严,能满足其要求的天然砂数量越来越少,甚至没有,而对社会节约资源、可持续发展的要求越来越高。所以机制砂在工程中的地位越来越重要,将成为建设用砂的重要来源。对于砂少石多的山区高速公路建设,用机制砂代替天然砂配制混凝土更是势在必行。
  机制砂是岩石经除土开采、机械破碎、筛分制成的,粒径在4.75 mm以下的岩石颗粒。机制砂与天然砂在粒形、级配和表面特性上明显不同,机制砂颗粒表面粗糙、尖锐多棱角,细度模数大,级配不良,最明显的区别是机制砂在生产过程中不可避免地产生一些粒径小于0.075mm的石粉颗粒,约占机制砂总量的10%~20%。机制砂的这些特性对混凝土拌和物的配合比设计和水泥用量、需水量、外加剂需求量、工作性、终饰性能以及硬化混凝土的强度、体积稳定性和耐久性均会产生影响。
  但是,目前我国在机制砂生产和应用方面还存在许多问题,阻碍了机制砂混凝土的推广应用,特别是在大型、重点工程中的应用。
  (1)机制砂行业生产技术和管理水平低下,机制砂产品质量良莠不齐,特别是部分存在质量问题的机制砂导致了混凝土性能不良,并把这些问题归于机制砂混凝土,从而导致人们不敢使用机制砂。
  (2)对石粉在机制砂混凝土中作用研究不够,国家标准对机制砂中的石粉含量限制过严。2002年发布实施的新标准《建筑用砂》(gb/t14684-2001),首次明确规定了机制砂的技术要求,但该标准对石粉含量的限制规定为小于c30、c30~c60、大于c60的混凝土用机制砂中的石粉含量限制分别为7%、5%、3%。为了满足国标规定的石粉含量要求,机制砂中过量的石粉通常采取水洗、风选收尘等方法去除,在生产上不仅增加了机制砂的生产难度,降低了产量,浪费了宝贵的矿产资源和水资源,增加了制砂成本,同时石粉副产品的大量堆积,又引起了新的污染。在使用中,由于去粉过程中去掉的颗粒并非只有石粉,还含有0.15mm、0.3mm、0.6mm甚至更大的颗粒,因而破坏了机制砂的自然级配,导致机制砂混凝土离析泌水严重。客观上加剧了人们对石粉在机制砂混凝土中作用的误解,严重地制约了机制砂的应用和石粉的利用。
  (3)没有形成专门的机制砂混凝土配制技术,工程技术人员对机制砂混凝土的性能也缺乏充分认识。机制砂混凝土的配制,目前基本沿袭天然砂混凝土配制方法,而忽视了机制砂与机制砂混凝土的特点,从而使工程技术人员难以掌握,对利用机制砂配制高性能混凝土的技术更不成熟。一般认为机制砂混凝土工作性差,终饰性差,并对机制砂混凝土的体积稳定性和耐久性研究不够,心存疑虑,导致重点工程不敢使用机制砂。
  为解决西部山区高速公路建设桥梁工程混凝土用砂资源匮乏的问题,交通部于2003年将“机制砂混凝土用于桥梁建设的研究”确定为西部交通建设科技项目(合同编号:2003 318 811 06)。项目围绕机制砂生产与混凝土应用中的突出问题,研究了机制砂的制备技术与质量控制措施、机制砂与所含石粉的特性、石粉对机制砂混凝土性能的影响与机理,制备出了与天然砂高性能混凝土具有同样优异性能的c60、c80机制砂高性能混凝土,解决了相应的关键技术,编制了《机制砂在混凝土中应用技术规程》,并成功用于湖北沪蓉西高速公路桥梁工程,取得了良好的社会经济效益。

2、项目完成的主要研究内容及取得的成果
  2.1 全面测试了机制砂及其所含石粉的物理化学特性
  (1)应用数字图形处理(dip)技术研究了机制砂的颗粒形貌参数及与粗糙度的相关性,验证了机制砂较天然砂颗粒尖锐、棱角性强、针片状颗粒多、粗糙的特征。
  (2)建立了机制砂的细度模数(fm)与2.36mm粒级的分计筛余(a2)的定量关系,其回归关系式为fm=0.0323 a2+2.4519,(r=0.892),据此提出通过控制2.36mm粒级的分计筛余可控制细度模数。
  (3)机制砂最大压碎值多数在2.36~4.75mm粒级,其次是0.3~0.6mm 粒级,压碎值可能性最小的是1.18~2.36粒级。
  (4)采用激光粒度分析仪,提出现有机制砂生产的除石粉工艺破坏了机制砂的级配、不利于机制砂的密实堆积。
  (5)机制砂mb值不仅与泥粉含量相关,且与所含泥粉的液限值有关,后者是对采用亚甲蓝mb值检验小于75μm的细粉是泥粉还是石粉这一试验方法的一个补充。
  (6)石粉的颗粒形貌、细度与水泥接近,远小于粘土的比表面积。对于75μm以下颗粒,石粉中粒径小于16μm者占32~51%,粘土中粒径小于16μm者占79%。
  2.2 研究了石粉作混合材以及石粉代砂对水泥性能的影响。
  (1)石粉作水泥混合材,一般来说,增加水泥的标准稠度用水量、减小胶砂流动度,促进水泥水化、使凝结时间提前。石粉掺入水泥后,降低了水泥胶砂强度,但折压比却随之升高,水泥强度等级越低,折压比升高越明显。
  (2)用含石粉的机制砂配制的水泥砂浆,随石粉含量的不断增加,砂浆流动性下降,28d强度受石粉含量的影响不甚明显,而石粉对砂浆的3d强度明显有增强作用,石粉颗粒越细增强作用越明显。随石粉含量的不断增加,浆体比例增加,干缩率上升,干燥失水的质量损失增大,抗裂性变差。含泥量对机制砂砂浆干缩、质量损失、抗裂、及强度均有显著的不良影响。因此,机制砂中的含泥量应得到严格控制。
  2.3 明确了石粉对机制砂混凝土性能的影响规律。
  研究了石粉含量分别在5~20%对中低强塑性机制砂混凝土、7~20%对中低强泵送机制砂混凝土、5~14%对高强泵送机制砂混凝土各方面性能的影响规律,石粉对不同强度、不同流态的混凝土、性能的不同方面影响各异,应根据混凝土用途和性能要求,有针对性地提出机制砂石粉含量限值。
  (1)配制低强、大流动性机制砂混凝土时采用高石粉含量机制砂更有利。对于中低强度塑性混凝土,石粉可以增加拌和物的粘聚性和保水性,利于改善离析泌水情况;对于泵送混凝土,石粉可以增加水泥浆体含量而提高混凝土的流动性,石粉还起到润滑作用,减少砂与砂之间磨擦而改善混凝土的和易性。
  (2)提出了水粉比、泌水潜伏时间的概念,应用水粉比、泌水潜伏时间可以很好地解释机制砂混凝土工作性的影响因素。对于特定的混凝土体系,均存在最佳水粉比,水粉比偏大易产生离析泌水,水粉比偏小则使混凝土过粘。在配制高强混凝土时胶凝材料的用量很大,石粉在粉料中的比例较小,同时掺用了较大比例的高效减水剂,在混凝土工作性诸多影响因素中,石粉含量的增减不是十分敏感的因素。中低强度泵送机制砂混凝土某一时刻的泌水率与拌和物静置时间和泌水潜伏时间比值的对数成正比,随石粉含量的增加,水粉比下降,拌和物的泌水潜伏时间延长,泌水率与离析程度下降。
  (3)对于中低强度机制砂混凝土,在等水灰比下,所有含石粉的机制砂混凝土强度均高于未含石粉的机制砂的混凝土强度。石粉含量介于10~15%之间时,混凝土抗压强度和抗折强度最高。对于高强度混凝土,在等水胶比下,石粉含量在14%范围对强度基本上有促进作用,石粉含量10%时强度达到峰值,石粉再增多后强度开始下降。在w/c=0.70~0.35区间内,用石粉含量为7%的机制砂配制的混凝土强度普遍高于不含石粉机制砂配制的混凝土,且鲍罗米公式中的αa值小一些,也就是说,强度差值随着w/c的提高而升高。
  (4)机制砂混凝土的抗折强度高于天然砂混凝土,随石粉含量增加抗折强度升高,石粉含量10%左右时达到最高,之后有所下降。
  (5)机制砂混凝土的轴心抗压强度和劈裂抗拉强度均高于天然砂混凝土,且提高幅度随石粉含量增加而增大,石粉对早期劈裂抗拉强度有显著贡献。
  (6)机制砂混凝土的抗压弹性模量随石粉含量的增加其变化比较复杂,取决于石粉对混凝土强度和浆体数量两方面的影响。总体来说,中低强机制砂混凝土弹性模量较河砂混凝土略低,而高强机制砂混凝土弹性模量较河砂混凝土略,且随石粉含量增加而呈降低趋势。
  (7)机制砂混凝土的干缩率小于天然砂混凝土。对于中低强度机制砂混凝土,石粉含量10%时,干缩率最大;对于高强度机制砂混凝土,石粉含量7%时,干缩率最大。因受粗集料限制等因素的影响,石粉对机制砂混凝土干缩性能与机制砂砂浆的干缩性能变化规律有些差别。
  (8)石粉对离析泌水情况的改善及其填充效应增加了混凝土的密实度,所以石粉能够增强混凝土的抗渗性能。
  (9)中低强度机制砂混凝土的抗冻性能整体上低于同配比的河砂混凝土,有的机制砂混凝土抗冻结性只能达到f50,有的又可超过f150。这可能与机制砂颗粒表面裂隙状况、级配等品质有关。适量石粉(10~15%)有利于机制砂混凝土抗冻性能的改善。因此,在采用机制砂配制抗冻性混凝土时,应重视机制砂品质的影响。对抗冻性能有较高要求的中低强度机制砂混凝土,可采用引气剂进行配制。
  (10)机制砂水泥砂浆的耐磨性与其中的石粉含量有关,在石粉含量小于10%时,机制砂砂浆耐磨性能好于河砂砂浆,石粉含量大于10%时,机制砂砂浆的耐磨性比河砂的要差。
  (11)机制砂和石粉的岩性及机制砂中的石粉含量对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能没有明显的不利影响,机制砂混凝土受硫酸盐的主要侵蚀性产物也为石膏。
  2.4 制备出了与天然砂高性能混凝土具有同样优异性能的c60、c80机制砂高性能混凝土。
  设计、优化了c60、c80机制砂高性能混凝土的配合比,充分研究了石粉、泥粉含量对机制砂高性能混凝土工作性、强度、体积稳定性和耐久性的影响,讨论了高石粉含量机制砂配制高性能混凝土时粉煤灰、矿渣粉等掺合料的掺量与作用问题。
  2.4.1 c60机制砂高性能混凝土
  (1)在石粉含量3.5%~14%范围,随石粉含量增大,机制砂高性能混凝土的坍落度基本不受影响,而坍扩度呈下降趋势,石粉含量越高、坍扩度下降越明显,且石粉改善了机制砂混凝土拌和物的粘聚性和保水性。机制砂混凝土的抗压强度随石粉含量的增加呈逐步增大趋势,且石粉对其后期强度的增长无不良影响。
  (2)石粉含量对机制砂高性能混凝土的干缩影响与干缩龄期密切相关,石粉含量较高的机制砂混凝土的前14d龄期干缩值要比天然砂混凝土大,而后龄期干缩值相差不大,因此机制砂混凝土要注意早龄期的湿养护。另外,掺入粉煤灰使机制砂混凝土各龄期的干缩值减小,且随粉煤灰掺量增加收缩值减小。
  (3)随石粉含量增大,机制砂高性能混凝土的弹性模量呈降低趋势。与天然砂混凝土相比,机制砂高性能混凝土的弹性模量在石粉含量高时略低,在石粉含量低时略高。相比同条件下的河砂高性能混凝土,石粉含量7%的机制砂高性能混凝土虽然抗压强度高,但其徐变相对要大。
  (4)机制砂高性能混凝土具有很好的抗氯离子渗透性能和很高的抗冻性。各石粉含量的机制砂高性能混凝土的氯离子扩散系数均符合高性能混凝土小于3.0×10-8cm2/s的要求。随石粉含量增大,机制砂高性能混凝土的氯离子扩散系数呈弱递增趋势。各石粉含量的机制砂高性能混凝土抗冻等级远超过f325。随石粉含量增加,机制砂混凝土的相对动弹性模量几乎没有差异,且11%~17%的粉煤灰掺量并不降低机制砂高性能混凝土的抗冻性。
  (5)无论是采用低石粉含量还是高石粉含量的机制砂,石粉的存在基本不影响掺用粉煤灰对混凝土的作用效果,因此在机制砂高性能混凝土中粉煤灰的掺用可以不考虑机制砂中石粉含量的高低。
  (6)机制砂混凝土的工作性受砂率影响非常敏感,强度最佳时的砂率没有工作性最佳时的砂率对石粉含量敏感。随石粉含量的增加,机制砂混凝土的合理砂率越低。
  (7)机制砂石粉中混有泥粉不利于机制砂混凝土的高性能化。对3%~7%泥粉含量的综合研究表明,随着泥粉含量的增加,机制砂混凝土的强度及抗渗性无明显变化,但混凝土需水量增加,收缩增大,抗冻性明显下降。
  2.4.2 c80机制砂高性能混凝土
  (1)外加剂和矿物掺合料的选择是c80机制砂高性能混凝土配制的关键,通过优化,c80机制砂高性能混凝土配合比设计参数为:胶凝材料用量600kg/m3,水胶比0.25,矿渣、粉煤灰、硅灰的掺量为25%、15%和8%,砂率37~39%,外加剂为两种聚羧酸盐(fox+adva-180)外加剂复掺,掺量为0.3%+0.8%。
  (2)机制砂中石粉含量对工作性和强度的影响试验表明,c80混凝土的机制砂石粉含量5%时的性能较佳,因此c80机制砂混凝土的石粉含量限值可由国标规定的3%放宽至5%。
  2.5 提出机制砂石粉含量限值可以突破国标限值规定
  针对不同用途探讨了机制砂中石粉含量的最优值和最高限值,提出了新的混凝土用机制砂石粉含量限值建议指标范围(见表1)。混凝土强度等级低者,石粉极限含量可越高,特别是对于配制中低强度、大流动混凝土,越高的石粉含量,反而越利于混凝土工作性的改善和水泥用量的降低。高石粉机制砂的应用,不仅改善了机制砂混凝土的性能,且大大扩大了机制砂的应用范围,有效利用了石粉资源,对于机制砂生产可免去除粉工艺,降低机制砂生产成本,节省工程造价。
机制砂石粉含量限值:

强度等级 <c30 c30~c60 >c60
国标规定 ≤7% ≤5% ≤3%
本研究建议 ≤10~15% ≤7~10% ≤5%
 

  2.6 揭示了石粉在机制砂混凝土中的作用机理与效应
  (1)水泥中掺20%石粉的水化样诱导期内单位时间放热量高于纯水泥水化样和水泥中掺20%粉煤灰的水化样,石粉作为晶核对水泥水化起到促进作用,使水化诱导期和加速期的结束时间提前,说明石粉促进了水泥水化。
  (2)石粉中的caco3参与c3a的水化反应生成了水化碳铝酸钙,对水泥水化有增强作用。
  (3)石粉具有使过渡区密实化、改善混凝土孔结构的作用,使孔径得到一定程度的细化,从而增强机制砂混凝土的性能。
  (4)石灰岩石粉在机制砂混凝土中有增粘、润滑、填充、晶核、对水化的增强等多种效应,对混凝土性能的影响是这些效应的综合作用。
  2.7 总结提出了高含石粉机制砂混凝土的配制技术与方法
  (1)配制低强、流动性混机制砂混凝土时应充分发挥石粉的作用:用高含石粉机制砂比天然砂更适合采用强度等级高的水泥来配制低强度混凝土,水灰比越大、石粉的贡献越突出。因此,可以利用机制砂的高石粉含量解决混凝土强度富余过多与工作性差之间的矛盾;
  (2)机制砂中的石粉可作混凝土掺合料使用:对于c30中低强度混凝土、c60高强度混凝土和c80超高强混凝土,取代水泥的的比例以分别不超过18.75%、22.5%和15%为宜,分别相当于同等掺量ii级或i级粉煤灰的作用效果。
  (3)对水灰比选择的影响:仍基于天然砂鲍罗米公式确定水灰比。选取“最大水灰比”和“最小水泥用量”完全出于工作性考虑时,应代之以“最大水粉比”和“最小粉料用量”的概念 。
  (4)对单位用水量选择的影响:不掺减水剂下,机制砂中的石粉含量增加使混凝土流动性降低,要保持相同的坍落度,则混凝土的用水量增加。若掺有减水剂,则石粉对机制砂混凝土工作性的影响,有最佳石粉含量范围(为7~10%)。因此,机制砂混凝土的用水量仍基于天然砂混凝土根据坍落度要求确定用水量,但应考虑减水剂的需求。
  (5)对外加剂需要的影响:高含石粉机制砂混凝土对减水剂的额外需求与石粉在粉料中的比例成指数增加,减水剂的掺量可近似按粉料的百分比计。
  (6)对合理砂率选择的影响:机制砂混凝土砂率的选择不仅考虑要细度模数,还要注意机制砂石粉含量的增加使合理砂率降低。高石粉机制砂的砂率的确定应参考最佳水粉比进行。
  (7)提出了水粉比和等效砂率的概念及高含石粉机制砂混凝土体系配合比的优化设计原理,阐述了以水灰比保证强度、以水粉比确保工作性、基于水粉比确定砂率的设计原则。
  2.8 开展了c50机制砂混凝土t梁荷载试验
  (1)石粉含量6.8%的机制砂制备的混凝土t梁荷载破坏试验
  a)跨中弯矩破坏试验:t梁极限荷载为620kn,是设计荷载320kn的1.94倍;在荷载小于620kn作用下,t梁挠度随荷载增长曲线呈线性关系,处于良好的弹性工作状态,梁体应变沿高度方向分布基本呈线性关系,基本满足平截面假定。
  b)梁端剪力破坏试验: t梁剪力极限荷载为1940kn,此时相应梁端剪力为1791kn,是设计荷载815kn的2.2倍,t梁具有较高的承载能力。
  (2)机制砂、河砂混凝土t梁常规对比试验
  相同荷载作用下,石粉含量6.8%的机制砂制备的混凝土t梁的挠度、应变值均小于河砂混凝土t梁(同等水灰比和水泥用量下),显示机制砂混凝土t梁具有更高的抗变形能力。
  2.9 研究了机制砂的生产与质量控制措施
  基于高速公路线长点多的特点,以及机制砂的技术要求,优化设计了具有简单、优质、节能和环保的机制砂生产工艺流程,提出了高速公路建设机制砂生产条件,建立了机制砂生产质量控制措施和质量保证体系。
  提出的制砂用典型工艺设备为颚式破碎机(粗碎)、反击式破碎机(中碎)和棒磨机(细碎),典型石粉控制工艺设备为收尘器(干法收尘)、螺旋或轮式洗砂机(水洗除粉)及干法制砂分级机(干法选粉)。
  2.10 编制了《机制砂在混凝土中应用技术指南》
  课题组2004年9月编制的《湖北沪蓉西高速公路普通混凝土用机制砂应用技术规程》被依托工程采用,现已进行修订,形成了《机制砂在混凝土中应用技术指南》,是国内提出的最为全面的有关机制砂的应用技术规程。主要内容包括:机制砂的生产、检验与验收;机制砂的质量标准;机制砂的检验方法;机制砂普通混凝土配合比设计;机制砂高性能混凝土配合比设计;机制砂混凝土的施工与验收。

3、项目在依托工程中的推广应用与效益
  项目依托于湖北沪蓉西高速公路,桥梁总长达71.2704公里,混凝土需求量近498万m3,其中c30以下混凝土约320 m3,c30以上混凝土约178 m3,共需细集料230万方,但沿线没有可用的天然河砂,如果采用天然河砂配制混凝土,需从湖南岳阳调运,其平均价格高达180元/m3,同时,由于运输条件差,保障供应尚存困难。
  应用本项目研究成果,开展了大规模的机制砂生产和机制砂混凝土推广应用工作,截止到2006年12月,共推广应用机制砂混凝土约247万m3,累计使用机制砂约117万 m3,直接经济效益1.2亿元左右。其中:
  (1)在桩基、承台、桥墩、二衬中应用c30及以下机制砂混凝土177万m3,使用机制砂85万m3;
  (2)在预制梁板、桥面铺装、现浇箱梁中应用c40~c50机制砂混凝土70万m3,使用机制砂32万m3。
  (3)指导建立机制砂生产厂30家,形成年产机制砂585万吨的规模,不仅解决了沪蓉西高速公路建设缺砂的问题,也为宜万铁路建设提供了大量的机制砂。

4、项目的技术创新点
  (1)全面测试了机制砂和石粉的物理化学特性,分析了机制砂颗粒形貌特征参数与粗糙度参数的相关性,建立了机制砂的颗粒细度模数与2.36mm粒级分级筛余的定量关系,提出现有机制砂生产的除石粉工艺破坏了机制砂的级配、不利于机制砂的密实堆积,机制砂mb值不仅与含泥量且与泥土的液限值有关,为机制砂的质量评价提供了技术依据。
  (2)明确了石粉对不同流态、不同强度的机制砂混凝土各方面性能的影响规律,揭示了石灰岩石粉的增粘、润滑、填充、晶核与水化增强的效应与机理,提出了配制强度等级>c60、c60~c35和<c30混凝土的机制砂石粉含量的限值,可突破现行国家标准的规定,分别放宽到5%、7%~10%和10%~15%并不影响机制砂混凝土的高性能与耐久性,可供相关标准、规范的修订借鉴。
  (3)提出了高石粉含量机制砂应用技术,研究了高石粉含量机制砂混凝土配合比设计方法,提出了水粉比、水胶比、合理砂率、用水量、外加剂掺量等配合比参数选取原则。
  (4)编制了《机制砂在混凝土应用技术指南》,为机制砂的生产及应用提供了技术支撑。研究成果成功应用于湖北沪蓉西高速公路桥梁工程,取得了显著的社会经济效益,推广应用前景广阔。

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