混合砂混凝土的性能及其在橋梁工程中的應(yīng)用綜述

張?zhí)m芳，劉大超，黃維蓉

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

0 前言

眾所周知，混凝土原材料豐富易得，價(jià)格低廉、性能優(yōu)良，是建設(shè)公路橋梁的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代土木建筑技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。細(xì)集料是配制混凝土的基本原材料之一，一般占混凝土體積的30%左右，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)混凝土拌合物的工作性和硬化混凝土的物理力學(xué)性能、耐久性均有重要的影響。目前，國(guó)內(nèi)外常用天然中、粗砂作細(xì)集料配制混凝土，但從我國(guó)實(shí)際出發(fā)，天然砂資源分布極不平衡，且資源十分匱乏，如重慶、寧夏、河南、四川、內(nèi)蒙古等廣大地區(qū)缺少優(yōu)質(zhì)天然中粗砂，甚至出現(xiàn)無(wú)砂可采的狀況，這使得砂的價(jià)格越來越高，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸增加了中砂的成本，使得混凝土用砂供需矛盾日益突出，并經(jīng)常出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象，影響了工程的建設(shè)進(jìn)度，因而使用機(jī)制砂替代天然砂配制混凝土勢(shì)在必行。

1 復(fù)合砂對(duì)混凝土性能的影響

1.1 復(fù)合砂混凝土的工作性

國(guó)外的有關(guān)研究表明，機(jī)制砂部分取代河砂在沒有外加劑時(shí)，混合砂混凝土的工作性變差；隨高效外加劑摻量的增加，混合砂混凝土工作性逐步改善；黃洪勝[1]對(duì)混合砂（機(jī)制砂與重慶特細(xì)砂）拌制混凝土的工作性進(jìn)行了研究表明，摻入一定量的摻合料和外加劑，可配制強(qiáng)度等級(jí)為C30、C40、C50 的混凝土，混凝土的坍落度都在200mm 以上，擴(kuò)展性較好，能滿足混凝土泵送要求；余良君[2]的研究表明，在相同配合比、相同水灰比條件下，用特細(xì)砂和人工機(jī)制砂按照一定的比例復(fù)合后配制的混凝土坍落度及坍落度損失和中砂混凝土基本接近，且混凝土的保水性、粘聚性良好，有利于其澆注成形；覃光焱，劉大超[3]用60%機(jī)制砂+40%特細(xì)砂配制的混凝土和天然中砂的工作性進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混合砂混凝土的工作性好，初始坍落度、擴(kuò)展度均較大，坍落度損失小，適合于配制大流動(dòng)度的泵送清水混凝土；高楚文[4]等的研究得出，用45%機(jī)制砂+55%特細(xì)砂的混合砂配制的混凝土拌合物，初始坍落度與初始擴(kuò)展度大，流動(dòng)性、黏聚性和保水性好，而l h后坍落度損失也小，利于混凝土的長(zhǎng)距離運(yùn)輸和泵送施工。

由北方設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)、云南省第八建筑工程公司承建的金碧陽(yáng)光工程，采用山砂和機(jī)制砂復(fù)合配制混凝土，混凝土的坍落度在20～24cm, 擴(kuò)展度50～60cm, 經(jīng)過50min 運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，混凝土入泵坍落度在18～22cm, 擴(kuò)展度45～60cm, 滿足施工方案制定的坍落度為( 20±3) cm 的要求[5]。

表1 混合砂混凝土和簡(jiǎn)陽(yáng)中砂混凝土28d 各強(qiáng)度比較

1.2 混合砂混凝土的力學(xué)性能

大多數(shù)研究認(rèn)為用機(jī)制砂配制的混凝土比河砂配制出的混凝土強(qiáng)度略高。D.S.PrakashRa 等人用含有石粉的機(jī)制砂分別制作了長(zhǎng)1350mm、寬120mm、高150mm 的素混凝土梁和鋼筋混凝土梁，并與河砂混凝土梁作對(duì)比，結(jié)果表明:在素混凝土中，機(jī)制砂混凝土梁比河砂混凝土梁抗壓強(qiáng)度高17%、抗折強(qiáng)度高20%、劈裂抗拉強(qiáng)度高7%[6]；在涪江三橋的研究和應(yīng)用表明，混合砂混凝土和簡(jiǎn)陽(yáng)中砂混凝土的抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和靜壓彈性模量各項(xiàng)指標(biāo)比較，混合砂混凝土略高于簡(jiǎn)陽(yáng)中砂混凝土，兩者沒有太大差異，試驗(yàn)結(jié)果見表1[7]。另外，李美利[8]用20%、40%的機(jī)制砂代替部分河砂配制混凝土，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和斷裂能均比河砂混凝土的要高。而舒?zhèn)髦t[9]的研究認(rèn)為，一旦機(jī)制砂石粉含量或砂率過高，由于降低混凝土的強(qiáng)度，削弱骨料的骨架作用，也可能降低彈性模量。

筆者走訪了重慶市大量的混合砂混凝土工程，如重慶合川市的涪江三橋、重慶漁洞長(zhǎng)江大橋、重慶嘉華嘉陵江長(zhǎng)江大橋工程、重慶渝奧大橋、石板坡長(zhǎng)江大橋等。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂和特細(xì)砂按適當(dāng)比例混合配制的混凝土力學(xué)性能高于或和中砂混凝土相當(dāng)，符合結(jié)構(gòu)承載力的基本要求。實(shí)踐表明，混合砂混凝土用于橋梁、立交橋等工程中，混凝土實(shí)際強(qiáng)度都大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，工程質(zhì)量?jī)?yōu)良，并降低了工程造價(jià)，具有重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。

表2 重慶市已建橋梁、隧道工程混合砂混凝土的應(yīng)用情況調(diào)查表

1.3 混合砂耐久性能

通常，機(jī)制砂配制的混凝土耐久性與石粉的含量有關(guān)。采用高石粉含量機(jī)制砂拌制的混凝土，抗?jié)B性能會(huì)有所提高，機(jī)制砂中的石粉較好的顆粒形狀和級(jí)配會(huì)使機(jī)制砂的堆積密度提高，較好的顆粒堆積會(huì)減少水泥水化后形成的孔隙，從而提高混凝土的抗?jié)B性，且石粉越多，被阻斷的透水通道也就越多，越能改善混凝土的抗?jié)B性能[10-11]；相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，混合砂混凝土的抗?jié)B透能力優(yōu)于天然砂混凝土[4]；對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混合砂混凝土和中砂配制的混凝土的抗?jié)B性結(jié)果表明，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加，混合砂混凝土的抗?jié)B性、抗氯離子滲透性逐漸變好[1]。

對(duì)混合砂混凝土的耐硫酸鹽侵蝕性進(jìn)行的研究表明，混合砂混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能比天然中砂的更好。這是因?yàn)榛炷潦芨g損壞的速率取決于混凝土的滲透性。通過掃描電鏡觀察到，混合砂混凝土的密實(shí)度高、孔隙率小、含有的大孔和連通性良好的毛細(xì)孔少，滲透性低，不利于SO2-4離子擴(kuò)散滲透進(jìn)混凝土內(nèi)，因而耐硫酸鹽腐蝕能力得到有效改善[11]。

相關(guān)研究表明，在配合比相同的情況下，混合砂混凝土比天然中砂混凝土具有更好的抗凍性[11-12]。但張桂梅等人研究石粉對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)混凝土影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)石粉對(duì)混凝土抗凍性不利，隨石粉含量增加，混凝土抗凍性下降[13]；而曹盛明認(rèn)為，石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土的抗凍性影響較小，可通過摻加摻合料改善機(jī)制砂混凝土的抗凍性，混合砂混凝土中只要控制好石粉含量及機(jī)制砂和特細(xì)砂的比例，再輔以一定量的礦物摻合料和外加劑，其它性能如抗碳化性能、鋼筋銹蝕性能、混凝土與鋼筋的握裹性能等都與中砂混凝土的相同或不低于中砂混凝土[14]。

通過大量的調(diào)查研究可知，機(jī)制砂與水泥漿體界面的結(jié)合良好，機(jī)制砂中的石粉填充了混凝土中的孔隙，提高了混凝土的密實(shí)性，因此，當(dāng)石粉含量、機(jī)制砂與天然細(xì)砂比例適當(dāng)時(shí)，混合砂配制的混凝土抗?jié)B性、抗凍性、耐化學(xué)侵蝕性大多都優(yōu)于中砂混凝土。

2 復(fù)合砂混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用

貴州壩陵河特大橋是國(guó)家重點(diǎn)公路建設(shè)項(xiàng)目滬瑞國(guó)道主干線貴州鎮(zhèn)寧至勝境關(guān)高速公路跨越壩陵河大峽谷的一座特大橋，橋長(zhǎng)1564m、主跨1088m，東索塔高188.683m，采用機(jī)制砂配制C50 混凝土，完全滿足工程高程高溫條件下泵送施工的需要。

重慶石板坡長(zhǎng)江大橋加寬改造工程中采用了強(qiáng)度等級(jí)為C60 的混合砂混凝土，其中采用了含粉量4.8%、細(xì)度模數(shù)為3.87 的機(jī)制砂和含泥量0.84%、細(xì)度模數(shù)為1.20 的合川渠河砂。混凝土配以一定量的磨細(xì)礦渣粉和泵送劑，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良，且不同抽樣部位混凝土的強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果表明，28d 抗壓強(qiáng)度均在70MPa 以上。

碚東嘉陵江大橋選用特細(xì)砂與機(jī)制砂混合配制高性能泵送混凝土。箱梁混凝土采用C55，混凝土除滿足強(qiáng)度、和易性要求，還具有很好的流動(dòng)性，能保證工程順利施工，且每方混凝土細(xì)集料節(jié)約43 元左右，為工程節(jié)約造價(jià)。

重慶嘉華嘉陵江長(zhǎng)江大橋工程華村立交采用細(xì)度模數(shù)為2.3 的混合砂，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C50，其中采用了S95 磨細(xì)礦渣粉、 KS-JS60 泵送劑和GNA 混凝土膨脹劑（8%），28d抗壓強(qiáng)度平均達(dá)到65MP 以上，28d 彈性模量為4.24×104MPa，混凝土拌合物的和易性優(yōu)良，凝結(jié)時(shí)間滿足施工要求，工程效果良好。

嘉陵江復(fù)線橋主橋箱梁配制C50 混合砂高性能混凝土采取摻高效減水劑和超細(xì)礦物質(zhì)摻合料的雙摻技術(shù)措施，通過配合比優(yōu)化試驗(yàn)，配制成符合設(shè)計(jì)及施工技術(shù)要求的大流動(dòng)性、緩凝、早強(qiáng)、高強(qiáng)、泵送的高性能混凝土；為工程建立了完整的質(zhì)量保證體系和監(jiān)控體系，在重慶首次全橋采用機(jī)制砂配制高性能混凝土獲得成功，給復(fù)線橋建設(shè)帶來了直接經(jīng)濟(jì)效益，并給以后推廣帶來更為可觀的社會(huì)效益。

表2 是重慶市其他橋梁、隧道工程用混合砂混凝土的應(yīng)用情況，可供相關(guān)施工企業(yè)或單位借鑒與參考。

3 結(jié)論

（1）采用級(jí)配與技術(shù)性能良好的機(jī)制砂和特細(xì)砂，能配出工作性、力學(xué)性能及耐久性和中砂混凝土相當(dāng)?shù)幕旌仙盎炷粒一旌仙盎炷恋氖湛s變化規(guī)律與中砂混凝土相同，只要嚴(yán)格控制特細(xì)砂的細(xì)度模數(shù)及二者的摻配比例，混合砂混凝土的收縮完全可降低至中砂混凝土的收縮水平。

（2）大量的工程實(shí)例表明，采用混合砂混凝土可節(jié)約工程成本、保護(hù)環(huán)境，對(duì)解決日益缺少的天然砂資源具有重要意義。本文所提供的大型橋梁工程實(shí)例為混合砂混凝土的推廣應(yīng)用提供參考和借鑒。

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