高速公路工程中機制砂高性能混凝土的應(yīng)用

陳建榮

文章對機制砂高性能混凝土在廣西松旺至鐵山港東岸公路中的應(yīng)用及施工質(zhì)量控制措施進行探討。結(jié)果表明，機制砂高性能混凝土具有良好的耐久性以及強度、密實度、抗?jié)B性、抗碳化性等力學(xué)性能。但是，機制砂高性能混凝土施工工序繁瑣，對原材料和摻合料要求較高，應(yīng)從原材料、配料、配合比、摻合料、拌合等方面嚴格把關(guān)，確保工程施工質(zhì)量。

高速公路;機制砂高性能混凝土;質(zhì)量控制

0?引言

隨著我國高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷增大，對混凝土等建筑材料的使用量逐年增大，但天然砂等建筑材料資源分布不均勻而且在短期內(nèi)再生難度大，尤其是中西部地區(qū)，天然砂幾近枯竭，所以研究機制砂代替天然砂在高性能混凝土中的應(yīng)用意義重大。國外對機制砂的研究起步較早，而且已經(jīng)將機制砂列入國家標準[1]，反觀國內(nèi)，對機制砂的研究仍處于起步階段。雖然機制砂已經(jīng)在三峽工程、小浪底等工程中有所應(yīng)用并取得了寶貴的工程經(jīng)驗，但對機制砂高性能混凝土的理論研究仍停留在力學(xué)性能層面。基于此背景，本文對機制砂高性能混凝土在廣西松旺至鐵山港東岸公路中的應(yīng)用及施工質(zhì)量控制進行深入探討，研究結(jié)果可為類似工程提供一定的指導(dǎo)。

1?工程概況

廣西松旺至鐵山港東岸公路屬于《2010—2020廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中梅溪至鐵山港高速公路的重要支線，在廣西玉林博白縣和北海合浦縣交界處，起點位于博白縣松旺鎮(zhèn)西南位置，連接玉林至鐵山港高速公路后，與合浦至山口高速公路對接。該公路路線范圍內(nèi)地勢呈南低北高態(tài)勢，地貌單元主要包括剝蝕丘陵、剝蝕殘丘準平原和河流堆積階地地貌三種類型。工程區(qū)海拔在30～100 m之間，局部區(qū)域海拔>150 m，自然坡度為20°～45°，第四系黏土、淤泥質(zhì)黏土覆蓋層厚度較大，砂巖、粉砂巖和頁巖等下覆基巖發(fā)育，地表積水嚴重，地形起伏大，巖土組合邊坡穩(wěn)定性良好。

2?機制砂高性能混凝土在高速公路工程中的應(yīng)用

2.1?配合比設(shè)計

高性能混凝土工作性能良好，具有較好的力學(xué)性、耐久性及體積穩(wěn)定性。為提高材料的滲透性，在高性能混凝土配置的過程中必須減少水的使用量;為保證混凝土結(jié)構(gòu)的體積穩(wěn)定，還應(yīng)控制水泥用量;為了優(yōu)化顆粒級配，增強密實度，保證混凝土結(jié)構(gòu)堆積密度增大，應(yīng)采用活性摻和料和高效減水劑雙摻做法，并減少水量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)耐久性。機制砂中包含石粉，所以在水泥與減水劑用量既定時，為保證機制砂塌落度符合設(shè)計要求，其用水量必須要高出天然砂混凝土用水量?？傊?，機制砂高性能混凝土配比所需的減水劑摻和量比天然砂混凝土略多，由于機制砂比天然砂略粗糙，所以還應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃笊奥蔥2]。

（1）水膠比

在水泥強度fce（52.5 MPa）、粗骨料、C50混凝土配置強度fcu，0（59.9 MPa）既定的情況下，水膠比主要根據(jù)混凝土強度公式加以確定，如式（1）所示：

WC=Afcefcu，0+A·B·fce=0.46×52.559.9+0.46×0.07×52.5=0.39（1）

由于《混凝土強度耐久性設(shè)計規(guī)范》（GB/T50476-2008）所規(guī)定的耐久性C50混凝土水膠比≤0.36，所以，將廣西松旺至鐵山港東岸公路機制砂高性能混凝土的水膠比暫定為0.36。根據(jù)實踐經(jīng)驗，強度等級C50混凝土漿體的體積≤35%，漿體體積過小將不利于拌合物性能的發(fā)揮，而漿體體積過大必將影響結(jié)構(gòu)收縮徐變，不利于體積穩(wěn)定性。為此，將廣西松旺至鐵山港東岸公路工程中的機制砂高性能混凝土漿體體積比控制在25%～30%之間。

（2）用水量

由混凝土耐久性設(shè)計標準和相關(guān)理論可知，耐久性C50機制砂高性能混凝土膠凝材料使用量≤480 kg/m3。考慮到本工程實際情況，將其膠凝材料用量暫定為450 kg/m3，根據(jù)本文初步確定的機制砂高性能混凝土水膠比，其用水量暫定為450 kg/m3×0.36=162 kg/m3。

（3）砂率

混凝土砂率增大，則骨料表面積和孔隙率必將增加，如果泥漿含量不變，則混凝土流動性必將減小。反之，混凝土砂率較小，則骨料之間的砂漿層便難以保證，也會降低混凝土的流動性。所以砂率必須保持在合理的范圍內(nèi)。通過對天然砂和機制砂適配試驗可知，機制砂高性能混凝土砂率的最佳值為39%，天然砂混凝土砂率應(yīng)為35%。這種情況下混凝土塌落度達到最大值，分別為180 mm和200 mm。砂率對耐久性C50機制砂高性能混凝土性能及強度的影響結(jié)果見表1。

由表1試驗結(jié)果可知，砂率為39%時，C50機制砂高性能混凝土性能良好。所以在水膠比小、水用量少、黏度大的情況下，為提升混凝土性能，應(yīng)盡可能選擇偏低的砂率[3]。

（4）配合比設(shè)計

根據(jù)上述分析可以確定，機制砂高性能混凝土的砂率和減水劑摻和量略高于天然砂，機制砂砂率和減水劑摻量分別為40%和1.2%。而且為了達到相關(guān)設(shè)計要求，氯離子與堿含量必須嚴格控制，并考慮通過添加硅粉、細礦砂和粉煤灰以提升混凝土性能。減水劑用量主要根據(jù)對減水劑與膠凝材料相容性的試驗結(jié)果予以確定，其余材料用量則可根據(jù)上述材料用量結(jié)合體積法求得。最終確定的廣西松旺至鐵山港東岸公路機制砂高性能混凝土配合比為水泥225 kg/m3、粉煤灰68 kg/m3、礦粉162 kg/m3、砂721 kg/m3、石1 076 kg/m3、水量162 kg/m3、減水劑5.6 kg/m3;而天然砂高性能混凝土配合比為水泥225 kg/m3、粉煤灰68 kg/m3、砂645 kg/m3、石1 143 kg/m3、水量162 kg/m3、減水劑4.5 kg/m3。

2.2?機制砂高性能混凝土施工質(zhì)量控制

2.2.1?施工工藝要求

廣西松旺至鐵山港東岸公路工程混凝土施工必須從混凝土的密實度、體積的穩(wěn)定性、均質(zhì)性等方面加強質(zhì)量控制。具體包括：（1）嚴格控制水膠比，加強對機制砂高性能混凝土水化熱的控制，防止混凝土內(nèi)外溫差超過設(shè)計規(guī)范;（2）因機制砂中所含石粉會產(chǎn)生較強的吸附高效減水劑的不利作用，所以應(yīng)嚴格按照預(yù)設(shè)步驟，盡可能防止減水劑投入拌合機后因被吸附而喪失性能。此外，應(yīng)加強對施工操作人員的培訓(xùn)管理，確保公路工程混凝土施工作業(yè)安全高效進行。

2.2.2?機制砂高性能混凝土的強度

混凝土強度是高速公路工程施工和質(zhì)量控制的重要依據(jù)。對不同齡期機制砂高性能混凝土強度進行分析可知，機制砂高性能混凝土的強度在任何時期都高于天然砂高性能混凝土，其在28 d的抗壓強度為天然砂的103%，究其原因主要是機制砂混凝土表面粗糙，能與水泥石更加密切地粘結(jié)，表面孔隙率降低，強度提升。

2.2.3?機制砂高性能混凝土的收縮變形

機制砂高性能混凝土在非荷載作用下也會因自收縮、干燥收縮、塑性收縮、碳化收縮和溫度收縮而產(chǎn)生裂縫。通過收縮試驗可知，與天然砂混凝土相比，機制砂混凝土早期收縮大，后期兩者的收縮值逐漸接近。這主要是因為機制砂所含有的石粉會加劇水泥水化過程，并產(chǎn)生水化碳鋁酸鹽，加劇機制砂混凝土早期的自收縮。此外機制砂混凝土中所摻加的減水劑也起到了加劇其收縮變形的作用。廣西松旺至鐵山港東岸公路工程機制砂石粉含量僅為3.6%，對高性能混凝土自收縮不會產(chǎn)生很大影響。

2.2.4?機制砂高性能混凝土的抗?jié)B性

高性能混凝土水膠比小，同時又有粉煤灰和礦渣等礦物摻和料的摻入，有效改善了混凝土結(jié)構(gòu)的孔徑分布及幾何形狀，水化過程中所生成的凝膠堵塞了滲透通路，提升了混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性。抗?jié)B性是衡量混凝土結(jié)構(gòu)抵抗壓力、水滲透及耐久性的重要指標。廣西松旺至鐵山港東岸公路工程機制砂高性能混凝土透水高度為23 mm，高于抗?jié)B性試驗19 mm的標準，抗?jié)B性能良好，密實度較高。

2.2.5?機制砂高性能混凝土的抗碳化性

水泥水化后將生成堿性物質(zhì)，所以混凝土孔隙溶液也呈堿性，對鋼筋表面能起到保護作用，但是，這種堿性物質(zhì)會因接觸空氣中的CO2而使堿度降低，引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)的收縮、開裂和鋼筋銹蝕，即產(chǎn)生碳化反應(yīng)。而機制砂提升了高性能混凝土的抗?jié)B性及密實度，外界空氣中的CO2很難滲入混凝土結(jié)構(gòu)中，使混凝土抗碳化能力大大增強。

3?結(jié)語

本文通過研究機制砂高性能混凝土在廣西松旺至鐵山港東岸公路工程中的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：（1）機制砂表面粗糙，能與水泥更緊密地粘結(jié)，所配制出的高性能混凝土具有較高的抗壓強度;（2）機制砂中摻加了石粉，能推動水泥水化過程，雖會加劇機制砂高性能混凝土的早期收縮，引發(fā)裂縫產(chǎn)生，但后期這種作用會逐漸消失;（3）機制砂高性能混凝土密實度高，透水高度可達23 mm，抗?jié)B性強，所以空氣中的CO2滲入困難，其抗碳化能力增強。隨著我國高速公路建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，通車量及車輛荷載不斷提高，這對用于鋪路的混凝土結(jié)構(gòu)本身的性能提出了更高要求，機制砂高性能混凝土必將在高速公路工程建設(shè)中扮演更加重要的角色。機制砂高性能混凝土施工工序繁瑣，就配置而言，從原材料、配料、配合比、摻和料、拌合等方面都須嚴格把關(guān)。在具體工程中，必須因地制宜，加強科學(xué)管理與規(guī)范化操作，以確保高速公路工程中機制砂高性能混凝土的成功應(yīng)用。

[1]張俊峰.提高機制砂清水混凝土的施工質(zhì)量[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2019（2）：207-208.

[2]劉桂賓，于?琦，劉宗祥，等.利用機制砂制備輕骨料混凝土試驗研究[J].青島理工大學(xué)學(xué)報，2019，40（1）：138-144.

[3]楊大田，陳富強.機制砂水泥混凝土路面在廣西二級公路中的應(yīng)用[J].筑路機械與施工機械化，2018，35（12）：103-107.