機(jī)制砂在預(yù)制梁混凝土中的應(yīng)用研究

石會星

文章從外觀和巖性方面對比了天然砂和機(jī)制砂各自的特點(diǎn)，分析了機(jī)制砂混凝土的耐久性能及石粉作用原理，并以廣西賀巴高速公路（都巴段）工程為例，通過混凝土抗壓度試驗，證明了機(jī)制砂應(yīng)用于預(yù)制梁混凝土施工所具有的優(yōu)良性能。

機(jī)制砂;混凝土;施工;研究

U416.216-A-11-033-3

0?引言

相對于天然砂而言，機(jī)制砂通常具有統(tǒng)一的巖性，通過科學(xué)、合理的制砂過程，使機(jī)制砂能夠滿足不同混凝土工程的施工需要，提高了混凝土的抗壓度和工程施工效率。為詳細(xì)分析機(jī)制砂在預(yù)制梁混凝土中的應(yīng)用效果，應(yīng)首先了解機(jī)制砂和天然砂的特性，包括外觀和巖性方面的差異，還應(yīng)分析機(jī)制砂的制備流程，如礦山的選取等。為進(jìn)一步驗證機(jī)制砂在預(yù)制梁混凝土施工中對于抗壓度的影響程度，本文結(jié)合實際工程案例進(jìn)行討論，研究內(nèi)容具有一定的推廣意義[1]。

1?天然砂與機(jī)制砂特點(diǎn)對比分析

1.1?外觀對比

從外觀顏色上來看，由同一母巖加工而成的機(jī)制砂顏色多數(shù)統(tǒng)一，且顏色隨母巖的不同而不同，例如石灰?guī)r加工出的機(jī)制砂呈現(xiàn)灰白色。而天然砂成分一般較復(fù)雜，由不同的巖石顆粒共同構(gòu)成，且多數(shù)天然砂含有大量的泥粉，因此，天然砂外觀一般呈黃色。

從外觀形狀上來看，機(jī)制砂多呈尖銳狀，如棱角形等不規(guī)則形狀，這是因為機(jī)制砂是母巖經(jīng)機(jī)械碾碎而成的，機(jī)制砂外形十分不對稱，而天然砂外形多數(shù)較為均勻[2]。

1.2?巖性對比

機(jī)制砂母巖在地層中統(tǒng)一開采，其巖性較為統(tǒng)一，一般無其他混雜的石料。而天然砂則是經(jīng)過長期的風(fēng)化或地質(zhì)構(gòu)造而形成，并經(jīng)常伴有河水的沖刷、侵蝕，因此，天然砂的巖性具有多樣化的特點(diǎn)，相對于機(jī)制砂其成分要復(fù)雜很多，包括不利于建筑施工的成分[3]。天然砂與機(jī)制砂的特點(diǎn)對比分析如下頁表1所示。

2?機(jī)制砂混凝土特性研究

2.1?機(jī)制砂制備流程

機(jī)制砂的生產(chǎn)主要有兩種方法：（1）巖石反擊式破碎;（2）巖石沖擊式破碎。第一種方法所制備的機(jī)制砂外觀多呈棱角狀，但其級配符合施工標(biāo)準(zhǔn)。第二種方法則與第一種相反，其顆粒狀很好，棱角較少，但級配較差。

以顎式（沖擊式）破碎機(jī)為例，具有如下幾方面特點(diǎn)：

（1）機(jī)械構(gòu)造獨(dú)特、運(yùn)轉(zhuǎn)平衡、低功耗、高效率;

（2）設(shè)備體積小、重量輕;

（3）安裝、操作、維護(hù)簡便;

（4）產(chǎn)品質(zhì)量好、堆積密度大。

顎式破碎機(jī)屬于碎石工廠加工流程的一個環(huán)節(jié)，為滿足不同顆粒度機(jī)制砂的工程需要，碎石工廠還配備有其他相關(guān)設(shè)備，如喂料機(jī)、振動篩、反擊破碎機(jī)和制砂機(jī)等。碎石工廠的機(jī)制砂加工流程如圖1所示。

2.2?機(jī)制砂混凝土耐久性

為滿足一些高標(biāo)準(zhǔn)工程施工中混凝土性能的特殊要求，應(yīng)嚴(yán)格控制砂石的質(zhì)量，例如其骨料應(yīng)具備一定的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，且級配和顆粒度也應(yīng)滿足工程需要。研究表明，在機(jī)制砂中添加一定量的石粉，能夠提高混凝土的耐久性能（密實度、抗凍級別、離子滲透性等）[4]。

2.3?石粉作用原理

石粉的含量對機(jī)制砂最終的性能具有直接的影響，即石粉具有一定的填充活性，對混凝土的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有一定的影響。添加一定劑量的石粉，能夠增加混凝土中的水泥漿體含量，減小混凝土孔隙并增加混凝土密度，且在石粉、水泥、機(jī)制砂攪拌和振搗過程中，拌和物中的孔隙被逐步填滿，其中石粉的作用尤為突出，最終使混凝土達(dá)到最佳的堆積狀態(tài)，進(jìn)而提高了混凝土的工程性能[5]。

3?工程案例應(yīng)用研究

3.1?工程概況

賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）位于巴馬縣，以巖溶峰叢洼地地貌和剝蝕侵蝕低山丘陵地貌為主，巖溶峰叢谷地地貌、河流階地地貌呈條帶狀穿插其中。剝蝕侵蝕低山丘陵地貌主要出現(xiàn)在巴馬縣南部的大部分區(qū)域。山體寬大，連綿起伏，巖石豐富。都巴高速公路五分部全長25.34 km，橋梁共計16座，其中中橋4座、大橋10座、互通匝道橋1座、跨線橋1座。所有橋梁上構(gòu)均為預(yù)制箱梁，形式分別為：20 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁;30 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁;40 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁。其中20 m箱梁217片、30 m箱梁548片、40 m箱梁124片，共計889片。為準(zhǔn)確獲得機(jī)制砂在都巴高速公路預(yù)制梁混凝土施工中的應(yīng)用效果，擬采用C50箱梁混凝土來開展C50混凝土試驗，以此為后續(xù)廣西境內(nèi)的同類混凝土工程提供項目經(jīng)驗。

3.2?礦山選取與機(jī)制砂生產(chǎn)

礦山在選取過程中應(yīng)充分考慮機(jī)制砂母巖的優(yōu)劣及開采成本因素，在開采前對礦山進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研和勘測，分析勘測數(shù)據(jù)報告，優(yōu)選附近居民少、離施工現(xiàn)場近以及母巖成分好的礦山。在分析母巖性質(zhì)時，對于厚覆蓋層的母巖或是片狀、風(fēng)化狀的母巖應(yīng)予以排除。工程前期開采項目部經(jīng)過詳細(xì)勘測和分析后，確定使用本段設(shè)吉石場作為機(jī)制砂制備的母巖礦山，距離機(jī)制砂加工現(xiàn)場僅0.3 km，此處地域空曠、人跡罕至，既節(jié)省了運(yùn)輸成本，又保障了開采和制砂工作的安全。經(jīng)過進(jìn)一步取樣勘測后可知，該處巖體尚未發(fā)現(xiàn)可能的堿集料活性，巖體抗壓度>90 MPa，各項參數(shù)指標(biāo)均符合現(xiàn)場的施工需求。在確定了開采礦山之后應(yīng)及時設(shè)置隔離區(qū)，使用機(jī)械化設(shè)備清除巖體表面的覆蓋層以及軟弱風(fēng)化層，依據(jù)方案嚴(yán)格進(jìn)行開采[6]。

將開采出的石塊經(jīng)過傳輸帶送至制砂機(jī)，由不同類型的破碎機(jī)生產(chǎn)出各種規(guī)格的機(jī)制砂。通常情況下粗砂使用沖擊式破碎機(jī)來生產(chǎn)，細(xì)砂則使用反擊式破碎機(jī)來生產(chǎn)。應(yīng)注意的問題是，由于全過程為機(jī)械化制砂，所涉及的機(jī)械制砂設(shè)備會有不同程度的磨損，因此，應(yīng)適時進(jìn)行制砂設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)工作，及時更換已磨損的零部件，使制砂設(shè)備處于最佳的運(yùn)行工況，提高制砂過程的質(zhì)量和效率。另外，進(jìn)入制砂機(jī)的石塊顆粒度應(yīng)在20 mm左右，可通過調(diào)節(jié)振動篩孔尺寸及角度來完成。

3.3?混凝土抗壓度試驗

在進(jìn)行混凝土抗壓度試驗之前，對機(jī)制砂混凝土進(jìn)行拌制，使用DC05-026加強(qiáng)型混凝攪拌機(jī)、DC05-028型坍落筒、DC05-040型電子秤和DC05-050型電子天平，坍落度設(shè)定為200～230 mm，混凝土拌和體積為30 L，該當(dāng)量的機(jī)制砂混凝土配比數(shù)據(jù)如表2所示。

拌制工序完成后進(jìn)行人工成型工序。每次將70 mm的混凝土放置于模具中，倒入水均勻拌和，按從邊緣到中心的螺旋式方向進(jìn)行搗固，充分?jǐn)嚢璧讓拥幕炷?，使整個模具中的混凝土攪拌均勻。然后進(jìn)行混凝土的養(yǎng)護(hù)，當(dāng)模具中的混凝土成型后，將浸濕的土工布覆蓋到混凝土的表面，然后靜置1～2 d，注意環(huán)境溫度應(yīng)控制在15 ℃～20 ℃，相對濕度>50%，拆模后將試塊進(jìn)行編號，并再次將試塊放到20 ℃左右的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，注意此時的濕度應(yīng)>95%，全過程嚴(yán)防劇烈撞擊。將各樣本制成6個邊長為150 mm的立方體置于養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，而后進(jìn)行1～4周的抗壓度試驗。

3.4?試驗結(jié)果分析

機(jī)制砂混凝土1周抗壓度試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

機(jī)制砂混凝土4周抗壓度試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

由表3、表4中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)用水量和減水劑不變時，水膠比的變小會引起混凝土抗壓度增大，而且混凝土固化的速度也非常快，樣本B和樣本C經(jīng)過1周的時間便可達(dá)到指標(biāo)規(guī)范要求的59.9 MPa，同時，A、B、C三種樣本4周的抗壓度均符合技術(shù)指標(biāo)要求。

定義為混凝土抗壓度的變化率，當(dāng)水膠比增加時，求出1周時間的抗壓度變化率：

1=（61.9-58.3）/58.3=0.062

2=（62.7-61.9）/61.9=0.013

同樣，求出4周時間的抗壓度變化率：

1=（66.6-63.7）/63.7=0.046

2=（68.7-66.6）/66.6=0.032

由上式可知，水膠比的減小使得C50機(jī)制砂混凝土的抗壓度增加，但對比1周和4周時混凝土抗壓度的變化率可知，均呈減小趨勢。由試驗數(shù)據(jù)可以判定，水膠比的減小使C50機(jī)制砂混凝土的抗壓度值增加逐漸趨于平緩，直至最終停止，因此，機(jī)制砂對于預(yù)制梁混凝土的固化起到了積極的促進(jìn)作用。

4?結(jié)語

由于機(jī)制砂具有良好的工程特性，因此在目前國內(nèi)混凝土預(yù)制件施工中的使用較為常見。機(jī)制砂應(yīng)用于混凝土預(yù)制件的施工，提高了混凝土的抗壓度，對于工程整體的施工效率而言也具有一定意義。本文以實際的預(yù)制梁混凝土工程為例，通過混凝土抗壓度試驗來證明機(jī)制砂在預(yù)制件混凝土施工中的具體性能。試驗結(jié)果表明，機(jī)制砂對于提高預(yù)制件混凝土的抗壓度效果明顯，能夠滿足國內(nèi)多數(shù)同類型工程施工的需要。

[1]王稷良. 機(jī)制砂對高強(qiáng)混凝土體積穩(wěn)定性的影響[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2007（10）：18-24.

[2]李興貴. 高石粉含量的人工砂在混凝土中的應(yīng)用研究[J]. 建筑材料學(xué)報，2004（3）：66-71.

[3]范?晴.云南部分地區(qū)機(jī)制砂混凝土性能研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué)，2010.

[4]徐大禎. 高性能機(jī)制砂混凝土耐久性的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[5]余?川. 機(jī)制砂在巴南高速公路中的應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[6]成?立，黃緒泉，王小萍. C50機(jī)制砂高性能混凝土在構(gòu)皮灘烏江大橋中的應(yīng)用[J]. 混凝土，2007（1）：55-58.