機制砂混凝土的研究與應(yīng)用

機制砂混凝土的研究與應(yīng)用

國家重點工程北緣黃河工程位于山東省東平川和東平川。項目全長7.87公里，總投資6.1億元。穿黃河工程混凝土用量共計15.6萬m3,砂用量約6.5萬m3,工程所在地天然砂主要來自大汶河,近年來由于基本建設(shè)項目多,用砂量大,大汶河河砂已全面禁采,從外地購買天然砂價格高,質(zhì)量控制難度大。由于該工程混凝土用量大、質(zhì)量要求高,項目建管單位和施工單位在充分考察論證的基礎(chǔ)上,借鑒國內(nèi)一些大型工程經(jīng)驗,決定采用機制砂混凝土。工程實施中,結(jié)合“十一五”國家科技支撐計劃項目“大型渠道設(shè)計與施工技術(shù)研究”,與南京水科院等國家級研究機構(gòu)進行合作研究,優(yōu)化混凝土配合比,制備出了符合工程技術(shù)要求的高性能混凝土。經(jīng)對比分析,不僅部分技術(shù)指標優(yōu)于天然砂混凝土,而且質(zhì)量穩(wěn)定、價格較低,既滿足了工程需要,又節(jié)約了工程投資。1砂機制制備1.1南棗園及張夏園石料場上海市政工程建設(shè)規(guī)范《機制砂在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08-506-2002)規(guī)定,用作加工機制砂的母巖,抗壓強度應(yīng)符合《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685-2001)的規(guī)定,即飽和抗壓強度火成巖不應(yīng)小于80MPa,變質(zhì)巖不應(yīng)小于60MPa,水成巖不應(yīng)小于30MPa。穿黃河工程區(qū)附近有兩個石料場,富含張夏組厚層灰?guī)r,其中南棗園石料場平均開采厚度為20.3m,儲量約133萬m3;鳳凰嶺石料場平均開采厚度為13.8m,儲量約83萬m3,儲量充足。張夏組不同類別灰?guī)r采取巖樣進行物理力學(xué)性質(zhì)試驗,南棗園石料場各類灰?guī)r飽和抗壓強度66～87MPa,軟化系數(shù)0.64～0.88;鳳凰嶺石料場張夏組各類灰?guī)r飽和抗壓強度80～101MPa,軟化系數(shù)0.83～0.93,滿足作為加工機制砂母巖的技術(shù)要求。1.2砂機制生產(chǎn)工藝(1)收塵水處理工藝機制砂生產(chǎn)根據(jù)分離石粉的方法不同,分為電動收塵和水洗兩種生產(chǎn)工藝。東線穿黃河工程選擇水洗法生產(chǎn)機制砂工藝,以充分利用工程基坑開挖降水井排水的棄水,既節(jié)約成本又保證了產(chǎn)品質(zhì)量。(2)砂石料場容量確定根據(jù)混凝土高峰澆筑量為70m3/h計算,按照“滿足生產(chǎn)、合理庫存”的原則,選用生產(chǎn)能力每小時40噸的機制砂生產(chǎn)設(shè)備流水線一條,砂石料場的容量按照原料碎石和成品砂各7000m3考慮,以滿足5～10d原料和成品儲存需要。(3)過程包括原材料檢驗→皮帶機自動上料→破碎機破碎→振動篩篩分→洗砂機水洗→成品砂驗收→入庫等。1.3主要技術(shù)指標綜合《機制砂在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08-506-2002)、《建筑用砂》(GB/T14684-2001)和《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144-2001),對機制砂技術(shù)要求主要有:機制砂應(yīng)質(zhì)地堅硬、清潔、級配良好,細度模數(shù)宜在2.4～2.8范圍內(nèi);飽和面干的含水率不宜超過6%;不應(yīng)含有草根、樹枝、塑料、煤塊、爐渣等雜物,有機物含量應(yīng)合格,硫化物及硫酸鹽含量應(yīng)小于0.5%(重量計);堅固性和堿活性檢驗指標滿足要求;表觀密度大于2500kg/m3,松散堆積密度大于1350kg/m3,空隙率小于47%。機制砂主要技術(shù)指標見表1、表2。需要指出的是,對于機制砂,根據(jù)亞甲藍試驗的MB值,可以判斷粒徑小于75μm顆粒主要是泥土還是與被加工母巖化學(xué)成分相同的石粉?！督ㄖ蒙啊?GB/T14684-2001)規(guī)定了亞甲藍試驗合格與不合格時,機制砂的石粉和泥塊允許含量。由于《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144-2001)規(guī)定機制砂中不能含有泥塊,所以在水利工程中使用機制砂建議按此規(guī)定執(zhí)行。機制砂中適量的石粉含量對混凝土是有利的。機制砂是破碎而成的,顆粒尖銳而有棱角,有利于提高骨料與水泥的結(jié)合力。石粉主要是40～75μm的細顆粒,其對于改善細骨料級配,提高混凝土密實性,增強保水性,進而提高混凝土的強度,改善混凝土的耐久性都有好處,所以《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144-2001)規(guī)定機制砂允許石粉含量比較高,為6%～18%。1.4試驗項目及方法機制砂應(yīng)根據(jù)原料產(chǎn)地按批檢驗與驗收,《機制砂在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08-506-2002)規(guī)定600t為一批,穿黃河工程中確定的檢驗頻次為每400t抽樣檢驗一次。常規(guī)檢驗項目顆粒級配、細度模數(shù)、松散堆積密度、石粉含量、泥塊含量、堅固性。型式檢驗項目有泥塊含量、有害物質(zhì)含量等。檢驗方法應(yīng)按照《建筑用砂》(GB/T14684-2001)等標準規(guī)定進行。1.5經(jīng)濟效益分析鑒于本工程所在大汶河?xùn)|平縣境內(nèi)河段河砂已全面禁采,從外地購買天然砂價格約為100元/m3,經(jīng)核算機制砂生產(chǎn)成本約為77元/m3,按工程用砂量6.5萬m3計算,僅用砂一項即可節(jié)約投資150萬元,而且由于石料開采方便、供應(yīng)穩(wěn)定,可以確保工程施工需要,節(jié)約工期,經(jīng)濟效益可觀。2混凝土的配合比設(shè)計2.1混凝土原料質(zhì)量檢測水泥:采用山水平陰水泥有限公司生產(chǎn)山水牌PO42.5級水泥,質(zhì)量符合GB175-2007標準要求。粉煤灰:采用山東電力集團公司石橫電廠生產(chǎn)的一級粉煤灰,經(jīng)監(jiān)測,質(zhì)量優(yōu)良。粗骨料:采用粒徑5～31.5mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石。經(jīng)檢測,各項指標均符合《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144-2001)要求。水:采用場內(nèi)生活用水拌合,經(jīng)檢測,符合質(zhì)量標準要求。外加劑:高效引氣減水劑采用山東水務(wù)混凝土外加劑有限公司產(chǎn)品,型號為HPC-GYJ。膨脹劑采用山東省華冠建材技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的JEA系列膨脹防水劑。經(jīng)檢測,外加劑各項指標符合國家現(xiàn)行標準。2.2主要參數(shù)方案結(jié)合穿黃河工程建設(shè)進行高性能混凝土配合比試驗研究,是山東省調(diào)水工程研究中心與南京水科院等單位聯(lián)合承擔的“十一五”國家科技支撐計劃項目“大型渠道設(shè)計與施工技術(shù)研究”的重要內(nèi)容之一。研究目的:參考建設(shè)部《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》(報批稿)要求,研究配制高性能混凝土。研究思路:摻加部分粉煤灰替代水泥,摻加膨脹劑、高效優(yōu)質(zhì)引氣減水劑;低水膠比、低用水量;優(yōu)化骨料級配,采用機制砂,優(yōu)化機制砂率。耐久性技術(shù)指標:結(jié)合穿黃河工程具體情況,參考建設(shè)部《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》(報批稿)規(guī)定,確定本工程為硫酸鹽侵蝕環(huán)境(環(huán)境作用等級為Ⅴ-C級)和凍融環(huán)境(環(huán)境作用等級為Ⅱ-D級),主要技術(shù)指標包括:強度等級C25,抗凍標號F200,抗?jié)B標號W12,60d電通量<1000庫侖,60d氯離子擴散系數(shù)≤7×10-12m2/s。配合比正交試驗設(shè)計:采用4因素3水平正交表,即考慮摻合料取代量、水膠比、膠凝材料總量和砂率等4個方面的因素,每個因素中各采用3種不同水平安排試驗。摻和料替代水泥分別按27%(水泥73%、粉煤灰20%、膨脹劑7%)、37%(水泥63%、粉煤灰30%、膨脹劑7%)、47%(水泥53%、粉煤灰40%、膨脹劑7%)。水膠比選用0.37、0.41、0.45。確定膠凝材料用量:J=1000(α+β)/(∑(Pi/γi)+W/C)J=1000(α+β)/(∑(Ρi/γi)+W/C)式中:α為(視密度-體積密度)/視密度,根據(jù)經(jīng)驗取0.22;β為膠凝材料漿液的富裕系數(shù),考慮到抗裂要求,盡量取低值,取0.066;Pi為膠凝材料各組分的占比;γi為膠凝材料各組分的密度,水泥、粉煤灰、膨脹劑分別為3050、2380、2850kg/m3。經(jīng)計算確定膠凝材料用量分別為350、375、400kg。試驗成果見表3,結(jié)果分析:綜合考慮28d、60d、90d抗壓強度、抗?jié)B、氯離子擴散系數(shù)、電通量、造價等綜合因素確定推薦采用的配合比。綜合各種技術(shù)經(jīng)濟指標,以第6組最優(yōu),即:粉煤灰取代量37%,膠材用量350kg/m3(水泥221kg、粉煤灰105kg,膨脹劑24kg)、水膠比0.41、砂率40%。其抗?jié)B試驗結(jié)果為W12,抗凍試驗結(jié)果為F200。3試驗標準與技術(shù)標準不適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展需要國外使用機制砂作為混凝土細骨料已有30多年歷史,在各類工程中應(yīng)用非常普遍,技術(shù)標準體系也比較完善。我國采用機制砂從20世紀60年代起步,目前應(yīng)用范圍已遍及建筑、公路、鐵路、水電、冶金等系統(tǒng),但是試驗標準與技術(shù)標準體系還不夠完善。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展和