机制砂混凝土的研究与应用

机制砂混凝土的研究与应用

国家重点工程北缘黄河工程位于山东省东平川和东平川。项目全长7.87公里，总投资6.1亿元。穿黄河工程混凝土用量共计15.6万m3,砂用量约6.5万m3,工程所在地天然砂主要来自大汶河,近年来由于基本建设项目多,用砂量大,大汶河河砂已全面禁采,从外地购买天然砂价格高,质量控制难度大。由于该工程混凝土用量大、质量要求高,项目建管单位和施工单位在充分考察论证的基础上,借鉴国内一些大型工程经验,决定采用机制砂混凝土。工程实施中,结合“十一五”国家科技支撑计划项目“大型渠道设计与施工技术研究”,与南京水科院等国家级研究机构进行合作研究,优化混凝土配合比,制备出了符合工程技术要求的高性能混凝土。经对比分析,不仅部分技术指标优于天然砂混凝土,而且质量稳定、价格较低,既满足了工程需要,又节约了工程投资。1砂机制制备1.1南枣园及张夏园石料场上海市政工程建设规范《机制砂在混凝土中应用技术规程》(DG/TJ08-506-2002)规定,用作加工机制砂的母岩,抗压强度应符合《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685-2001)的规定,即饱和抗压强度火成岩不应小于80MPa,变质岩不应小于60MPa,水成岩不应小于30MPa。穿黄河工程区附近有两个石料场,富含张夏组厚层灰岩,其中南枣园石料场平均开采厚度为20.3m,储量约133万m3;凤凰岭石料场平均开采厚度为13.8m,储量约83万m3,储量充足。张夏组不同类别灰岩采取岩样进行物理力学性质试验,南枣园石料场各类灰岩饱和抗压强度66～87MPa,软化系数0.64～0.88;凤凰岭石料场张夏组各类灰岩饱和抗压强度80～101MPa,软化系数0.83～0.93,满足作为加工机制砂母岩的技术要求。1.2砂机制生产工艺(1)收尘水处理工艺机制砂生产根据分离石粉的方法不同,分为电动收尘和水洗两种生产工艺。东线穿黄河工程选择水洗法生产机制砂工艺,以充分利用工程基坑开挖降水井排水的弃水,既节约成本又保证了产品质量。(2)砂石料场容量确定根据混凝土高峰浇筑量为70m3/h计算,按照“满足生产、合理库存”的原则,选用生产能力每小时40吨的机制砂生产设备流水线一条,砂石料场的容量按照原料碎石和成品砂各7000m3考虑,以满足5～10d原料和成品储存需要。(3)过程包括原材料检验→皮带机自动上料→破碎机破碎→振动筛筛分→洗砂机水洗→成品砂验收→入库等。1.3主要技术指标综合《机制砂在混凝土中应用技术规程》(DG/TJ08-506-2002)、《建筑用砂》(GB/T14684-2001)和《水工混凝土施工规范》(DL/T5144-2001),对机制砂技术要求主要有:机制砂应质地坚硬、清洁、级配良好,细度模数宜在2.4～2.8范围内;饱和面干的含水率不宜超过6%;不应含有草根、树枝、塑料、煤块、炉渣等杂物,有机物含量应合格,硫化物及硫酸盐含量应小于0.5%(重量计);坚固性和碱活性检验指标满足要求;表观密度大于2500kg/m3,松散堆积密度大于1350kg/m3,空隙率小于47%。机制砂主要技术指标见表1、表2。需要指出的是,对于机制砂,根据亚甲蓝试验的MB值,可以判断粒径小于75μm颗粒主要是泥土还是与被加工母岩化学成分相同的石粉。《建筑用砂》(GB/T14684-2001)规定了亚甲蓝试验合格与不合格时,机制砂的石粉和泥块允许含量。由于《水工混凝土施工规范》(DL/T5144-2001)规定机制砂中不能含有泥块,所以在水利工程中使用机制砂建议按此规定执行。机制砂中适量的石粉含量对混凝土是有利的。机制砂是破碎而成的,颗粒尖锐而有棱角,有利于提高骨料与水泥的结合力。石粉主要是40～75μm的细颗粒,其对于改善细骨料级配,提高混凝土密实性,增强保水性,进而提高混凝土的强度,改善混凝土的耐久性都有好处,所以《水工混凝土施工规范》(DL/T5144-2001)规定机制砂允许石粉含量比较高,为6%～18%。1.4试验项目及方法机制砂应根据原料产地按批检验与验收,《机制砂在混凝土中应用技术规程》(DG/TJ08-506-2002)规定600t为一批,穿黄河工程中确定的检验频次为每400t抽样检验一次。常规检验项目颗粒级配、细度模数、松散堆积密度、石粉含量、泥块含量、坚固性。型式检验项目有泥块含量、有害物质含量等。检验方法应按照《建筑用砂》(GB/T14684-2001)等标准规定进行。1.5经济效益分析鉴于本工程所在大汶河东平县境内河段河砂已全面禁采,从外地购买天然砂价格约为100元/m3,经核算机制砂生产成本约为77元/m3,按工程用砂量6.5万m3计算,仅用砂一项即可节约投资150万元,而且由于石料开采方便、供应稳定,可以确保工程施工需要,节约工期,经济效益可观。2混凝土的配合比设计2.1混凝土原料质量检测水泥:采用山水平阴水泥有限公司生产山水牌PO42.5级水泥,质量符合GB175-2007标准要求。粉煤灰:采用山东电力集团公司石横电厂生产的一级粉煤灰,经监测,质量优良。粗骨料:采用粒径5～31.5mm连续级配石灰岩碎石。经检测,各项指标均符合《水工混凝土施工规范》(DL/T5144-2001)要求。水:采用场内生活用水拌合,经检测,符合质量标准要求。外加剂:高效引气减水剂采用山东水务混凝土外加剂有限公司产品,型号为HPC-GYJ。膨胀剂采用山东省华冠建材技术开发有限公司生产的JEA系列膨胀防水剂。经检测,外加剂各项指标符合国家现行标准。2.2主要参数方案结合穿黄河工程建设进行高性能混凝土配合比试验研究,是山东省调水工程研究中心与南京水科院等单位联合承担的“十一五”国家科技支撑计划项目“大型渠道设计与施工技术研究”的重要内容之一。研究目的:参考建设部《混凝土结构耐久性设计规范》(报批稿)要求,研究配制高性能混凝土。研究思路:掺加部分粉煤灰替代水泥,掺加膨胀剂、高效优质引气减水剂;低水胶比、低用水量;优化骨料级配,采用机制砂,优化机制砂率。耐久性技术指标:结合穿黄河工程具体情况,参考建设部《混凝土结构耐久性设计规范》(报批稿)规定,确定本工程为硫酸盐侵蚀环境(环境作用等级为Ⅴ-C级)和冻融环境(环境作用等级为Ⅱ-D级),主要技术指标包括:强度等级C25,抗冻标号F200,抗渗标号W12,60d电通量<1000库仑,60d氯离子扩散系数≤7×10-12m2/s。配合比正交试验设计:采用4因素3水平正交表,即考虑掺合料取代量、水胶比、胶凝材料总量和砂率等4个方面的因素,每个因素中各采用3种不同水平安排试验。掺和料替代水泥分别按27%(水泥73%、粉煤灰20%、膨胀剂7%)、37%(水泥63%、粉煤灰30%、膨胀剂7%)、47%(水泥53%、粉煤灰40%、膨胀剂7%)。水胶比选用0.37、0.41、0.45。确定胶凝材料用量:J=1000(α+β)/(∑(Pi/γi)+W/C)J=1000(α+β)/(∑(Ρi/γi)+W/C)式中:α为(视密度-体积密度)/视密度,根据经验取0.22;β为胶凝材料浆液的富裕系数,考虑到抗裂要求,尽量取低值,取0.066;Pi为胶凝材料各组分的占比;γi为胶凝材料各组分的密度,水泥、粉煤灰、膨胀剂分别为3050、2380、2850kg/m3。经计算确定胶凝材料用量分别为350、375、400kg。试验成果见表3,结果分析:综合考虑28d、60d、90d抗压强度、抗渗、氯离子扩散系数、电通量、造价等综合因素确定推荐采用的配合比。综合各种技术经济指标,以第6组最优,即:粉煤灰取代量37%,胶材用量350kg/m3(水泥221kg、粉煤灰105kg,膨胀剂24kg)、水胶比0.41、砂率40%。其抗渗试验结果为W12,抗冻试验结果为F200。3试验标准与技术标准不适应现代社会发展需要国外使用机制砂作为混凝土细骨料已有30多年历史,在各类工程中应用非常普遍,技术标准体系也比较完善。我国采用机制砂从20世纪60年代起步,目前应用范围已遍及建筑、公路、铁路、水电、冶金等系统,但是试验标准与技术标准体系还不够完善。随着我国基础设施建设的迅猛发展和