高速公路工程中機(jī)制砂高性能混凝土的應(yīng)用

陳建榮

文章對機(jī)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(jìn)行探討。結(jié)果表明，機(jī)制砂高性能混凝土具有良好的耐久性以及強(qiáng)度、密實(shí)度、抗?jié)B性、抗碳化性等力學(xué)性能。但是，機(jī)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(yán)格把關(guān)，確保工程施工質(zhì)量。

高速公路;機(jī)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(jī)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(jī)制砂的研究起步較早，而且已經(jīng)將機(jī)制砂列入國家標(biāo)準(zhǔn)[1]，反觀國內(nèi)，對機(jī)制砂的研究仍處于起步階段。雖然機(jī)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(yàn)，但對機(jī)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(jī)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(jìn)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(diǎn)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(zhǔn)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(yán)重，地形起伏大，巖土組合邊坡穩(wěn)定性良好。

2?機(jī)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(jì)

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(qiáng)密實(shí)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(jī)制砂中包含石粉，所以在水泥與減水劑用量既定時(shí)，為保證機(jī)制砂塌落度符合設(shè)計(jì)要求，其用水量必須要高出天然砂混凝土用水量。總之，機(jī)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(jī)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(qiáng)度fce（52.5 MPa）、粗骨料、C50混凝土配置強(qiáng)度fcu，0（59.9 MPa）既定的情況下，水膠比主要根據(jù)混凝土強(qiáng)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(qiáng)度耐久性設(shè)計(jì)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(jī)制砂高性能混凝土的水膠比暫定為0.36。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)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(jī)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)理論可知，耐久性C50機(jī)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(shí)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(jī)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(dòng)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(huì)降低混凝土的流動(dòng)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(jī)制砂適配試驗(yàn)可知，機(jī)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(dá)到最大值，分別為180 mm和200 mm。砂率對耐久性C50機(jī)制砂高性能混凝土性能及強(qiáng)度的影響結(jié)果見表1。

由表1試驗(yàn)結(jié)果可知，砂率為39%時(shí)，C50機(jī)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(jì)

根據(jù)上述分析可以確定，機(jī)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(jī)制砂砂率和減水劑摻量分別為40%和1.2%。而且為了達(dá)到相關(guān)設(shè)計(jì)要求，氯離子與堿含量必須嚴(yán)格控制，并考慮通過添加硅粉、細(xì)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(yàn)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(jī)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(jī)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(shí)度、體積的穩(wěn)定性、均質(zhì)性等方面加強(qiáng)質(zhì)量控制。具體包括：（1）嚴(yán)格控制水膠比，加強(qiáng)對機(jī)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(jì)規(guī)范;（2）因機(jī)制砂中所含石粉會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附高效減水劑的不利作用，所以應(yīng)嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)步驟，盡可能防止減水劑投入拌合機(jī)后因被吸附而喪失性能。此外，應(yīng)加強(qiáng)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(jìn)行。

2.2.2?機(jī)制砂高性能混凝土的強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)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(jī)制砂高性能混凝土強(qiáng)度進(jìn)行分析可知，機(jī)制砂高性能混凝土的強(qiáng)度在任何時(shí)期都高于天然砂高性能混凝土，其在28 d的抗壓強(qiáng)度為天然砂的103%，究其原因主要是機(jī)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(qiáng)度提升。

2.2.3?機(jī)制砂高性能混凝土的收縮變形

機(jī)制砂高性能混凝土在非荷載作用下也會(huì)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(yàn)可知，與天然砂混凝土相比，機(jī)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?yàn)闄C(jī)制砂所含有的石粉會(huì)加劇水泥水化過程，并產(chǎn)生水化碳鋁酸鹽，加劇機(jī)制砂混凝土早期的自收縮。此外機(jī)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(jī)制砂石粉含量僅為3.6%，對高性能混凝土自收縮不會(huì)產(chǎn)生很大影響。

2.2.4?機(jī)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(shí)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(biāo)。廣西松旺至鐵山港東岸公路工程機(jī)制砂高性能混凝土透水高度為23 mm，高于抗?jié)B性試驗(yàn)19 mm的標(biāo)準(zhǔn)，抗?jié)B性能良好，密實(shí)度較高。

2.2.5?機(jī)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(hù)作用，但是，這種堿性物質(zhì)會(huì)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(jī)制砂提升了高性能混凝土的抗?jié)B性及密實(shí)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(qiáng)。

3?結(jié)語

本文通過研究機(jī)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(jī)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(qiáng)度;（2）機(jī)制砂中摻加了石粉，能推動(dòng)水泥水化過程，雖會(huì)加劇機(jī)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(huì)逐漸消失;（3）機(jī)制砂高性能混凝土密實(shí)度高，透水高度可達(dá)23 mm，抗?jié)B性強(qiáng)，所以空氣中的CO2滲入困難，其抗碳化能力增強(qiáng)。隨著我國高速公路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)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(jī)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(jī)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(yán)格把關(guān)。在具體工程中，必須因地制宜，加強(qiáng)科學(xué)管理與規(guī)范化操作，以確保高速公路工程中機(jī)制砂高性能混凝土的成功應(yīng)用。

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

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

[3]楊大田，陳富強(qiáng).機(jī)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(jī)械與施工機(jī)械化，2018，35（12）：103-107.