重慶地區(qū)C50混凝土使用人工砂摻配的可行性研究

徐 艷

（鐵正檢測科技有限公司，山東 濟南 250014）

0 引言

近年來，重慶地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)進程突飛猛進，由于當?shù)氐牡乩硖厥庑?，有“橋都”之稱的重慶在交通建設(shè)上的投入再創(chuàng)新高，連續(xù)五年的大規(guī)模橋梁建設(shè)給當?shù)貛肀憷耐瑫r，也消耗了大量的自然資源。重慶合川地區(qū)匯聚渠江、涪江和嘉陵江，地質(zhì)以風化砂巖、頁巖和石灰?guī)r為主，是國內(nèi)著名的生態(tài)保護城市之一，尤其是對河流和空氣質(zhì)量的保護尤為重視。然而，在基礎(chǔ)建設(shè)中需要的地材資源難免要就地取材，有限的自然資源面臨日益減少和過度浪費的危險。尤其是天然河砂資源，屬于重慶稀少資源[1]，僅有的細砂因為級配問題還需要摻配粗機制砂來使用。但是重慶地區(qū)有地方標準規(guī)定，機制砂（下文稱“人工砂”）限制使用，尤其是在特殊結(jié)構(gòu)物上，人工砂不允許在橋梁墩身及以上部位使用。從外地采購的天然河砂價格遠超預(yù)算2 倍以上，給項目建設(shè)帶來沉重負擔。長遠考慮，一味地從外地購買天然河砂資源不是長久之計，一旦遇到環(huán)保檢查就會限采或停產(chǎn)，另外對帶動本地經(jīng)濟無益。綜合考慮，用人工砂替代天然河砂意義重大。

1 重慶地區(qū)砂質(zhì)量簡析

根據(jù)近兩年的實地調(diào)查，重慶地區(qū)能夠生產(chǎn)人工砂的材料有2 種，一是山體石灰?guī)r，二是河卵石。石灰?guī)r碎石廠目前在政府管控下，生產(chǎn)過程越來越環(huán)保，廢水不許隨意排放，水洗法實施困難，大部分廠家選擇除塵法生產(chǎn)，因此，石灰?guī)r人工砂質(zhì)量不穩(wěn)定，存在石粉含量超標、顆粒菱角多、母材強度偏低等問題。石灰?guī)r人工砂通過調(diào)整配比，可以在普通低標號混凝土中使用；卵石人工砂相對來說也是稀少資源，卵石本身母材強度遠高于當?shù)厥規(guī)r母材，而且生產(chǎn)廠往往靠近岸邊，水資源豐富，可以滿足水洗條件，而且卵石攜帶的泥土很少，生產(chǎn)出來的人工砂亞甲藍指標更容易合格，經(jīng)過水淘洗的人工砂由于顆粒間的摩擦，去掉了大部分的棱角，粒形接近天然砂。

通過各地采樣和檢驗，依據(jù)相關(guān)國家標準要求和行業(yè)標準[2]，已經(jīng)篩選出各項指標均合格的卵石人工砂，其各項指標與天然河砂非常相近，兩者外觀如圖1和圖2 所示。重慶砂質(zhì)量比對見表1，Ⅱ類人工砂需滿足《建設(shè)用砂》（GB/T 14684-2011）要求，如表2所示[3]。

圖1 外地采購的天然河砂

圖2 水洗卵石人工砂

表1 重慶地區(qū)砂質(zhì)量對比

表2 Ⅱ類人工砂技術(shù)要求

2 重慶關(guān)于人工砂使用的地標和文件要求

2013 年，由重慶市交通委員會發(fā)布了關(guān)于人工砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程。2018 年9 月，重慶市交通委員會又下發(fā)關(guān)于人工砂混凝土應(yīng)用有關(guān)事項的通知。

2.1 人工砂混凝土的基本要求

由于人工砂混凝土在拌合物性能、力學性能、耐久性能等方面與天然砂混凝土有一定差異，需要在配制人工砂混凝土時，通過試驗優(yōu)化配合比，確定最佳的減水劑配方和摻合料摻量。關(guān)于人工砂混凝土的具體要求如下：

（1）對于C35～C50 強度等級的混凝土，配合比設(shè)計和驗證工作除了常規(guī)的拌合物和易性、泌水率、坍落度損失、含氣量、抗壓強度及彈性模量等試驗外，增加早期抗裂試驗。

（2）對于C55 及以上強度等級的混凝土以及特殊結(jié)構(gòu)橋梁（如懸索橋、斜拉橋、連續(xù)箱梁、拱橋等）除基礎(chǔ)、承臺及其他附屬結(jié)構(gòu)外的混凝土，如果全部使用人工砂，施工單位應(yīng)根據(jù)工程特點、設(shè)計要求、施工工藝、施工環(huán)境等因素，通過試驗對混凝土配合比進行專項論證。編制人工砂混凝土施工質(zhì)量控制專項方案。專項方案須通過專家評審，并經(jīng)監(jiān)理單位和建設(shè)單位審查批準后方可實施。

2.2 全過程控制人工砂混凝土質(zhì)量

（1）生產(chǎn)方面。用于生產(chǎn)人工砂的母巖的飽水抗壓強度不應(yīng)低于60MPa；用于生產(chǎn)C50 及以上強度等級混凝土的人工砂母巖的飽水抗壓強度，應(yīng)不低于80MPa。施工單位通過考察自檢后，申報建設(shè)單位和監(jiān)理單位，建設(shè)單位組織監(jiān)理、施工單位對人工砂生產(chǎn)廠的生產(chǎn)能力、工藝設(shè)備配置、存儲條件、成品質(zhì)量等綜合情況進行料源考核，并按照交通行業(yè)水泥混凝土用人工砂標準的要求進行人工砂型式檢驗，形成書面的料源考察報告。

（2）使用過程方面。項目建設(shè)、監(jiān)理和施工單位必須加強對人工砂產(chǎn)品質(zhì)量檢驗及人工砂混凝土施工全過程的質(zhì)量管控。包括進場原材料檢驗，配合比設(shè)計驗證性試驗、專項方案（含專項論證報告）按規(guī)定報批，混凝土的拌和、運輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護等各個環(huán)節(jié)，未報檢、檢驗不合格或檢驗結(jié)果未報監(jiān)理審批同意的，一律不得批準該方案混凝土澆筑施工[4]。

可見，當?shù)卣咭呀?jīng)明確，人工砂允許使用在C50以下的混凝土中，而且從2018 年9 月開始，C50 及以上的混凝土中也考慮使用優(yōu)質(zhì)人工砂，并把特殊結(jié)構(gòu)橋梁列入其中，因此，施工單位在使用前需要一系列的試驗和實踐成果為依據(jù)，完善各個環(huán)節(jié)質(zhì)量控制措施。

3 人工砂使用方案

3.1 C50泵送混凝土配比設(shè)計

設(shè)計要求：以嘉陵江特大橋為例，C50泵送混凝土使用部位為特大橋塔柱部分，設(shè)計坍落度180～200mm，泵送最大高度140m，設(shè)計使用年限100年，屬于碳化Ⅰ類環(huán)境，設(shè)計彈性模量不小于34500MPa。

材料選擇：混凝土配比設(shè)計使用P·O52.5水泥，F(xiàn)類Ⅰ級粉煤灰，5～25mm石灰?guī)r碎石，中粗砂，聚羧酸高性能減水劑。

配比設(shè)計：配制強度59.9MPa，水膠比0.31，膠凝材料總用量481kg/m3，粉煤灰摻量20%，砂率39%，減水劑摻量1.2%，含氣量2%～4%。

3.2 人工砂替代天然砂的方案

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55-2011）[5]和水洗人工砂特點：細度模數(shù)3.0，石粉含量2.6%，級配范圍滿足Ⅱ區(qū)中砂，做如下調(diào)整：

方案一：采用水洗卵石人工砂，用水量不變，增加1%砂率，粉煤灰摻量不變，水膠比減小0.01。

方案二：采用水洗卵石人工砂，水膠比不變，增加用水量5kg，粉煤灰摻量降低5%，增加1%砂率。

具體方案數(shù)據(jù)見表3。

表3 人工砂混凝土配合比調(diào)整方案

經(jīng)對比試驗，確定方案一和方案二均能滿足設(shè)計和使用要求，混凝土和易性良好，無早期裂紋。選定配比方案可根據(jù)人工砂實際特點和拌合物性能要求進行選擇。

4 試驗成果

C50泵送混凝土拌合物和易性良好，泵送高度70m以上，無離析泌水現(xiàn)象，脫模后的混凝土表面平滑，保持7d 養(yǎng)護后，實體表面無早期裂紋等缺陷，整體外觀無明顯差異，如圖3和圖4所示。

圖3 天然河砂混凝土實體外觀

圖4 水洗人工砂混凝土實體外觀

5 經(jīng)濟效益分析

當?shù)芈咽Y源比較豐富，價格適中，可考慮自建制砂廠或購買當?shù)貎?yōu)質(zhì)人工砂。建廠直接費用按280 萬元計算，其他直接費用占原材料價格的40%左右，其中包括設(shè)備折舊費占10%，設(shè)備配件耗材費占5%，油、電費占8%，水費占0.5%，人工成本30萬元/a，稅費占6%，環(huán)保安全投入占5%，材料運費20 元/m3，其他費用占2%等。按照年產(chǎn)量15 萬m3，工期2 年，卵石母材價格55元/t，綜合單價計算見表4。

表4 自建人工砂廠綜合單價計算

例如，采購天然河砂價格280 元/m3，購買水洗人工砂價格220元/m3，按照16萬m3C50混凝土計算，需要細集料約7.7萬m3，按方案一調(diào)整混凝土配合比，分別計算混凝土單價，采用自建人工砂廠節(jié)省成本約1913萬元；采用購買人工砂節(jié)省成本約485萬元。需注意，該數(shù)據(jù)僅供參考，計算以實際為準。

6 結(jié)束語

人工砂替代天然中粗砂是未來混凝土生產(chǎn)的必然趨勢，選擇優(yōu)質(zhì)的人工砂，通過試驗調(diào)整混凝土配合比可以達到設(shè)計使用要求，而且經(jīng)濟效益比較可觀。當然，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)要嚴格依據(jù)相關(guān)規(guī)范、標準的要求，從源頭開始把關(guān)，過程控制嚴謹，加強成品材料檢測，在人工砂質(zhì)量可控的前提下，用水洗人工砂替代C50 混凝土中天然中粗砂能達到預(yù)期目標。