混合砂混凝土的性能及其在桥梁工程中的应用综述

2011-12-02张兰芳刘大超黄维蓉

商品混凝土 2011年10期

张兰芳，刘大超，黄维蓉

（重庆交通大学，重庆 400074）

0 前言

众所周知，混凝土原材料丰富易得，价格低廉、性能优良，是建设公路桥梁的基础，也是现代土木建筑技术发展的重要物质基础。细集料是配制混凝土的基本原材料之一，一般占混凝土体积的30%左右，其质量优劣对混凝土拌合物的工作性和硬化混凝土的物理力学性能、耐久性均有重要的影响。目前，国内外常用天然中、粗砂作细集料配制混凝土，但从我国实际出发，天然砂资源分布极不平衡，且资源十分匮乏，如重庆、宁夏、河南、四川、内蒙古等广大地区缺少优质天然中粗砂，甚至出现无砂可采的状况，这使得砂的价格越来越高，远距离运输增加了中砂的成本，使得混凝土用砂供需矛盾日益突出，并经常出现供不应求的现象，影响了工程的建设进度，因而使用机制砂替代天然砂配制混凝土势在必行。

1 复合砂对混凝土性能的影响

1.1 复合砂混凝土的工作性

国外的有关研究表明，机制砂部分取代河砂在没有外加剂时，混合砂混凝土的工作性变差；随高效外加剂掺量的增加，混合砂混凝土工作性逐步改善；黄洪胜[1]对混合砂（机制砂与重庆特细砂）拌制混凝土的工作性进行了研究表明，掺入一定量的掺合料和外加剂，可配制强度等级为C30、C40、C50 的混凝土，混凝土的坍落度都在200mm 以上，扩展性较好，能满足混凝土泵送要求；余良君[2]的研究表明，在相同配合比、相同水灰比条件下，用特细砂和人工机制砂按照一定的比例复合后配制的混凝土坍落度及坍落度损失和中砂混凝土基本接近，且混凝土的保水性、粘聚性良好，有利于其浇注成形；覃光焱，刘大超[3]用60%机制砂+40%特细砂配制的混凝土和天然中砂的工作性进行对比试验发现，混合砂混凝土的工作性好，初始坍落度、扩展度均较大，坍落度损失小，适合于配制大流动度的泵送清水混凝土；高楚文[4]等的研究得出，用45%机制砂+55%特细砂的混合砂配制的混凝土拌合物，初始坍落度与初始扩展度大，流动性、黏聚性和保水性好，而l h后坍落度损失也小，利于混凝土的长距离运输和泵送施工。

由北方设计研究院设计、云南省第八建筑工程公司承建的金碧阳光工程，采用山砂和机制砂复合配制混凝土，混凝土的坍落度在20～24cm, 扩展度50～60cm, 经过50min 运输到施工现场，混凝土入泵坍落度在18～22cm, 扩展度45～60cm, 满足施工方案制定的坍落度为( 20±3) cm 的要求[5]。

表1 混合砂混凝土和简阳中砂混凝土28d 各强度比较

1.2 混合砂混凝土的力学性能

大多数研究认为用机制砂配制的混凝土比河砂配制出的混凝土强度略高。D.S.PrakashRa 等人用含有石粉的机制砂分别制作了长1350mm、宽120mm、高150mm 的素混凝土梁和钢筋混凝土梁，并与河砂混凝土梁作对比，结果表明:在素混凝土中，机制砂混凝土梁比河砂混凝土梁抗压强度高17%、抗折强度高20%、劈裂抗拉强度高7%[6]；在涪江三桥的研究和应用表明，混合砂混凝土和简阳中砂混凝土的抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和静压弹性模量各项指标比较，混合砂混凝土略高于简阳中砂混凝土，两者没有太大差异，试验结果见表1[7]。另外，李美利[8]用20%、40%的机制砂代替部分河砂配制混凝土，发现其抗压强度、劈裂抗拉强度和断裂能均比河砂混凝土的要高。而舒传谦[9]的研究认为，一旦机制砂石粉含量或砂率过高，由于降低混凝土的强度，削弱骨料的骨架作用，也可能降低弹性模量。

笔者走访了重庆市大量的混合砂混凝土工程，如重庆合川市的涪江三桥、重庆渔洞长江大桥、重庆嘉华嘉陵江长江大桥工程、重庆渝奥大桥、石板坡长江大桥等。调研发现，机制砂和特细砂按适当比例混合配制的混凝土力学性能高于或和中砂混凝土相当，符合结构承载力的基本要求。实践表明，混合砂混凝土用于桥梁、立交桥等工程中，混凝土实际强度都大于设计强度等级，工程质量优良，并降低了工程造价，具有重要的经济技术效益。

表2 重庆市已建桥梁、隧道工程混合砂混凝土的应用情况调查表

1.3 混合砂耐久性能

通常，机制砂配制的混凝土耐久性与石粉的含量有关。采用高石粉含量机制砂拌制的混凝土，抗渗性能会有所提高，机制砂中的石粉较好的颗粒形状和级配会使机制砂的堆积密度提高，较好的颗粒堆积会减少水泥水化后形成的孔隙，从而提高混凝土的抗渗性，且石粉越多，被阻断的透水通道也就越多，越能改善混凝土的抗渗性能[10-11]；相同强度等级的混凝土，混合砂混凝土的抗渗透能力优于天然砂混凝土[4]；对不同强度等级的混合砂混凝土和中砂配制的混凝土的抗渗性结果表明，随着混凝土强度等级的增加，混合砂混凝土的抗渗性、抗氯离子渗透性逐渐变好[1]。

对混合砂混凝土的耐硫酸盐侵蚀性进行的研究表明，混合砂混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能比天然中砂的更好。这是因为混凝土受腐蚀损坏的速率取决于混凝土的渗透性。通过扫描电镜观察到，混合砂混凝土的密实度高、孔隙率小、含有的大孔和连通性良好的毛细孔少，渗透性低，不利于SO2-4离子扩散渗透进混凝土内，因而耐硫酸盐腐蚀能力得到有效改善[11]。

相关研究表明，在配合比相同的情况下，混合砂混凝土比天然中砂混凝土具有更好的抗冻性[11-12]。但张桂梅等人研究石粉对低强度等级混凝土影响时，发现石粉对混凝土抗冻性不利，随石粉含量增加，混凝土抗冻性下降[13]；而曹盛明认为，石粉含量对机制砂混凝土的抗冻性影响较小，可通过掺加掺合料改善机制砂混凝土的抗冻性，混合砂混凝土中只要控制好石粉含量及机制砂和特细砂的比例，再辅以一定量的矿物掺合料和外加剂，其它性能如抗碳化性能、钢筋锈蚀性能、混凝土与钢筋的握裹性能等都与中砂混凝土的相同或不低于中砂混凝土[14]。

通过大量的调查研究可知，机制砂与水泥浆体界面的结合良好，机制砂中的石粉填充了混凝土中的孔隙，提高了混凝土的密实性，因此，当石粉含量、机制砂与天然细砂比例适当时，混合砂配制的混凝土抗渗性、抗冻性、耐化学侵蚀性大多都优于中砂混凝土。

2 复合砂混凝土在桥梁工程中的应用

贵州坝陵河特大桥是国家重点公路建设项目沪瑞国道主干线贵州镇宁至胜境关高速公路跨越坝陵河大峡谷的一座特大桥，桥长1564m、主跨1088m，东索塔高188.683m，采用机制砂配制C50 混凝土，完全满足工程高程高温条件下泵送施工的需要。

重庆石板坡长江大桥加宽改造工程中采用了强度等级为C60 的混合砂混凝土，其中采用了含粉量4.8%、细度模数为3.87 的机制砂和含泥量0.84%、细度模数为1.20 的合川渠河砂。混凝土配以一定量的磨细矿渣粉和泵送剂，各项性能指标优良，且不同抽样部位混凝土的强度检测结果表明，28d 抗压强度均在70MPa 以上。

碚东嘉陵江大桥选用特细砂与机制砂混合配制高性能泵送混凝土。箱梁混凝土采用C55，混凝土除满足强度、和易性要求，还具有很好的流动性，能保证工程顺利施工，且每方混凝土细集料节约43 元左右，为工程节约造价。

重庆嘉华嘉陵江长江大桥工程华村立交采用细度模数为2.3 的混合砂，混凝土的强度等级为C50，其中采用了S95 磨细矿渣粉、 KS-JS60 泵送剂和GNA 混凝土膨胀剂（8%），28d抗压强度平均达到65MP 以上，28d 弹性模量为4.24×104MPa，混凝土拌合物的和易性优良，凝结时间满足施工要求，工程效果良好。

嘉陵江复线桥主桥箱梁配制C50 混合砂高性能混凝土采取掺高效减水剂和超细矿物质掺合料的双掺技术措施，通过配合比优化试验，配制成符合设计及施工技术要求的大流动性、缓凝、早强、高强、泵送的高性能混凝土；为工程建立了完整的质量保证体系和监控体系，在重庆首次全桥采用机制砂配制高性能混凝土获得成功，给复线桥建设带来了直接经济效益，并给以后推广带来更为可观的社会效益。

表2 是重庆市其他桥梁、隧道工程用混合砂混凝土的应用情况，可供相关施工企业或单位借鉴与参考。