劉世喜，王中美，左才慧

(1.貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴州 貴陽 550003；2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽550025； 3.貴陽學(xué)院 馬克思主義學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

人工砂混凝土在鐵路工程中的應(yīng)用技術(shù)研究

劉世喜1，王中美2*，左才慧3

(1.貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴州 貴陽 550003；2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽550025； 3.貴陽學(xué)院 馬克思主義學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

隨著建筑規(guī)模的日益擴(kuò)大，對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)更加重視，使用人工砂逐步替代天然河砂作為建筑材料已經(jīng)成為建筑的主流。本文結(jié)合貴陽市域快速鐵路建設(shè)工程，分析人工砂對混凝土性能的影響，即人工砂質(zhì)量控制要求，人工砂在粒形、級配、石粉含量方面特性對混凝土性能的影響，總結(jié)人工砂混凝土的配制特點(diǎn)，認(rèn)為人工砂混凝土能滿足貴州鐵路工程高性能混凝土使用要求，具有廣闊應(yīng)用前景。

人工砂；高性能混凝土；配合比；石粉

砂是混凝土的重要組成材料，天然河砂是一種短時(shí)間內(nèi)不可再生的自然資源，儲量有限，目前，我國部分地區(qū)經(jīng)多年開采使用，已出現(xiàn)資源短缺情況，因此利用人工砂配制混凝土，成為今后混凝土發(fā)展的方向，人工砂配制高性能混凝土的發(fā)展地位尤其突出。貴州是以山地為主，喀斯特地貌極其發(fā)育的地區(qū)，石灰?guī)r和白云巖分布廣泛，這些特點(diǎn)決定主要成分為硅質(zhì)的天然河砂產(chǎn)量極少，用灰?guī)r生產(chǎn)建筑用砂成為首選，因此貴州使用人工砂歷史也較早。人工砂是指經(jīng)除土處理的機(jī)制砂、混合砂的統(tǒng)稱，機(jī)制砂是由機(jī)械破碎、篩分制成，公稱粒徑小于5.00 mm的巖石顆粒，要求母巖質(zhì)地均勻堅(jiān)固。

上世紀(jì)50年代末，貴州貓?zhí)有尬乃娬鹃_始使用人工砂配制大壩混凝土，至今，人工砂在貴州建筑工程中使用已有50多年的歷史，特別是到20世紀(jì)90年代，隨著貴州公路、鐵路、水利及城市建設(shè)快速發(fā)展，人工砂配制混凝土大量運(yùn)用于建設(shè)工程中，人工砂混凝土配制技術(shù)已較為成熟。2005年以后，我國高速鐵路建設(shè)蓬勃發(fā)展，高性能混凝土在鐵路工程中得到廣泛應(yīng)用，對混凝土的配制和使用提出了新的要求，具體體現(xiàn)在：

(1)大量新材料的使用，如磨細(xì)礦物摻合料、高性能減水劑的使用；

(2)大量新的施工工藝使用，對混凝土配制提出了更高要求，如大流動(dòng)度自流平、長時(shí)間保坍，凝結(jié)時(shí)間可調(diào)可控等要求；

(3)高性能混凝土具有較高的體積穩(wěn)定性，即混凝土在硬化早期應(yīng)具有較低的水化熱，在硬化后期具有較小的收縮變形；

(4)高性能混凝土具有更長的使用壽命，要求安全可靠使用50～100年，甚至更久，因此耐久性是高性能混凝土應(yīng)用的主要目的。

本文根據(jù)人工砂混凝土在貴陽市域鐵路某工程項(xiàng)目使用情況，結(jié)合貴州人工砂生產(chǎn)現(xiàn)狀，以人工砂配制鐵路工程用高性能混凝土，進(jìn)行人工砂高性能混凝土相關(guān)性能試驗(yàn)研究。概述了人工砂質(zhì)量控制要點(diǎn)，人工砂粒形、級配、含石粉等特性對混凝土性能的影響，人工砂混凝土與天然河砂混凝土配制特點(diǎn)比較，并對后續(xù)研究探索提出建議。

1 人工砂存在的問題及人工砂混凝土使用現(xiàn)狀

1.1 人工砂存在問題

(1)人工砂主要為通過機(jī)械破碎、篩分制成的機(jī)制砂，貴州因灰?guī)r分布廣泛，以開采灰?guī)r山體為主，灰?guī)r巖體抗壓強(qiáng)度高(一般在70～140 MPa)，硬度大，加工難度大，能耗消耗大，對破碎設(shè)備的磨損較大，特別是對篩網(wǎng)的磨損大，加工出來的砂顆粒級配較難滿足規(guī)范要求，主要體現(xiàn)為：“兩頭大，中間小”，既5.00 mm以上顆粒含量大，0.16 mm以下石粉含量大，0.63 mm篩檔顆粒含量小，顆粒級配不合理。當(dāng)前貴州人工砂生產(chǎn)以干式制砂為主，生產(chǎn)過程中除粉塵污染嚴(yán)重外，砂下落堆放過程中易產(chǎn)生分離，發(fā)生砂料堆上部的細(xì)度模數(shù)小，下部細(xì)度模數(shù)大的現(xiàn)象，使用過程中因取料點(diǎn)的不同而造成細(xì)度模數(shù)的變化較大，影響混凝土均勻性。

(2)人工砂礦山山體普遍存在上部覆蓋厚層土，巖層中間夾土情況。生產(chǎn)企業(yè)因山覆蓋厚層土除土不徹底、生產(chǎn)過程中除泥不充分，造成人工砂泥塊含量、石粉含量不滿足規(guī)范要求，石粉中泥粉含量占比大。施工企業(yè)技術(shù)人員往往將石粉和泥粉概念混淆，對人工砂中泥粉危害認(rèn)識不清，從而被動(dòng)導(dǎo)致對人工砂中石粉含量，尤其是泥粉含量控制不嚴(yán)。規(guī)范對石粉的定義為:人工砂中粒徑小于75 μm，且其礦物組成和化學(xué)成分與被加工母巖相同的顆粒物質(zhì)。石粉和泥粉是有顯著區(qū)別的，表現(xiàn)為：①細(xì)度不同，收集研究資料表明，石粉顆粒分布主要集中在16 μm，而泥粉的顆粒一般在5 μm以下，存在對骨料包裹作用，對水、減水劑的吸附作用強(qiáng)；②礦物組成不同：石粉主要為方解石和白云石，泥粉主要來源于貴州分布最廣的紅粘土，紅粘土的礦物組成主要為高嶺石、伊利石和蒙脫石，這些礦物均具有吸水率高，遇水膨脹等特性。石粉和泥粉兩者特性差別大，對混凝土的影響差別也是較為顯著，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：用亞甲藍(lán)試驗(yàn)MB=2.2的人工砂拌制混凝土?xí)r，減水劑摻量和用水量，較MB=1.2的人工砂拌制混凝土大幅增加，且坍落度經(jīng)時(shí)損失明顯。

(3)砂石材料是地域性很強(qiáng)的材料，貴州目前人工砂生產(chǎn)普遍存在生產(chǎn)規(guī)模較小，產(chǎn)量低，質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)缺失，加之砂石產(chǎn)量整體求大于供，市場競爭不充分，因此生產(chǎn)企業(yè)對人工砂加工質(zhì)量重視不夠。人工砂市場價(jià)格被用最簡單生產(chǎn)方式、最低生產(chǎn)成本、質(zhì)量較差的砂所決定，而個(gè)別生產(chǎn)規(guī)模大，產(chǎn)品質(zhì)量好的砂因生產(chǎn)成本高而銷量并不樂觀，這也嚴(yán)重制約人工砂的良性發(fā)展。

砂是混凝土的重要組成材料，人工砂的質(zhì)量好壞直接影響到混凝土的性能，為解決人工砂生產(chǎn)無序、產(chǎn)品質(zhì)量較差現(xiàn)狀，政府還應(yīng)通過必要手段加以協(xié)調(diào)解決，可從砂石生產(chǎn)企業(yè)設(shè)置時(shí)，提高其市場準(zhǔn)入門檻，提高生產(chǎn)規(guī)模入手，政府質(zhì)檢部門以產(chǎn)品質(zhì)量法規(guī)為依據(jù)，按建筑材料產(chǎn)品要求加強(qiáng)對人工砂產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)，督促生產(chǎn)企業(yè)建立產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)體系，從而保證和提高人工砂產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 人工砂混凝土配制及使用現(xiàn)狀

由于人工砂質(zhì)量存在“兩頭大，中間小”的特點(diǎn)，能滿足規(guī)范要求的人工砂產(chǎn)品很少，形成人工砂國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)偏嚴(yán)，但施工使用時(shí)質(zhì)量控制偏松的矛盾，導(dǎo)致當(dāng)前貴州人工砂混凝土配制時(shí)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

(1)為滿足混凝土泵送施工要求，混凝土配制時(shí)普遍存在“四大”，即：砂率較大，用水量大，膠凝材料用量偏大，減水劑摻量偏高；

(2)混凝土澆筑過程中，混凝土易于離析、泌水，坍落度損失大；

(3)澆筑成型后，混凝土結(jié)構(gòu)開裂情況突出，實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度波動(dòng)大。

人工砂在鐵路工程高性能混凝土配制過程也會面臨以上類似問題，因此對存在的問題進(jìn)行原因分析和研究，制定應(yīng)對舉措，尤為必要。

2 人工砂對高性能混凝土的影響

貴陽市域快速鐵路某工程建設(shè)項(xiàng)目，為滿足該鐵路建設(shè)項(xiàng)目混凝土用砂需求，在建設(shè)項(xiàng)目施工現(xiàn)場建設(shè)專門的人工砂生產(chǎn)機(jī)組。為確保人工砂料場所生產(chǎn)的人工砂滿足施工要求，且保持質(zhì)量穩(wěn)定，對人工砂質(zhì)量提出以下要求：

(1)人工砂母巖強(qiáng)度應(yīng)≥60 MPa，壓碎指標(biāo)應(yīng)<25%；

(2)細(xì)度模數(shù)控制在2.7～3.3范圍；

(3)亞甲藍(lán)試驗(yàn)MB<1.40,石粉含量≤7%；

(4)堿活性按《鐵路混凝土用骨料堿活性試驗(yàn)方法 巖相法》、《鐵路混凝土用骨料堿活性試驗(yàn)方法 快速砂漿棒法》檢驗(yàn)合格；

(5)有害物質(zhì)含量等指標(biāo)應(yīng)滿足《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》對C45～C30混凝土用人工砂的技術(shù)要求。

人工砂的特性主要體現(xiàn)在：顆粒形狀棱角尖銳、表面粗糙、顆粒級配差、粉末含量大,這是人工砂與天然河砂的明顯區(qū)別，也是人工砂混凝土與天然河砂混凝土特性相異的原因，人工砂配制高性能混凝土?xí)r應(yīng)針對人工砂特性對高性能混凝土性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.1 人工砂對混凝土和易性的影響

以配制C30混凝土為例，選擇水膠比0.44，粉煤灰摻量26%，以滿足混凝土坍落度200±20 mm為控制條件，調(diào)整減水劑及用水量，其它條件不變，經(jīng)試驗(yàn)，河砂與人工砂配制混凝土單方材料用量的用水量、減水劑摻量差異見表1。

表1 不同石粉含量對混凝土拌和物性能的影響

試驗(yàn)表明：(1)拌制相同坍落度混凝土?xí)r，人工砂用水量、減水劑摻量均高于河砂用量，說明人工砂中石粉也與摻和料一樣對減水劑有表面吸附作用，在用水量不變情況下，為滿足混凝土和易性要求，減水劑摻量應(yīng)隨石粉摻量增加而相應(yīng)增加，這在混凝土施工生產(chǎn)時(shí)應(yīng)予以重視。(2)隨著人工砂石粉含量增加，混凝土用水量相應(yīng)增加。(3)隨著人工砂石粉含量的增加，混凝土拌合物含氣量相應(yīng)減少，陳靜[1]的研究也表明：在引氣劑摻量不變的情況下，混凝土含氣量隨著石粉含量的增加而減小。(4)對混凝土黏聚性的影響，人工砂石粉在5%以下，細(xì)度模數(shù)在3.6時(shí)，混凝土拌合物易于泌水，但石粉含量7%以上時(shí)有顯著改善。

2.2 人工砂石粉含量及顆粒表面對混凝土強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)時(shí)，選擇水膠比0.44，粉煤灰摻量26%，所用細(xì)骨料分別為河砂和人工砂，其中人工砂石粉含量分別為5%、7%、10%，以混凝土水膠比、膠凝材料用量不變?yōu)榭刂茥l件，通過混凝土配合比調(diào)整，拌制混凝土并成型抗壓試件，經(jīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同石粉含量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可看出：(1)石粉含量分別為5%、7%、10%時(shí)，通過混凝土配合比調(diào)整，保證混凝土水膠比不變和膠凝材料用量不變，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度基本一致。(2)從人工砂與河砂配制混凝土看出，保證混凝土水膠比不變和膠凝材料用量不變，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度基本一致，究其原因，安文漢[2]等認(rèn)為：人工砂中石粉的存在，可改善混凝土孔隙特征，改善漿—集料界面結(jié)構(gòu)，石粉在水泥水化中起晶核作用，誘導(dǎo)水泥水化產(chǎn)物析晶，加速并參與水泥的水化反應(yīng)，對混凝土有增強(qiáng)作用。同時(shí)，舒?zhèn)髦t[3]的研究表明：當(dāng)石粉含量或砂率太高時(shí)，顆粒級配不合理，粗顆粒偏少，減弱了骨架作用，使混凝土強(qiáng)度降低。筆者認(rèn)為，人工砂表面均包裹一層石粉，對水泥石與人工砂界面粘接有不利影響，綜合對混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)和減弱因素，從宏觀上分析并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，石粉含量對強(qiáng)度影響甚小。(3)石粉對混凝土強(qiáng)度的影響不大，通過試驗(yàn)研究表明石粉對混凝土和易性影響顯著，表現(xiàn)為坍落度變小，坍落度損失顯著，但在施工現(xiàn)場體現(xiàn)為對強(qiáng)度有影響，就其原因分析應(yīng)是：人工砂常因泥粉含量大而不滿足質(zhì)量要求，所拌制混凝土和易性不滿足要求，施工人員增加用水量，導(dǎo)致水灰比改變而影響混凝土強(qiáng)度。

2.3 人工砂石粉含量對混凝土耐久性的影響

混凝土電通量、抗?jié)B性、抗裂性能是其耐久性的重要指標(biāo)，人工砂中石粉含量對混凝土電通量、抗?jié)B性、抗裂性的影響見表2，從試驗(yàn)結(jié)果可看出：石粉含量5%～10%范圍內(nèi)時(shí)，通過混凝土配合比調(diào)整，在膠凝材料一定，水膠比不變時(shí)，不同石粉含量混凝土在相同齡期內(nèi)電通量、抗?jié)B性、抗裂性能無明顯影響，試驗(yàn)結(jié)果可看出，所有混凝土的電通量，和抗?jié)B性差別不大。

抗裂試驗(yàn)采用圓環(huán)約束試驗(yàn)法，成型試件尺寸為：內(nèi)徑305 mm,外徑425 mm，高度100 mm圓環(huán)試件，試件成型后帶約束內(nèi)環(huán)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，用刻度放大鏡觀察試件1～56天頂面和外側(cè)面開裂性及裂縫寬度。

2.4 人工砂對混凝土體積穩(wěn)定性的影響

人工砂中石粉含量對混凝土體積穩(wěn)定性影響，學(xué)者的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)差別大，總結(jié)的影響規(guī)律也有很大差別。

石粉對干縮的影響，陳靜的研究認(rèn)為，石粉含量變化對混凝土干縮有著一定影響，混凝土干縮隨著石粉含量的增加略有增大[1]。司加斌[4]研究結(jié)果表明：混凝土干縮率隨人工砂石粉含量的增加而明顯增大，石粉含量20%的混凝土28天干縮率較石粉含量10%的增加12%，90天干縮率兩者比較增加13%。

表2 石粉含量對混凝土耐久性能的影響

3 人工砂高性能混凝土的配制特點(diǎn)

人工砂與天然河砂相比，由于人工砂質(zhì)量可通過人為調(diào)整，質(zhì)量波動(dòng)大，在混凝土配合比設(shè)計(jì)中需認(rèn)識這些因素對混凝土性能的影響，因此，在混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》為依據(jù)，結(jié)合材料情況明晰設(shè)計(jì)思路，對各種材料用量進(jìn)行適宜調(diào)整。

3.1 用水量選擇

人工砂混凝土用水量較天然河砂增加20～30 kg，用水量宜選定在155～170 kg范圍為宜，適宜的用水量，有利于膠凝材料總量控制，也有利于混凝土坍落度的保持。

3.2 砂率選擇

《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》推薦的砂率范圍為35%～40%，此砂率范圍對天然河砂混凝土的配制適宜，但用于指導(dǎo)配制人工砂混凝土，經(jīng)試驗(yàn)總結(jié)為砂率偏小，貴陽市域某快速鐵路工程施工現(xiàn)場人工砂檢測情況統(tǒng)計(jì)來看，以粗砂為主，細(xì)度模數(shù)主要分布在3.0～3.3范圍，顆粒級配分析為：5 mm以上顆粒含量大，0.16 mm以下石粉含量大，0.63 mm篩檔顆粒含量小，顆粒級配不合理，為滿足和易性要求應(yīng)適當(dāng)增大砂率，選擇在40%～45%為適宜。

4 結(jié)論與建議

(1)人工砂混凝土與天然河砂混凝土一樣，具有良好的工作性能，能滿足力學(xué)性能和耐久性能要求，人工砂應(yīng)用于高性能混凝土，經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行，生產(chǎn)來源有保證，是有發(fā)展前景的建筑材料；

(2)正確認(rèn)識泥粉與石粉本質(zhì)區(qū)別，嚴(yán)格控制泥粉含量的同時(shí)也應(yīng)控制石粉含量，泥粉含量對減水劑摻量影響大，對混凝土用水量影響大；

(3)對減水劑的要求，應(yīng)進(jìn)行減水劑的適應(yīng)性試驗(yàn)，減水劑中應(yīng)摻配引氣組分，并較河砂混凝土適當(dāng)提高摻配比例；

(4)人工砂混凝土配制時(shí)，合理確定單方用水量尤為重要，經(jīng)試驗(yàn)用水量選擇在155～170 kg范圍較為適宜，確定用水量后，根據(jù)坍落度要求，通過試配試驗(yàn)選擇適宜的減水劑摻量；砂率選擇，在《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》推薦的砂率基礎(chǔ)上，宜適當(dāng)增大砂率，并經(jīng)試驗(yàn)確定，一般取40%～45%為適宜，確?；炷劣辛己霉ぷ餍?，避免離析、泌水現(xiàn)象的產(chǎn)生。

目前，人工砂混凝土在鐵路工程中主要用于非預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)工程。本文因時(shí)間和條件限制，主要進(jìn)行混凝土拌和物、力學(xué)性能、耐久性能等方面試驗(yàn)，對混凝土的抗凍、收縮、徐變等性能未深入研究，建議進(jìn)行人工砂混凝土長期性能的研究。

[1] 陳靜.人工砂石粉含量對混凝土性能的影響[J].商品混凝土，2011(4)：29-38.

[2] 安文漢.石屑混凝土強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究[J].山西建筑，1989(2)：19-26.

[3] 舒?zhèn)髦t.貴州山砂高強(qiáng)混凝土的物理性能[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，26(2)：93-97.

[4] 司加斌.人工砂混凝土性能研究[J].商品混凝土，2011(11)：50-51.

(責(zé)任編輯：周曉南)

Research on Application Technology of Artificial Sand Concrete in Railway Engineering

LIU Shixi1，WANG Zhongmei2*，ZUO Caihui3

(1.Guizhou Traffic Construction Engineering Quality Supervision Bureau ,Guiyang 550003, China; 2. College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 3. College of Marx, Guiyang University, Guizhou 550005, China)

With the growing scale of the building, the protection of the ecological environment has been paid more attention. The use of artificial sand gradually replaced the natural river sand as a building material which has become the mainstream of the building. According to the urban rapid railway construction project in Guizhou, this paper analyzed the influence of artificial sand on the performance of concrete, namely artificial sand quality control requirements, artificial sand in the particle shape, size distribution, the content of stone powder characteristics on the performance of concrete effect. Through testing, the compounding characteristics of the artificial sand concrete were summarized and the artificial sand concrete can meet the use requirements of high performance concrete to Guizhou railway engineering. The research results have broad application prospects.

artificial sand; high performance concrete; mix proportion; stone powder

1000-5269(2016)06-0104-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.23

2016-08-04

貴州省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(黔科合J字[2014]2069號)；貴州大學(xué)引進(jìn)人才科研項(xiàng)目資助(貴大人基合字(2013)14號).

劉世喜(1976-)，男，高級工程師，研究方向：建筑材料，Email：503184843@qq.com.

*通訊作者： 王中美，Email：891342472@qq.com.

TU528.56

A