摘 要: 结合沪蓉西高速公路建设的实际情况, 通过严格控制原材料质量和优化配合比, 利用机制砂配制出质量优良的C50 高强混凝土, 并成功用于预应力T 梁的试制。同时, 荷载试验还表明, 机制砂混凝土T 梁具有高的承载能力和抗变形能力。
关键词: 机制砂; 混凝土; 配合比; 荷载试验
湖北沪蓉西高速公路全长约320 km , 是国家公路主骨架沪蓉国道主干线的重要组成部分。其中宜恩段全长197．8 km , 桥隧比例占路线总长的56%。水泥混凝土需求量大, 质量要求高。但高速公路沿线从宜昌到恩施均缺乏配制高性能混凝土的优质天然河砂, 高速公路建设所需的河砂均需从外地购入, 河砂运到施工现场最高单方价格可达200 元, 当施工紧张时期, 还出现无砂可用的现象。
《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041- 2000) 中规定在河砂不易得到时, 也可用山砂或用硬质岩石加工的机制砂[ 1 ]。但机制砂在湖北省内, 除水电行业外未大规模的应用, 尤其是没有在重点工程中应用的先例。同时, 机制砂在公路工程和水电行业的生产存在明显不同, 水电行业施工地点集中, 采用制砂设备先进, 所制机制砂稳定, 质量优良; 但公路工程面临点多面广, 质量差异大的问题, 主要表现在母岩种类、强度差异大, 制砂设备规模小、型号多, 质量波动大等方面[ 2 ]。这些均为公路工程应用机制砂带来严重的制约, 且由于沪蓉西高速公路桥遂多, 混凝土质量要求高, 因此对于机制砂混凝土的应用就必须更加慎重和严格管理。针对于沪蓉西高速公路的特殊情况, 本文对C50T 梁用机制砂混凝土进行了深入的研究。
1 原材料及试验方法
1．1 原材料
(1) 水泥。
湖北华新水泥有限公司(恩施) 生产P1O 42．5水泥, 性能见表1。
表1 水泥的物理性能
(2) 细集料。
黄砂为洞庭湖中粗砂, 细度模数为2．85, 机制砂为沪蓉西高速公路沿线华生石料厂生产, 两种砂的物理性能见表2, 级配曲线见图1。
表2 细集料的物理性能
图1 细集料的级配曲线
(3) 粗集料。
5～ 25 mm 连续级配石灰岩碎石, 级配曲线见图2。
图2 碎石级配曲线
(4) 外加剂。
武汉浩源外加剂有限公司生产FDN - 1 萘系高效减水剂。
1．2 试验方法
拌和物性能: 按《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》(GBöT 50080- 2002) 进行测试。基本力学性能测试方法: 采用《普通混凝土力学性能试验方法》(GBJ 81- 85) 进行测定。混凝土试件尺寸为150 mm ×150 mm ×150 mm , 标准养护后,测定试件的7 d和28 d 强度。
2 C50 T 梁混凝土配合比设计
按混凝土配合比有关规范计算, 混凝土的实际配制强度应达到60M Pa 左右。且由于预制T 型梁截面面积小, 钢筋较密, 混凝土浇筑的难度较大, 故要求该混凝土具有较好的工作性[ 3 ]。
2．1 水灰比对机制砂混凝土强度和工作性的影响从表3 中可以看出, 随水灰比增大, 机制砂混凝土的工作性逐渐得到改善, 但当水灰比达到0．39时, 机制砂出现泌水。从图3 中可以看出, 随水灰比的增大, 机制砂混凝土的强度降低, 机制砂混凝土28 d强度降低缓慢, 但7 d强度降低幅度略大。综合考虑机制砂混凝土的强度和工作性能, 机制砂混凝土的水灰比选定为0．37。
2．2 砂率对机制砂混凝土的工作性和强度的影响表3 结果表明: 坍落度最大的最佳砂率基本上是33%～ 35% , 28 d 抗压强度最高的砂率约为33%。同时, 可以看出, 砂率在一定范围内的变动对混凝土
表3 混凝土的工作性与强度结果
的流动性和强度的影响并不是很显著。在配制机制砂混凝土时, 随着砂率在一定范围内的增加, 混凝土的粘聚性得以改善, 而流动性基本保持不变。但当砂率增加到一定程度后, 由于比表面积的增加, 混凝土的工作性将明显降低, 混凝土也因过于粘稠而显得粗涩[ 4, 5 ]。因此, 综合考虑混凝土的各项性能, C50 机制砂混凝土的的砂率选择为33%～ 35% 范围内。
2．3 机制砂混凝土与黄砂混凝土配合比的对比及优化
图3 水灰比对强度的影响
从表4 结果可以看出, 由于机制砂中含有一定量的石粉, 为达到相同工作性效果, 就必须适当地提高机制砂混凝土外加剂的用量。通过适当优化混凝土的配合比, 机制砂可以配制出拥有和黄砂混凝土相同坍落度的混凝土, 但由于机制砂中含有石粉, 使机制砂混凝土本身需要更多的包裹水, 致使机制砂中可迁移的自由水更少, 使得机制砂混凝土较黄砂混凝土粘。机制砂混凝土的强度要略高于黄砂混凝土, 主要原因是由于机制砂颗粒多棱角、表面粗糙、界面新鲜, 使得机制砂与浆体的粘结强度要高于黄砂与浆体的粘结强度, 同时, 由于机制砂中含有一定量的石粉, 石粉具有填充作用, 可以进一步提高混凝土的密实性[ 6 ]。
表4 机制砂与黄砂混凝土的对比及优化
同时, 由于施工地点距砂源距离不等, 黄砂单方价格在100～ 200 元之间, 但机制砂单方价格基本可以控制在50～ 60 元, 以表4 两个配合比对比发现, 机制砂混凝土单方价格较黄砂混凝土单方价格低17～65 元。
3 机制砂混凝土的施工工艺及控制
通过优化混凝土配合比, 可以利用机制砂配制出具有与黄砂混凝土同样优良工作性的混凝土, 但由于机制砂自身的特点, 在机制砂混凝土施工时, 除应严格按照普通黄砂混凝土的施工工艺严格要求外, 还应针对机制砂混凝土的特性在一些方面进行加强。
3．1 严格控制机制砂的质量
由于机制砂为机械制备, 制砂过程中, 容易产生人为的质量波动, 例如制砂机的进料粒度出现大的波动, 工艺参数的调整以及制砂机易磨损件未及时更换等均会对机制砂的质量产生较大的影响。机制砂的细度模数变化应控制在±0．2, 石粉含量变化控制在±1．0% 以内, 如变化超过此范围, 必须对混凝土配合比进行调整, 否则机制砂混凝土工作性将出现较大变化, 影响构件质量。
3．2相同工作性的机制砂混凝土较黄砂混凝土易于液化, 因此, 当机制砂混凝土浇筑时, 应适当缩短振捣时间, 以避免机制砂混凝土的离析、泌水。
3.3 机制砂混凝土的养护
由于机制砂中含有一定量的石粉, 致使机制砂混凝土中浆体含量增加, 在早期容易失水产生塑性收缩, 后期干燥收缩较大。因此, 机制砂混凝土必须加强早期和后期养护, 一般机制砂混凝土较普通混凝土适当延长养护时间, 养护时间控制在14 d。
通过优化配合比与严格控制施工工艺, 浇筑出的机制砂混凝土T 梁效果良好, 没有出现开裂现象,表面气孔较少, 现场留样强度均达到设计要求, 强度最高为62．4M Pa, 最小为52．3 M Pa, 平均值为58．5M Pa。T 梁现场经回弹检测, 其强度值为53．8M Pa。
4 机制砂混凝土T 梁的荷载试验
(1) 在设计荷载作用下, 机制砂和黄砂T 梁物理力学性能基本一致。两者挠度和应变的校验系数均小于1．0, 荷载卸除后, 结构残余变形小; 结构挠度随荷载增长曲线呈线形关系; 梁体应变沿高度方向分布基本满足平截面假定, 梁体处于良好的弹性工作状态。
(2) 机制砂T 梁弯距破坏试验表明: 该梁极限荷载为620 kN , 是设计荷载320 kN 的1．94 倍, 满足设计要求; 在荷载达到680 kN 时, T 梁跨中出现裂缝;在荷载达到980 kN 时, 共计产生裂缝39 条, 最大缝宽为0．38 mm , 全部荷载卸除后, 跨中挠度残余小,裂缝基本闭合。
(3) 机制砂T 梁梁端剪力破坏试验表明: 该梁剪力极限荷载为1 940 kN , 相应梁端剪力为1 791 kN ,是设计荷载8．5 kN 的2．20 倍, 满足设计要求。
5 结论
通过上述试验和理论分析, 得到如下结论:
(1) 利用机制砂可以配制出强度和工作性能满足T 梁要求的高强混凝土;
(2) 通过严格控制施工工艺及加强机制砂混凝土的养护, 可以浇筑出表观质量优良的机制砂混凝土T 梁;
(3) 机制砂混凝土T 梁承载能力满足设计要求,且机制砂具有更高的承载能力和抗变形能力;
(4) 机制砂混凝土可以满足高速公路建设的需要, 同时机制砂混凝土具有优越的经济性, 其应用具有广阔的前景。
参考文献:
[1] JTJ 041- 2000, 公路桥涵施工技术规范[S]
[2] 徐健, 蔡基伟, 王稷良, 周明凯1人工砂与人工砂混凝土的研究现状[J] 国外建材科技, 2004, 25 (3) ．
[3] 关爱军, 王稷良, 周明凯1C50T 型梁辉绿岩混凝土配制与应用研究[J] 公路, 2004, (5)
[4] 李兴贵．高石粉含量人工砂在混凝土中的应用研究[J]建筑材料学报, 2004, 7 (1)
[5] N eville A M , 著. 李国泮, 马贞勇, 译1 混凝土的性能[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1983
[6] 路文典1人工砂石粉含量超标对常态混凝土性能的影响试验研究[J] 山西水利科技, 2000, (4)
