王大平 王喜辉 纪红刚
中交隧道工程局有限公司华南分公司 广州 510700
摘 要: 本文通过在重庆地区采用纯机制砂配制C50高性能混凝土的应用研究，提出了一条最大限度利用地方自有地材拌制满足设计及相关规范要求的高性能混凝土的新思路，为重庆地区破解因环保压力导致天然砂供应短缺及价格居高不下的工程困境提供了一种解决方案，也对各地减少天然河砂开采以保护生态环境以及进一步降低工程建设成本具有一定的借鉴意义，具有较好的社会效益及经济效益。
关键词：机制砂；C50高性能混凝土；配合比设计；强度；天然砂
1引言
本研究依托重庆三环高速公路长寿至合川段HC06标段项目，鉴于重庆地区禁止采用机制砂拌制高标号混凝土的现状，以及天然砂短缺和机制砂加工品质的提升等综合因素，项目特开展本项研究。
根据重庆市交通委员会2013颁布的《公路工程人工砂混凝土应用技术规程》中的条文说明了解鉴于当时重庆地区生产的机制砂细度模数偏大（大多在3.2以上），且级配不合理（0.3mm以下细颗粒偏少）等情况方才在《规程》内限制采用纯机制砂拌制高标号混凝土，随着目前机制砂生产工艺的提升，机制砂产品细度模数、含粉量、颗粒级配等指标已基本与天然砂类似。
要求C50高性能混凝土应采用天然中粗砂作为细骨料，重庆当地的天然砂均为特细砂，且几乎开采用尽，因此需要从湖南、湖北等地购买天然中粗砂，再经长途运输，需消耗大量的能源且增加了工程成本和风险。因此，若采用机制砂配制出高性能混凝土，使其各方面性能均满足规范标准和设计要求，并且能够运用在高速公路项目中，那么对施工成本的控制将会有显著作用。
由于天然砂短时间内不可再生，供不应求，加上对环境的破坏，国内不少地区已经开始推广机制砂的使用，其中不乏机制砂运用于高性能混凝土的实例。如贵州省道真至瓮安高速公路乌江特大桥就采用机制砂，制备C50主塔和C55预应力混凝土；贵阳市小关特大桥为五跨（69m+125m+2×160m +112m）三向预应力连续刚构桥，混凝土设计强度C50，该工程细集料全部采用机制砂；重庆市政工程嘉陵江渝澳大桥主桥为三跨（96m+160m+96m）预应力连续刚构桥，混凝土设计强度等级C50，该工程细集料采用了机制砂和渠河特细砂按一定比例复合的混合砂；所以机制砂配制高性能混凝土是切实可行的，选择性能达标的原材料，对机制砂特点加以足够的试验验证及分析，就能制备出满足要求的高性能混凝土。
为此本研究结合重庆合长高速公路项目施工情况，利用机制砂配制了C50高性能混凝土，并对机制砂配合比进行深度研究。
2正文
2.1原材料与试验方法
（1）原材料
水泥：梁平海螺水泥有限责任公司P.042.5级水泥，其性能参数检测符合相关规范要求。
粉煤灰：重庆槐电商贸有限公司Ⅰ粉煤灰，其性能参数检测符合相关规范要求。
细骨料：重庆祥宏矿业有限公司0-5mm机制砂，其性能参数检测详情见表1.1机制砂技术指标表。
表1.1 机制砂技术指标
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粗骨料：重庆长寿全旺砂石料厂5-25mm连续级配碎石，其性能参数检测符合相关规范要求。
减水剂：山西黄恒科技有限公司YH-A聚羧酸高性能减水剂，其性能参数检测符合相关规范要求。
（2）试验方法
拌合物性能指标试验按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2002）规范要求检测。
混凝土抗压强度等力学性能按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）规范要求检测。
混凝土耐久性指标试验按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法和标准》（GB/T50082-2009）规范要求检测。
2.2配合比设计
（1）配合比设计正交试验
机制砂配合比设计中砂率及用水量确定上，应考虑机制砂特性。因机制砂级配情况、粒型相对天然砂较差、石粉含量相对天然砂较高，所以坍落度数值相同时，用水量上机制砂混凝土要高于天然砂混凝土。另外机制砂砂率对混凝土的工作性与强度作用明显，机制砂砂率较天然河砂较高，且机制砂细度模数越小、级配越好、石粉含量越大，则合理砂率越小。另外，有研究指出，向机制砂混凝土中掺人一定量的矿物掺和料(粉煤灰、矿粉等)，可有效改善机制砂混凝土的工作性能，还能起到提高耐久性和降低成本的作用。
为探索不同因素对机制砂高性能混凝土性能的影响，以机制砂石粉含量、水灰比、砂率、粉煤灰掺量作为四个不同因素，每个因素设置四个水平，采用L16(45)正交模式设计16组配合比方案，验证每种方案下所配制出混凝土的工作性能和力学性能来确定每个因素的最佳用量，最后优化出最合适的配合比。
表2.1机制砂配制C50高性能混凝土配合比正交试验表
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注：C为水泥用量（kg/m3）；S为细骨料用量（kg/m3）；G为粗骨料用量（kg/m3）；w为拌合水用量（kg/m3）；WR为减水剂用量（kg/m3）；坍落度损失为坍落度1h经时损失量；粗骨料由5-10mm碎石：10-25mm碎石=30%：70%；1-1机制砂石粉含量12%；1-2机制砂石粉含量9%；1-3机制砂石粉含量6%；1-4机制砂石粉含量3%；
3不同因素对机制砂高性能混凝土性能的影响研究
（1）石粉含量因素
根据表2.1中数据分析研究得出：机制砂石粉含量越大，坍落度损失越大，减水剂产量增加，含气量小，强度低；
（2）水灰比因素
根据表2.1中数据分析研究得出：水灰比调整对混凝土的抗压强度影响显著，但水灰比调整对混凝土工作性能影响不明显；水灰比与抗压强度呈线性关系，结合相关要求故而确定机制砂混凝土水灰比为0.31；
（3）砂率因素
根据表2.1中数据分析研究得出：相同水灰比、相同水泥用量时，机制砂砂率对混凝土工作性能及混凝土抗压强度均有较大影响；砂率在36%～42%时砂率与坍落度及和易性成正比，砂率大于42%后工作性能呈下降趋势，砂率为38%时混凝土强度相对其他砂率最高且工作性能也满足要求，故机制砂混凝土砂率确定为38%；
（4）粉煤灰掺量因素
根据表2.1中数据分析研究得出：当胶凝材料总量不变且其他影响因素相同时，用不同比例的粉煤灰代替水泥用量时得出规律，随着粉煤灰用量比例增加混凝土工作性能上升趋势，混凝土坍落度变大；粉煤灰掺量在5%时混凝土强度有明显提高，粉煤灰掺量大于10%后掺粉煤灰混凝土强度比未掺粉煤灰混凝土强度逐渐下降；考虑粉煤灰掺量对混凝土工作性能及强度影响，故确定粉煤灰产量为6%；
4机制砂C50高性能混凝土理论配合比选定
经过正交试验不同因素对混凝土各项性能指标的影响研究最终选定性能稳定，各项指标均可满足设计及规范要求的配合比如下：
表4.1 机制砂C50高性能混凝土理论配合比表
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5 C50高性能混凝土配合比机制砂与天然砂性能对比研究
采用机制砂和天然砂相同比例的C50高性能混凝土配合比，通过试验比对两者的初始坍落度、坍落度损失、含气量、7d和28天抗压强度、抗压弹性模量、混凝土收缩率等参数；详情见表5.1机制砂与天然砂C50高性能混凝土配合比性能对比表；
表5.1 机制砂与天然砂C50高性能混凝土配合比性能对比表
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通过试验数据对比可知机制砂混凝土和易性以及力学性能优于天然砂混凝土。
6机制砂C50高性能混凝土耐久性研究
为了保证机制砂C50高性能混凝土耐久性质量，通过对机制砂C50高性能混凝土理论配合比的混凝土抗裂性能、混凝土收缩率、混凝土抗渗性能、混凝土抗氯离子渗透试验（电通量法）等4个参数验证机制砂高性能混凝土耐久性情况。
表6.1 机制砂C50高性能混凝土耐久性检测结果
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通过检测数据可知机制砂混凝土耐久性均优于天然砂混凝土。
7机制砂C50高性能混凝土应用效果及施工中混凝土质量
将机制砂配合比用于实体工程中，跟踪其现场施工时的工作性能，并对抗压强度、抗压弹性模量等参数检测，均满足设计要求，混凝土构件内实外光。
8分析总结
综上所述机制砂替代天然砂配合C50高性能混凝土时可行的，选择适宜的石粉含量，良好的颗粒可以配制出C50高性能混凝土，相对天然砂配制混凝土工作性能不但能满足要求，其强度、弹性模量、耐久性指标等也能满足要求。C50机制砂高性能混凝土在重庆三环高速长寿至合川段推广和应用，既节约了资源，又降低了施工成本。
参考文献：
（1）期刊：叶俊能、杨亚勤、徐文冰、秦明强、占文等，管片用C50机制砂混凝土配合比设计及性能研究，施工技术，2013，4218：62-65；
（2）期刊：姚志立、郑国荣、习安等，C50T型梁机制砂混凝土的配合比设计，公路工程，2009，346：82-84；
（3）期刊：刘文胜、康杰、王存杰、张磊等，机制砂在混凝土中配制及技术应用，山东建材，2008，06，03：30-32。