西部交通建设科技项目.docx

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西部交通建设科技项目

西部交通建设科技项目

交通编号：

合同号：

200331881106单位编号：

密级：

分类号：

U444，U445，TU528

机制砂混凝土用于桥梁建设的研究

研究报告简本

武汉理工大学

湖北沪蓉西高速公路建设指挥部

恩施土家族自治州交通局

2007年5月

1.引言

随着大体建设的日趋进展，混凝土用砂需求量急增，现有天然砂资源难以保证我国基础设施建设。

我国2006年混凝土总产量达21亿m3，仅混凝土中砂的用量达15亿t。

天然砂是一种地址性资源，散布很不均匀，短时刻内不可再生，也不适宜长距离运输。

目前，很多地域的天然砂资源已近枯竭，还有很多地址已经开始禁采或限采天然砂，如此工程用砂供需矛盾日趋突出，致使砂的价钱愈来愈高，某些地域乃至无天然砂可用，阻碍了工程建设的进展。

随着混凝土技术的进展，现代混凝土对砂的技术要求愈来愈高，专门是高强度品级和高性能混凝土对骨料的要求很严，能知足其要求的天然砂数量愈来愈少，乃至没有，而对社会节约资源、可持续进展的要求愈来愈高。

因此机制砂在工程中的地位愈来愈重要，将成为建设用砂的重要来源。

关于砂少石多的山区高速公路建设，用机制砂代替天然砂配制混凝土更是势在必行。

机制砂是岩石经除土开采、机械破碎、筛分制成的，粒径在4.75mm以下的岩石颗粒。

机制砂与天然砂在粒形、级配和表面特性上明显不同，机制砂颗粒表面粗糙、尖锐多棱角，细度模数大，级配不良，最明显的区别是机制砂在生产进程中不可幸免地产生一些粒径小于0.075mm的石粉颗粒，约占机制砂总量的10%~20%。

机制砂的这些特性对混凝土拌和物的配合比设计和水泥用量、需水量、外加剂需求量、工作性、终饰性能和硬化混凝土的强度、体积稳固性和耐久性均会产生阻碍。

可是，目前我国在机制砂生产和应用方面还存在许多问题，阻碍了机制砂混凝土的推行应用，专门是在大型、重点工程中的应用。

（1）机制砂行业生产技术和治理水平低下，机制砂产品质量良莠不齐，专门是部份存在质量问题的机制砂致使了混凝土性能不良，并把这些问题归于机制砂混凝土，从而致使人们不敢利用机制砂。

（2）对石粉在机制砂混凝土中作用研究不够，国家标准对机制砂中的石粉含量限制过严。

2002年发布实施的新标准《建筑用砂》（GB/T14684-2001），第一次明确规定了机制砂的技术要求，但该标准对石粉含量的限制规定为小于C30、C30~C60、大于C60的混凝土用机制砂中的石粉含量限制别离为7%、5%、3%。

为了知足国标规定的石粉含量要求，机制砂中过量的石粉通常采取水洗、风选收尘等方式去除，在生产上不仅增加了机制砂的生产难度，降低了产量，浪费了宝贵的矿产资源和水资源，增加了制砂本钱，同时石粉副产品的大量堆积，又引发了新的污染。

在利用中，由于去粉进程中去掉的颗粒并非只有石粉，还含有0.15mm、0.3mm、0.6mm乃至更大的颗粒，因此破坏了机制砂的自然级配，致使机制砂混凝土离析泌水严峻。

客观上加重了人们对石粉在机制砂混凝土中作用的误解，严峻地制约了机制砂的应用和石粉的利用。

（3）没有形成专门的机制砂混凝土配制技术，工程技术人员对机制砂混凝土的性能也缺乏充分熟悉。

机制砂混凝土的配制，目前大体沿袭天然砂混凝土配制方式，而轻忽了机制砂与机制砂混凝土的特点，从而使工程技术人员难以把握，对利用机制砂配制高性能混凝土的技术更不成熟。

一样以为机制砂混凝土工作性差，终饰性差，并对机制砂混凝土的体积稳固性和耐久性研究不够，心存疑虑，致使重点工程不敢利用机制砂。

为解决西部山区高速公路建设桥梁工程混凝土用砂资源匮乏的问题，交通部于2003年将“机制砂混凝土用于桥梁建设的研究”确信为西部交通建设科技项目（合同编号：

200331881106）。

项目围绕机制砂生产与混凝土应用中的突出问题，研究了机制砂的制备技术与质量操纵方法、机制砂与所含石粉的特性、石粉对机制砂混凝土性能的阻碍与机理，制备出了与天然砂高性能混凝土具有一样优良性能的C60、C80机制砂高性能混凝土，解决了相应的关键技术，编制了《机制砂在混凝土中应用技术规程》，并成功用于湖北沪蓉西高速公路桥梁工程，取得了良好的社会经济效益。

2.项目完成的要紧研究内容及取得的功效

全面测试了机制砂及其所含石粉的物理化学特性

（1）应用数字图形处置（DIP）技术研究了机制砂的颗粒形貌参数及与粗糙度的相关性，验证了机制砂较天然砂颗粒尖锐、棱角性强、针片状颗粒多、粗糙的特点。

（2）成立了机制砂的细度模数（FM）与粒级的分计筛余（a2）的定量关系，其回归关系式为FM=a2+，（r=），据此提出通过操纵粒级的分计筛余可操纵细度模数。

（3）机制砂最大压碎值多数在~4.75mm粒级，第二是~0.6mm粒级，压碎值可能性最小的是~粒级。

（4）采纳激光粒度分析仪，提显现有机制砂生产的除石粉工艺破坏了机制砂的级配、无益于机制砂的密实堆积。

（5）机制砂MB值不仅与泥粉含量相关，且与所含泥粉的液限值有关，后者是对采纳亚甲蓝MB值查验小于75μm的细粉是泥粉仍是石粉这一实验方式的一个补充。

（6）石粉的颗粒形貌、细度与水泥接近，远小于粘土的比表面积。

关于75μm以下颗粒，石粉中粒径小于16μm者占32~51%，粘土中粒径小于16μm者占79%。

研究了石粉作混合材和石粉代砂对水泥性能的阻碍。

（1）石粉作水泥混合材，一样来讲，增加水泥的标准稠度用水量、减小胶砂流动度，增进水泥水化、使凝结时刻提早。

石粉掺入水泥后，降低了水泥胶砂强度，但折压比却随之升高，水泥强度品级越低，折压比升高越明显。

（2）用含石粉的机制砂配制的水泥砂浆，随石粉含量的不断增加，砂浆流动性下降，28d强度受石粉含量的阻碍不甚明显，而石粉对砂浆的3d强度明显有增强作用，石粉颗粒越细增强作用越明显。

随石粉含量的不断增加，浆体比例增加，干缩率上升，干燥失水的质量损失增大，抗裂性变差。

含泥量对机制砂砂浆干缩、质量损失、抗裂、及强度均有显著的不良阻碍。

因此，机制砂中的含泥量应取得严格操纵。

明确了石粉对机制砂混凝土性能的阻碍规律。

研究了石粉含量别离在5~20%对中低强塑性机制砂混凝土、7~20%对中低强泵送机制砂混凝土、5~14%对高强泵送机制砂混凝土各方面性能的阻碍规律，石粉对不同强度、不同流态的混凝土、性能的不同方面阻碍各异，应依照混凝土用途和性能要求，有针对性地提出机制砂石粉含量限值。

（1）配制低强、大流动性机制砂混凝土时采纳高石粉含量机制砂更有利。

关于中低强度塑性混凝土，石粉能够增加拌和物的粘聚性和保水性，利于改善离析泌水情形；关于泵送混凝土，石粉能够增加水泥浆体含量而提高混凝土的流动性，石粉还起到润滑作用，减少砂与砂之间磨擦而改善混凝土的和易性。

（2）提出了水粉比、泌水暗藏时刻的概念，应用水粉比、泌水暗藏时刻能够专门好地说明机制砂混凝土工作性的阻碍因素。

关于特定的混凝土体系，均存在最正确水粉比，水粉比偏大易产生离析泌水，水粉比偏小那么使混凝土过粘。

在配制高强混凝土时胶凝材料的用量专门大，石粉在粉料中的比例较小，同时掺用了较大比例的高效减水剂，在混凝土工作性诸多阻碍因素中，石粉含量的增减不是十分灵敏的因素。

中低强度泵送机制砂混凝土某一时刻的泌水率与拌和物静置时刻和泌水暗藏时刻比值的对数成正比，随石粉含量的增加，水粉比下降，拌和物的泌水暗藏时刻延长，泌水率与离析程度下降。

（3）关于中低强度机制砂混凝土，在等水灰比下，所有含石粉的机制砂混凝土强度均高于未含石粉的机制砂的混凝土强度。

石粉含量介于10~15%之间时，混凝土抗压强度和抗折强度最高。

关于高强度混凝土，在等水胶比下，石粉含量在14%范围对强度大体上有增进作用，石粉含量10%时强度达到峰值，石粉再增多后强度开始下降。

在w/c=~区间内，用石粉含量为7%的机制砂配制的混凝土强度普遍高于不含石粉机制砂配制的混凝土，且鲍罗米公式中的αa值小一些，也确实是说，强度差值随着w/c的提高而升高。

（4）机制砂混凝土的抗折强度高于天然砂混凝土，随石粉含量增加抗折强度升高，石粉含量10%左右时达到最高，以后有所下降。

（5）机制砂混凝土的轴心抗压强度和劈裂抗拉强度均高于天然砂混凝土，且提高幅度随石粉含量增加而增大，石粉对初期劈裂抗拉强度有显著奉献。

（6）机制砂混凝土的抗压弹性模量随石粉含量的增加其转变比较复杂，取决于石粉对混凝土强度和浆体数量两方面的阻碍。

整体来讲，中低强机制砂混凝土弹性模量较河砂混凝土略低，而高强机制砂混凝土弹性模量较河砂混凝土略，且随石粉含量增加而呈降低趋势。

（7）机制砂混凝土的干缩率小于天然砂混凝土。

关于中低强度机制砂混凝土，石粉含量10%时，干缩率最大；关于高强度机制砂混凝土，石粉含量7%时，干缩率最大。

因受粗集料限制等因素的阻碍，石粉对机制砂混凝土干缩性能与机制砂砂浆的干缩性能转变规律有些不同。

（8）石粉对离析泌水情形的改善及其填充效应增加了混凝土的密实度，因此石粉能够增强混凝土的抗渗性能。

（9）中低强度机制砂混凝土的抗冻性能整体上低于同配比的河砂混凝土，有的机制砂混凝土抗冻结性只能达到F50，有的又可超过F150。

这可能与机制砂颗粒表面裂隙状况、级配等品质有关。

适量石粉（10~15%）有利于机制砂混凝土抗冻性能的改善。

因此，在采纳机制砂配制抗冻性混凝土时，应重视机制砂品质的阻碍。

对抗冻性能有较高要求的中低强度机制砂混凝土，可采纳引气剂进行配制。

（10）机制砂水泥砂浆的耐磨性与其中的石粉含量有关，在石粉含量小于10%时，机制砂砂浆耐磨性能好于河砂砂浆，石粉含量大于10%时，机制砂砂浆的耐磨性比河砂的要差。

（11）机制砂和石粉的岩性及机制砂中的石粉含量对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能没有明显的不利阻碍，机制砂混凝土受硫酸盐的要紧侵蚀性产物也为石膏。

制备出了与天然砂高性能混凝土具有一样优良性能的C60、C80机制砂高性能混凝土。

设计、优化了C60、C80机制砂高性能混凝土的配合比，充分研究了石粉、泥粉含量对机制砂高性能混凝土工作性、强度、体积稳固性和耐久性的阻碍，讨论了高石粉含量机制砂配制高性能混凝土时粉煤灰、矿渣粉等掺合料的掺量与作用问题。

2.4.1C60机制砂高性能混凝土

（1）在石粉含量%~14%范围，随石粉含量增大，机制砂高性能混凝土的坍落度大体不受阻碍，而坍扩度呈下降趋势，石粉含量越高、坍扩度下降越明显，且石粉改善了机制砂混凝土拌和物的粘聚性和保水性。

机制砂混凝土的抗压强度随石粉含量的增加呈慢慢增大趋势，且石粉对其后期强度的增加无不良阻碍。

（2）石粉含量对机制砂高性能混凝土的干缩阻碍与干缩龄期紧密相关，石粉含量较高的机制砂混凝土的前14d龄期干缩值要比天然砂混凝土大，而后龄期干缩值相差不大，因此机制砂混凝土要注意早龄期的湿养护。

另外，掺入粉煤灰使机制砂混凝土各龄期的干缩值减小，且随粉煤灰掺量增加收缩值减小。

（3）随石粉含量增大，机制砂高性能混凝土的弹性模量呈降低趋势。

与天然砂混凝土相较，机制砂高性能混凝土的弹性模量在石粉含量高时略低，在石粉含量低时略高。

相较同条件下的河砂高性能混凝土，石粉含量7%的机制砂高性能混凝土尽管抗压强度高，但其徐变相对要大。

（4）机制砂高性能混凝土具有专门好的抗氯离子渗透性能和很高的抗冻性。

各石粉含量的机制砂高性能混凝土的氯离子扩散系数均符合高性能混凝土小于×10-8cm2/s的要求。

随石粉含量增大，机制砂高性能混凝土的氯离子扩散系数呈弱递增趋势。

各石粉含量的机制砂高性能混凝土抗冻品级远超过F325。

随石粉含量增加，机制砂混凝土的相对动弹性模量几乎没有不同，且11%~17%的粉煤灰掺量并非降低机制砂高性能混凝土的抗冻性。

（5）不管是采纳低石粉含量仍是高石粉含量的机制砂，石粉的存在大体不阻碍掺用粉煤灰对混凝土的作用成效，因此在机制砂高性能混凝土中粉煤灰的掺用能够不考虑机制砂中石粉含量的高低。

（6）机制砂混凝土的工作性受砂率阻碍超级灵敏，强度最正确时的砂率没有工作性最正确时的砂率对石粉含量灵敏。

随石粉含量的增加，机制砂混凝土的合理砂率越低。

（7）机制砂石粉中混有泥粉无益于机制砂混凝土的高性能化。

对3%~7%泥粉含量的综合研究说明，随着泥粉含量的增加，机制砂混凝土的强度及抗渗性无明显转变，但混凝土需水量增加，收缩增大，抗冻性明显下降。

2.4.2C80机制砂高性能混凝土

（1）外加剂和矿物掺合料的选择是C80机制砂高性能混凝土配制的关键，通过优化，C80机制砂高性能混凝土配合比设计参数为：

胶凝材料用量600kg/m3，水胶比，矿渣、粉煤灰、硅灰的掺量为25%、15%和8%，砂率37~39%，外加剂为两种聚羧酸盐（FOX+ADVA-180）外加剂复掺，掺量为%+%。

（2）机制砂中石粉含量对工作性和强度的阻碍实验说明，C80混凝土的机制砂石粉含量5%时的性能较佳，因此C80机制砂混凝土的石粉含量限值可由国标规定的3%放宽至5%。

提出机制砂石粉含量限值能够冲破国标限值规定

针对不同用途探讨了机制砂中石粉含量的最优值和最高限值，提出了新的混凝土用机制砂石粉含量限值建议指标范围（见表1）。

混凝土强度品级低者，石粉极限含量可越高，专门是关于配制中低强度、大流动混凝土，越高的石粉含量，反而越利于混凝土工作性的改善和水泥用量的降低。

高石粉机制砂的应用，不仅改善了机制砂混凝土的性能，且大大扩大了机制砂的应用范围，有效利用了石粉资源，关于机制砂生产可免去除粉工艺，降低机制砂生产本钱，节省工程造价。

表1机制砂石粉含量限值

强度等级

＜C30

C30~C60

＞C60

国标规定

≤7%

≤5%

≤3%

本研究建议

≤10~15%

≤7~10%

≤5%

揭露了石粉在机制砂混凝土中的作用机理与效应

（1）水泥中掺20%石粉的水化样诱导期内单位时刻放热量高于纯水泥水化样和水泥中掺20%粉煤灰的水化样，石粉作为晶查对水泥水化起到增进作用，使水化诱导期和加速期的终止时刻提早，说明石粉增进了水泥水化。

（2）石粉中的CaCO3参与C3A的水化反映生成了水化碳铝酸钙，对水泥水化有增强作用。

（3）石粉具有使过渡区密实化、改善混凝土孔结构的作用，使孔径取得必然程度的细化，从而增强机制砂混凝土的性能。

（4）石灰岩石粉在机制砂混凝土中有增粘、润滑、填充、晶核、对水化的增强等多种效应，对混凝土性能的阻碍是这些效应的综合作用。

总结提出了高含石粉机制砂混凝土的配制技术与方式

（1）配制低强、流动性混机制砂混凝土时应充分发挥石粉的作用：

用高含石粉机制砂比天然砂更适合采纳强度品级高的水泥来配制低强度混凝土，水灰比越大、石粉的奉献越突出。

因此，能够利用机制砂的高石粉含量解决混凝土强度丰裕过量与工作性差之间的矛盾；

（2）机制砂中的石粉可作混凝土掺合料利用：

关于C30中低强度混凝土、C60高强度混凝土和C80超高强混凝土，取代水泥的的比例以别离不超过%、%和15%为宜，别离相当于一样掺量II级或I级粉煤灰的作用成效。

（3）对水灰比选择的阻碍：

仍基于天然砂鲍罗米公式确信水灰比。

选取“最大水灰比”和“最小水泥用量”完全出于工作性考虑时，应代之以“最大水粉比”和“最小粉料用量”的概念。

（4）对单位用水量选择的阻碍：

不掺减水剂下，机制砂中的石粉含量增加使混凝土流动性降低，要维持相同的坍落度，那么混凝土的用水量增加。

假设掺有减水剂，那么石粉对机制砂混凝土工作性的阻碍，有最正确石粉含量范围（为7~10%）。

因此，机制砂混凝土的用水量仍基于天然砂混凝土依照坍落度要求确信誉水量，但应考虑减水剂的需求。

（5）对外加剂需要的阻碍：

高含石粉机制砂混凝土对减水剂的额外需求与石粉在粉料中的比例成指数增加，减水剂的掺量可近似按粉料的百分比计。

（6）对合理砂率选择的阻碍：

机制砂混凝土砂率的选择不仅考虑要细度模数，还要注意机制砂石粉含量的增加使合理砂率降低。

高石粉机制砂的砂率的确信应参考最正确水粉比进行。

（7）提出了水粉比和等效砂率的概念及高含石粉机制砂混凝土体系配合比的优化设计原理，论述了以水灰比保证强度、以水粉比确保工作性、基于水粉比确信砂率的设计原那么。

开展了C50机制砂混凝土T梁荷载实验

（1）石粉含量%的机制砂制备的混凝土T梁荷载破坏实验

a）跨中弯矩破坏实验：

T梁极限荷载为620kN，是设计荷载320kN的倍；在荷载小于620kN作用下，T梁挠度随荷载增加曲线呈线性关系，处于良好的弹性工作状态，梁体应变沿高度方向散布大体呈线性关系，大体知足平截面假定。

b）梁端剪力破坏实验：

T梁剪力极限荷载为1940KN，现在相应梁端剪力为1791KN，是设计荷载815KN的倍，T梁具有较高的承载能力。

（2）机制砂、河砂混凝土T梁常规对如实验

相同荷载作用下，石粉含量%的机制砂制备的混凝土T梁的挠度、应变值均小于河砂混凝土T梁（一样水灰比和水泥用量下），显示机制砂混凝土T梁具有更高的抗变形能力。

研究了机制砂的生产与质量操纵方法

基于高速公线路长点多的特点，和机制砂的技术要求，优化设计了具有简单、优质、节能和环保的机制砂生产工艺流程，提出了高速公路建设机制砂生产条件，成立了机制砂生产质量操纵方法和质量保证体系。

提出的制砂用典型工艺设备为颚式破碎机（粗碎）、还击式破碎机（中碎）和立式冲击式制砂机或棒磨机（细碎），典型石粉操纵工艺设备为收尘器（干法收尘）、螺旋或轮式洗砂机（水洗除粉）及干法制砂分级机（干法选粉）。

编制了《机制砂在混凝土中应用技术指南》

课题组2004年9月编制的《湖北沪蓉西高速公路一般混凝土用机制砂应用技术规程》被依托工程采纳，现已进行修订，形成了《机制砂在混凝土中应用技术指南》，是国内提出的最为全面的有关机制砂的应用技术规程。

要紧内容包括：

机制砂的生产、查验与验收；机制砂的质量标准；机制砂的查验方式；机制砂一般混凝土配合比设计；机制砂高性能混凝土配合比设计；机制砂混凝土的施工与验收。

3.项目在依托工程中的推行应用与效益

项目依托于湖北沪蓉西高速公路，桥梁总长达71.2704千米，混凝土需求量近498万m3，其中C30以下混凝土约320m3，C30以上混凝土约178m3，共需细集料230万方，但沿线没有可用的天然河砂，若是采纳天然河砂配制混凝土，需从湖南岳阳调运，其平均价钱高达180元/m3，同时，由于运输条件差，保障供给尚存困难。

应用本项目研究功效，开展了大规模的机制砂生产和机制砂混凝土推行应用工作，截止到2006年12月，共推行应用机制砂混凝土约247万m3，累计利用机制砂约117万m3，直接经济效益亿元左右。

其中：

（1）在桩基、承台、桥墩、二衬中应用C30及以下机制砂混凝土177万m3，利用机制砂85万m3；

（2）在预制梁板、桥面铺装、现浇箱梁中应用C40~C50机制砂混凝土70万m3，利用机制砂32万m3。

（3）指导成立机制砂生产厂30家，形成年产机制砂585万吨的规模，不仅解决了沪蓉西高速公路建设缺砂的问题，也为宜万铁路建设提供了大量的机制砂。

4.项目的技术创新点

（1）全面测试了机制砂和石粉的物理化学特性，分析了机制砂颗粒形貌特点参数与粗糙度参数的相关性，成立了机制砂的颗粒细度模数与粒级分级筛余的定量关系，提显现有机制砂生产的除石粉工艺破坏了机制砂的级配、无益于机制砂的密实堆积，机制砂MB值不仅与含泥量且与泥土的液限值有关，为机制砂的质量评判提供了技术依据。

（2）明确了石粉对不同流态、不同强度的机制砂混凝土各方面性能的阻碍规律，揭露了石灰岩石粉的增粘、润滑、填充、晶核与水化增强的效应与机理，提出了配制强度品级＞C60、C60~C35和＜C30混凝土的机制砂石粉含量的限值，可冲破现行国家标准的规定，别离放宽到5%、7%~10%和10%~15%并非阻碍机制砂混凝土的高性能与耐久性，可供相关标准、标准的修订借鉴。

（3）提出了高石粉含量机制砂应用技术，研究了高石粉含量机制砂混凝土配合比设计方式，提出了水粉比、水胶比、合理砂率、用水量、外加剂掺量等配合比参数选取原那么。

（4）编制了《机制砂在混凝土应用技术指南》，为机制砂的生产及应用提供了技术支撑。

研究功效成功应用于湖北沪蓉西高速公路桥梁工程，取得了显著的社会经济效益，推行应用前景广漠。