机制砂喷射混凝土的设计与应用

机制砂喷射混凝土的设计与应用水利水电工程分公司潘寿荣［摘要］通过分析提出开发和应用机制砂的可行性，在机制砂中掺入河砂组成混合砂配制喷射混凝土配合比，并在施工中证明其使用效果。总结出了使用机制砂的施工经验和注意事项，对机制砂在喷射混凝土中的推广和使用起到一定的借鉴作用。［关键词］机制砂喷射混凝土设计与应用1概述国内外发展情况在一些工业比较发达的国家和地区，由于他们的基础建设起步较早，天然砂的储量和费用以及环境保护等问题也过早出现，机制砂的开发及应用已经非常广泛，数十年前已将人工（机制）砂的应用列为国家规范。1952年法国梯格尼水电站的65万立方米混凝土大坝用的就是人工（机制）砂。20世纪60年代我国开始用生产碎石的副产品石屑代替天然砂，用于拌合混凝土或砌筑砂浆中。目前，随着我国基础建设项目的与日俱增，我国对建筑砂的需求亦越来越高。由于过量的开采天然砂源，对环境所造成的压力也日益增加，生产和使用机制砂已经成为一种趋势。工程概况由二滩水电开发有限责任公司建设管理的官地水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市与盐源县交界的雅砻江打倮河弯段上。2005年底，我们中铁十四局水利水电分公司中标承建右岸低线过坝交通隧洞，该标段工程为本电站前期辅助工程的重要组成部分，建成后主要承担大坝及地下厂房建设期间的辅助交通用洞以及电站投入运营后进出厂房的唯一通道。隧洞初期支护喷射混凝土设计为C20级，由于当地缺乏合格的天然砂料，若使用河砂必须到一百公里以外的安宁河砂场购买，运距远、成本高。经考察比较和对比试验，我们决定采用隧道弃渣经破碎、筛分成机制砂用于喷射混凝土工程中。2机制砂的性能以及在混凝土工程中应用的可行性分析机制砂作为生产绿色混凝土的重要原料，有着优良的物理性能和化学性能。目前我们所使用的机制砂的母岩主要为白云岩和石灰岩，属于非活性集料，表观密度在2600〜2780kg/m3,略大于河砂，压碎指标值在14%左右。机制砂由于颗粒多棱角，表面粗糙，容易与水泥等胶结材料粘结，从而提高混凝土的强度；一般看来，掺入机制砂生产的混凝土和易性较差，而机制砂中的石粉恰好能弥补这一缺陷。因为石粉是一种惰性掺和料，细度小，可以补充混凝土中缺少的细颗粒，增大固体的表面积对水体积的比例，从而减少泌水和离析；而且石粉能和水泥等胶结材料与水形成柔软的浆体，增加混凝土的出浆量，减少砂石间的摩擦，从而改善混凝土的和易性。但是机制砂中的石粉含量也是有一定限度的，超过这一限度，随着石粉含量的增加，混凝土拌合物用水量增加，也会导致混凝土强度下降。机制砂的颗粒级配可通过调整生产机制砂的先进设备和工艺得到控制，这是天然砂所不及的。就近取材生产和使用机制砂可以缓和建筑砂资源压力、降低混凝土生产成本、保护和缓解毁河（山）挖砂的环境问题、改善道路交通、提高工程质量，而这些优点也充分证明了使用机制砂的可行性。机制砂技术要求机制砂的定义按照《GB/T14684-2001建筑用砂》标准，机制砂的定义为：由机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。砂的类别砂的类别按其技术要求分为I类、II类、III类，分别适用于不同强度等级的混凝土。砂的细度模数砂的粗细程度用细度模数（Mx）表示，一般分为粗、中、细三种规格。其中：粗砂的细度模数为：3.7〜3.1中砂的细度模数为：3.0〜2.3细砂的细度模数为：2.2〜1.6砂的颗粒级配砂的颗粒级配在4.75mm〜0.15mm之间，一般由方孔筛4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15mm几个规格组成，且对每一方孔筛上的筛余百分比都有规定。砂的含泥量和泥块含量砂的含泥量和泥块含量根据不同的砂的类别有不同的要求。含泥量最大不得超过5%，其中泥块含量最大不得超过2%。砂的石粉含量人工砂的石粉含量也因砂的类别不同而有所区别，《GB/T14684-2001建筑用砂》标准规定,人工砂中石粉含量最大不得大于砂的质量的7.0%。原材料的质量检验砂子的选料及检验喷射混凝土宜选用中粗砂，细度模数应大于2.5，因为砂子太细，会使喷射混凝土干缩增大，混凝土表面产生太多裂缝；砂子太粗，则会增加混凝土喷射施工中的回弹量。经检验，机制砂的细度模数一般在3.40以上，明显偏粗，不宜单独使用。经过多次试验室筛分选配，我们决定采用60%机制砂与40%雅砻江砂(地产料且料源充足，细度模数在1.50〜2.00之间)组成混合砂使用。其检验结果见表1。表1混合砂的试验检测结果表检测项目细度模数堆积密度(kg/m)表观密度(kg/m)泥块含量(%)空隙率(%)石粉含量(%)检测结果2.94182126770.8326.8控制指标中粗砂>2500<2.0<47<7.04.2碎石的选料及检验目前，国产喷射机可对粒径不大于25mm的骨料进行喷射作业。为防止施工时管路堵塞以及减少喷射混凝土的回弹量，我们决定使用5-16mm的连续级配碎石。其检验结果见表2。表2碎石的试验检测结果表检测项目堆积密度(kg/m3表观密度(kg/m3空隙率(%)压碎值(%)含泥量(%)针片1犬(%)检测结果155026434111.00.6&0控制指标>2500<47<16<2.0<254.3水泥的选择和检验水泥品种和等级的选择必须满足工程使用需要，如掺入速凝剂时还应进行水泥与速凝剂的相容性试验。经考察检验，选用四川峨眉山峨胜牌P.O32.5水泥。其检验结果见表3。表3水泥的试验检测结果表检测项目安定性细度(%)凝结时间(h:min抗折強度(MPa抗压强度(MPa初凝终凝3d28d3d28d规定值合格<10.0>0:45<10:002.55.511.032.5检测结果合格0.62:504:104.07.420.841.54.4速凝剂的选择和检验使用速凝剂的目的是让喷射到岩面上的混凝土速凝快硬，减少施工中的回弹损失，防止因重力作用而引起混凝土的脱落，提高喷射混凝土与受喷岩面的适应性。经考察检验，使用昆明市生威混凝土外加剂厂生产的SW红星牌粉体速凝剂，掺量为水泥用量的4%。速凝剂的检验结果见表4。表4速凝剂的试验检测结果表检测项目掺量（%）初凝(min:s)终凝(min:s)1d抗压强度（MPa）细度（%）含水率（%）检测结果43:267:1710.812.11.1规范要求/<5:00<10:00>8<15V24.5水为普通洁净水，不必检验。配合比的设计及试拌5.1按照《JGJ55-2000普通混凝土配合比设计规程》，并结合施工规范中对喷射混凝土的要求进行配合比设计（混合砂及碎石用量的确定采用体积法计算，计算步骤及过程略），最终计算结果为（计算表观密度为2369kg/m3）：水泥：机制砂：河砂：碎石：水：速凝剂=370：535：357：892：200：14.8以此基准配合比的水灰比分别增加和减少0.05（用水量不变），计算出如下表所示的三个配合比：表5据基准配合比计算出的三种配合比序号水灰比水泥kg/m机制砂60%(kg/m河砂40%(kg/n)碎石kg/m水kg/m速凝剂kg/m计算表观密度kg/m10.4940851334289020016.3236920.5437053535789220014.8236930.5933955637089020013.62369按上表三种配合比分别制作混凝土试件，标准养护7d及28d后取出做抗压强度试验。试验结果见表6。表6标准养护7d及28d抗压强度表序号7d强度（MPa）28d强度(MPa)实测表观密度（kg/m3备注121.727.82400218.425.62400316.223.12400因为该配合比的计算配制强度fcu.o=26.6MPa，考虑到掺加速凝剂对混凝土的后期强度增长有一定的不利影响，根据配合比设计、试拌以及强度分析，上表中的1＃配合比可以满足工程质量要求。配合比的调整与确定6.1混凝土的表观密度计算值p=2369kg/m3,表观密度实测值p=2400kg/m3。因为该混c,c c,t凝土的表观密度实测值与计算值之差的绝对值没有超过计算值的2%，故不需要重新调整配合比。最终确定混凝土配合比为（每立方混凝土用量kg）水泥：机制砂：河砂：碎石：水：速凝剂=408：513：342：890：200：16.3。实际使用效果施工度及回弹量混合料采用强制式搅拌机拌和，干喷法施工。材料计量符合规范规定的水和速凝剂小于2%、砂与碎石小于3%的要求。喷射机具由有经验的喷射工人操作，要求喷射手在混凝土喷射过程中控制好水灰比，及时调整供水量，保持喷头与受喷岩面垂直，距离控制在0.6m〜1.2m之间。喷射施工中混合料搅拌均匀，颜色一致，喷射机工作稳定，混凝土表面平整、呈湿润光泽、无干斑或滑移流淌等现象，符合施工规范要求。喷射混凝土回弹量的大小与很多因素有关。混凝土的配合比、喷射压力、喷射角度和距离、喷射手的技术高低等都会影响混凝土的回弹量。现场目测喷射到岩面上的混凝土粘性好，回弹量少，可以满足施工规范要求。强度检验结果喷射混凝土强度检查试件采用喷大板切割法制作。喷射作业的同时,按实际施工条件向垂直放置的450*350*120mm的木模内喷射混凝土，放置养护一昼夜后脱模,立即移至养护室标准养护7d后将其加工成边长为100mm的立方体试件两组,继续标准养护至28d龄期后取出做抗压强度试验,两组试件试验结果分别为25.5Mpa和26.8Mpa,符合规范及设计要求。总结及注意事项经了解分析，合格的天然砂采购运输到施工现场的价格达每立方140元以上，而混合砂的价格是每立方50元，差价达90元以上，其经济效益十分可观。从保证工程质量方面考