机制砂T梁C55混凝土配制及性能研究

徐鑫1，夏京亮2，周永祥2，冷发光2，吴振兴1

（1. 中交隧道工程局有限公司，北京 100102；

2. 中国建筑科学研究院，北京 100013）

摘要：针对肯尼亚“一带一路”建设工程内马铁路项目沿线缺乏河砂的现状，采用肯尼亚当地原材料，从胶凝材料体系优化、粉煤灰掺量、砂率、机制砂石粉含量等对混凝土工作性、力学性能和耐久性影响的角度对机制砂T梁C55混凝土配合比进行了研究。结果表明：采用机制砂可以配制出满足现行铁路标准要求的T梁C55混凝土，砂率在36%~44％之间，抗压强度均满足C55混凝土的设计强度，砂率36%、38%时混凝土轻微泌水及流动性稍差，砂率40%～44%混凝土状态较好；石粉含量3.2%的机制砂混凝土出现泌水现象，结合标准要求和试验情况，石粉含量推荐控制在5%～7%；机制砂混凝土含气量小于河砂混凝土，容重比河砂混凝土大；机制砂混凝土抗压强度比河砂混凝土大，但是相差不多；机制砂T梁C55混凝土耐久性与河砂混凝土相差不大。

关键词：一带一路；内马铁路；机制砂；T梁混凝土

当前，我国正在积极推进“一带一路”发展战略，肯尼亚是“一带一路”战略东非布局的首站，蒙内铁路已建成通车，作为延长线的内马铁路正在建设，内马铁路是继蒙内铁路之后继续完全采用中国标准设计施工、中国技术集成、中国管理经验、中国机电设备建造的又一条国际干线铁路，项目建设将进一步夯实中国铁路标准在东非乃至整个非洲推广应用的基础。另外，内马铁路将与蒙内铁路和乌干达境内铁路接轨，并逐步与坦桑尼亚、卢旺达、布隆迪、南苏丹等国家的铁路实现联网，构成东非公共交通的“大动脉”，进一步推动东非次区域互联互通和一体化进程。

肯尼亚大部分地区常年干旱，河流较少且水流量不大，河砂匮乏，且存在含泥量和泥块含量过大、轻物质含量和有机物含量过多等质量问题，同时肯尼亚非常注重环境保护，其多个郡都有限制或禁止开采河砂的法律，而且内马铁路工程沿线缺少可以开采利用的河砂，采用机制砂是必然的选择。机制砂与河砂有较大差异，机制砂颗粒由于具有棱角、形状不规则，含有不少针片状颗粒。机制砂颗粒相互咬合，流动阻力大，因而拌制的混凝土工作性较差，易产生离析，机制砂颗粒间的咬合作用能够提高混凝土的抗折强度和抗拉强度，对混凝土的变形有限制作用；机制砂表面较粗糙，粗糙的表面增加颗粒流动阻力而对工作性产生不利影响，但也增加了集料与水泥浆之间的粘结强度，同时粗糙的表面会增加吸水率，影响混凝土用水量和坍落度损失等性能；机制砂级配不良，通常是两头多中间少，即粗颗粒(2.36mm以上)和细颗粒(0.15mm以下)较多，但中间颗粒(尤其是1.18～0.3mm之间)较少，配制的混凝土易于离析泌水，对混凝土强度和耐久性也有不利影响[1-5]。

机制砂在铁路混凝土中的应用研究多集中在涵洞和桥梁下部结构，用于T梁预制高强混凝土的相对较少[6-9]。本文从胶凝材料体系优化、粉煤灰掺量、砂率、机制砂石粉含量等对混凝土工作性、力学性能和耐久性影响的角度对机制砂T梁C55混凝土配合比及其性能进行了研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料

本文试验混凝土主要使用如下原材料进行配制：

（1）水泥：采用肯尼亚拉法基集团控股Bamburi水泥厂生产的CEM Ι 52.5水泥，生产执行的标准为EN 197-1，初凝155min，终凝255min，3d和28d抗压强度分别为27.2MPa、58.6MPa，比表面积320m2/kg。

（2）粉煤灰：采用印度I级粉煤灰，细度 (45μm筛余)10.1%，需水量比85%，烧失量1.45%。

（3）细骨料：机制砂，内马铁路DK143料场生产，表观密度2840kg/m3，吸水率1.6%，压碎值5%，细度模数2.6，石粉含量6.1%，MB值0.9，级配见图1；对比用河砂为肯尼亚河砂，细度模数2.5，级配见图1。

2.1.2粉煤灰掺量的影响

保持胶凝材料总量不变，调整粉煤灰掺量，试验不同粉煤灰掺量对T梁用机制砂混凝土性能的影响，试验配合比见表2，混凝土抗压强度见图3。由图3试验结果可知，在水胶比固定条件下，粉煤灰等量取代水泥，混凝土抗压强度随粉煤灰取代率的增加而降低，早期抗压强度下降幅度较大，28d抗压强度下降幅度较小。T梁混凝土对早期强度要求较高，粉煤灰掺量不易过大，而粉煤灰对提高混凝土耐久性贡献较大，掺量也不易过小，综合考虑，推荐粉煤灰掺量16%。

2.1.3砂率的影响

鉴于机制砂含有石粉且细度模数偏大，考虑适当提高砂率，试验不同砂率对T梁机制砂混凝土性能的影响。试验配合比见表3，混凝土抗压强度和工作性见表4和图4。由表4和图4试验结果可知，砂率对混凝土抗压强度具有一定的影响，砂率在36%~44％之间，抗压强度均满足C55混凝土的设计强度，砂率36%、38%时混凝土轻微泌水及流动性稍差，砂率40%～44%混凝土状态较好，在混凝土工作性满足要求的情况下，砂率推荐下限。

2.1.4石粉含量的影响

机制砂生产过程中产生石粉是难以避免的，这也是其区别于河砂的主要特点之一。在MB值试验合格的基础上（MB<1.40），国标规定（GBT14684-2011《建筑用砂》）石粉含量≤10%即可；铁路混凝土预T梁的标准TB/T3043-2005机制砂参照标准JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》规定石粉含量≤7%。试验不同石粉含量对机制砂T梁混凝土强度的影响，试验配合比见表5，混凝土工作性和抗压强度见表6和图5。由表6和图5试验结果可知，机制砂石粉含量越低配制的混凝土强度越高，试验采用三个石粉含量机制砂配制的混凝土抗压强度均满足C55混凝土设计要求。石粉含量3.2%的机制砂混凝土出现泌水现象，机制砂石粉含量结合标准要求和试验情况，推荐控制在5%～7%。

2.1.5 机制砂与河砂对比

采用河砂与机制砂进行对比试验，试验配合比见表7，混凝土工作性见表8，混凝土力学性能见表9。由表8和表9试验结果可知，机制砂混凝土含气量小于河砂混凝土，容重比河砂混凝土大；机制砂混凝土抗压强度比河砂混凝土大，但是相差不多，均满足C55混凝土力学性能要求。

2.2机制砂T梁混凝土耐久性

通过2.1机制砂T梁混凝土工作性和力学性能，优选出机制砂T梁配合比见表7，采用该配合比进行了混凝土耐久性试验，并与河砂混凝土进行对比，结果见表10，由试验结果可知，机制砂混凝土电通量与河砂混凝土相差不多，均满足标准要求。机制砂混凝土和河砂混凝土抗水渗试验均做到了P20，两种混凝土抗水渗性能相差不大。

参考文献

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[2] 李北星, 周明凯. 石灰岩机制砂中石粉作掺和料对混凝土工作性和强度的影响[J]. 公路, 2007 (12): 141-145.

[3] 王稷良. 机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D]. 武汉理工大学, 2008.

[4] 蔡基伟, 李北星, 周明凯等. 石粉对中低强度机制砂混凝土性能的影响[J].武汉理工大学学报, 2006, 28(4): 27-30.

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[6] 赵淮生.混合砂配制高性能混凝土在铁路工程中的应用[J].铁道建筑，2010（8）：147-150

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[8] 钟美秦，刘光明，张奇男.机制砂在铁路高性能混凝土中的应用研究[J].混凝土世界，2014（10）：34-45

[9] 房玉中，谢国强，陈晓成. 渝黔铁路天坪隧道机制砂生产关键技术研究[J].隧道建设，2015（9）：883-891