人工砂在管桩混凝土中的应用

摘要： 本文确定了C80F350人工砂混凝土配合比的基本参数，测试了其和易性、力学性能及耐久性能，并进行了人工砂混凝土管桩试生产，对桩体进行了抗弯试验，对桩体切块进行了抗压及抗冻试验。结果表明：（1）采用现有机制砂与天然细砂按一定比例混合而成的混合砂可以配制出与天然砂混凝土性能同样优异的C80F350人工砂混凝土；（2）C80F350人工砂混凝土与天然砂混凝土相比具有抗压及劈裂抗拉强度高、抗冻及抗渗性好、氯离子渗透系数低、弹模大等特点；（3）C80F350人工砂混凝土与现有管桩生产工艺相适应，管桩桩体抗弯性能、切块抗压强度及耐久性能均能满足相关要求。

Abstract： In this article， the basic parameters of C80F350 artificial sand concrete mixture ratio is determined， and its workability， mechanical properties and durability are tested. Pilot production of artificial sand concrete pipe pile is conducted. Pile bending test and pile dice antipressure and antifreezing test are carried out. The results show that： the mixed sand of machine-made sand and natural sand mixed together in definite proportions can make C80F350 artificial sand concrete which has the same excellent performance with natural san concrete； Compared with natural sand concrete， C80F350 artificial sand concrete higher compressive strength and splitting tensile strength， better frost resistance and permeability resistance， lower chloride ion permeability coefficient and bigger elastic modulus； C80F350 artificial sand concrete is conformed to the existing pipe pile production process， and the pipe pile body bending capacity， dice compressive strength and durability properties can meet the related requirements.

关键词： 人工砂；C80F350管桩混凝土；力学性能；耐久性能

Key words： artificial sand；C80F350 pipe pile concrete；mechanical properties；durability

中图分类号：TU525 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）12-0192-05

0 引言

PHC管桩是我国近年来引进并开发的一种预应力高强混凝土制品，已广泛应用于海港、河道及桥梁工程等的桩基础，有较大的市场前景。其混凝土强度为C80，在北方寒冷地区要求其抗冻等级达到F350，这就使得对配制管桩混凝土所用原材料的质量要求较高，而我厂所处地区及周边优质天然河砂缺乏，市场价格高居不下，质量可控性差，导致管桩生产成本不断上涨，管桩混凝土质量控制难度增加。如何解决天然砂匮乏这一难题，已迫在眉睫。

人工砂与天然砂相比具有料源丰富、质地坚硬、加工季节影响小、粘结性能良好等优点，且其各项物理指标（细度模数、表观密度、容重、空隙率等）与天然砂相近，是比较适宜的代替天然砂的材料。然而，由于试验标准与技术规范的不完善及试验材料的滞后，我国建筑业对天然砂还存在较强的依赖性，在许多重要结构中对人工砂的使用还存在限制条件，尤其在有耐久性要求的北方水运工程混凝土中的应用则更少。加之细集料的特性对混凝土性能影响较为明显，特别是对于高强高性能混凝土，细集料的级配、细度模数和种类等对其和易性、力学性能等性质有较大影响，而作为替代河砂配制高强高性能混凝土的人工砂，其级配相对较差，细度模数偏大，存在较多0.75mm以下的石粉，其表面粗糙，具有自身的特殊性，无法直接代而用之。综合以上特点，有必要对C80F350人工砂混凝土的配合比、混凝土性能等进行研究。

1 人工砂管桩混凝土的配制及性能试验

1.1 人工砂管桩混凝土的配制

1.1.1 试验用原材料及性能

①细骨料。试验用细骨料为取自辽阳地区的机制砂（经除土处理，由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风化的颗粒）、复州大河和普兰店瓦涡的河砂，试验数据和颗粒级配如表1和图1所示。

②粗骨料。试验用粗骨料是复州湾泉江石矿所产的公称粒径为5-25mm的碎石，连续级配，其各项指标均符合《建设用卵石、碎石》（GB T14685-2011）的要求，试验数据和颗粒级配如表2和图2所示。

③水泥。试验用水泥为大连水泥集团有限公司生产的大水P・O52.5R水泥，其物理力学性能检验结果符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的相关技术要求，如表3所示。

④矿物掺合料。矿粉：鞍钢矿渣开发公司生产的S95级矿渣粉；硅粉：鞍山鞍美国贸实业开发有限公司生产的微硅粉。试验数据见表4。

⑤外加剂。试验用外加剂为大连申维建材制品有限公司的聚羧酸高效减水剂，主要技术指标见表5。

1.1.2 试验用混凝土配合比

以现有C80F350天然砂混凝土配合比为基础，分别采用天然砂、机制砂与天然细按一定比例混合而成的混合砂、连续级配机制砂按0.23、0.24、0.25和0.26的水胶比进行了混凝土配合比设计。结果表明，0.24及其以上水胶比的天然砂混凝土，0.25及其以上水胶比的机制砂与混合砂混凝土均无法满足配制强度要求，故最终用于性能试验的混凝土配合比见表6。

1.2 人工砂管桩混凝土性能试验及结果分析

1.2.1 拌合物性能

通过试拌发现，天然河砂混凝土的和易性明显优于纯机制砂混凝土和混合砂混凝土。纯机制砂混凝土的保水性差，泌水明显、离析严重，难以满足工作性要求，但机制砂与天然砂按一定比例混合而成的混合砂混凝土和易性较好，能满足生产要求。因此，本试验以混合砂混凝土为研究对象，以机制砂混凝土及与现场同步的天然河砂混凝土为对照组。

1.2.2 力学性能试验及结果分析

①混凝土立方体抗压强度。分别以天然砂、混合砂和机制砂作为细骨料按表6配合比成型尺寸为100mm×100mm×100mm立方体试块，蒸养，分别测试其出池抗压强度（3d强度），及出池后在空气中静置7d和28d的抗压强度。试验结果见图3。

结合表6配合比与图3的试验结果可以看出：1）0.24水胶比机制砂和混合砂混凝土3d、7d和28d强度均高于水胶比为0.23的河砂混凝土相应龄期的强度，且混合砂混凝土强度最高。其主要原因是掺于混合砂中的机制砂表面粗糙、棱角多，有助于提高界面的粘结作用，掺于其中的天然细砂又改善了其颗粒级配，减少了界面过渡区的形成，表现为抗压强度等力学性能的提高。2）在单位用水量相同、满足配制强度及和易性要求的条件下，混合砂混凝土的水胶比较大。因此，用混合砂配制管桩混凝土能够节约胶凝材料，一定程度上降低生产成本。

②劈裂抗拉强度。分别以天然砂、机制砂和混合砂作为细骨料按表6配合比成型尺寸为150mm×150mm×150mm立方体试块，蒸养，分别测试其出池（3d）劈裂抗拉强度。结果见图4。

由图4可以看出，混合砂混凝土的劈裂抗拉强度大于机制砂和河砂混凝土。一般而言，劈裂抗拉强度与抗压强度之间存在相关关系，二者的比值在0.056～0.067之间，平均比值为0.063，但二者的比值所遵循的普遍规律是随混凝土抗压强度的提高而降低[1]；对于人工破碎的骨料亦存在如下关系[2]：ft=0.48■

其中，fc――立方体抗压强度；ft――劈裂抗拉强度。

本试验所得结果与上述关系基本一致。这种相关关系主要取决于粗细骨料与水泥石结合面之间的界面关系。混合砂级配良好、空隙率小，且掺与其中的机制砂表面粗糙、棱角分明，这种特性恰恰增强了粗细骨料与水泥石之间的界面作用，减少了界面缺陷，提高了劈裂抗拉强度，一定程度上降低了沉桩过程中因弯拉作用导致桩体混凝土开裂的可能。

③静力弹性模量。静弹性模量反映了混凝土所受应力与所产生应变之间的关系，是混凝土结构计算的重要参数，对于混凝土这种非匀质多相材料，主要组分的密度与所占的体积百分比以及过渡区的特性决定其弹性特征。同时，由于密度与孔隙率成反比，所以影响骨料与水泥石和过渡区各部分孔隙率的因素与混凝土的弹性特征也存在一定的联系。对于PHC管桩而言，静弹模越大，沉桩过程中发生同样的应变所需的应力越大，而PHC管桩在桩体混凝土抗压强度一定的前提下，存在一个桩体混凝土开裂临界应变量，即静弹模越大，达到该临界应变量所需的应力越大，桩体抗打能力越强。

由图5的对比试验结果可以看出，3d混合砂混凝土的静弹性模量高于机制砂和天然河砂混凝土。其主要原因一方面是由于机制砂粗糙多棱角的颗粒在砂浆中起着骨架作用，天然细砂发挥了填充作用，减小了孔隙律，限制了水泥石的变形以及骨料颗粒之间的相对滑动，另一方面弹性模量也与强度有很好的相关性，一般来说，抗压强度高的混凝土弹性模量也相应较高。

1.2.3 耐久性能试验及结果分析

①抗氯离子渗透性能。本试验采用电通量法测定混凝土的氯离子渗透性能，其试验结果远低于相关规范有关高性能混凝土氯离子渗透性不得大于1000C的规定。试验结果见图6。由图6可以看出，混合砂混凝土的抗氯离子渗透性能优于机制砂和天然河砂混凝土。其原因可能是在浆体体积基本相同的条件下，用空隙率较小（混合砂空隙率为40%，天然砂为44%，机制砂43%）的混合砂所配制的混凝土更为密实。

②抗冻性能。

重量损失率试验结果和相对对动弹性模量试验结果分别如图7和图8。《水运工程混凝土试验规程》（JTJ 270-98）规定相对动弹性模量下降至75%或重量损失率达5%时，即可判定试件已经破坏，并以相应的上一级冻融循环次数作为该混凝土的抗冻融等级。一般而言，北方严重受冻地区的抗冻融循环设计为F350。从图7和图8可以看出，三种细骨料混凝土的抗冻性能均在F500以上，且其外观质量良好，等级评定均在8级以上，如图9。从现有数据而言，三种细骨料混凝土的抗冻融性能由强到弱依次为：混合砂混凝土>机制砂混凝土>天然砂混凝土。

③抗渗性。对三种细集料混凝土进行抗渗性能对比试验时发现，当水压加至3.0MPa时，该三种细骨料混凝土均未发现渗水现象，劈裂后断面渗水高度由小到大的顺序依次是：混合砂混凝土≤机制砂混凝土

2 实际生产试验

2.1 新拌人工砂管桩混凝土与现有生产工艺的适应性 通过生产试验发现，混合砂混凝土与现有PHC管桩生产工艺具有较好的适应性，尤其是与和混凝土拌合物工作性紧密相关的布料工艺与离心工艺适应性较好，如图11和图12。因此，就工作性而言，混合砂混凝土完全适用于管桩生产。

2.2 桩体切块性能试验

将混合砂混凝土试验桩桩体按照相关规范要求切割成100mm×100mm×100mm的立方体试块和100mm×100mm×400mm的小梁分别用于抗压和抗冻试验，并以振实成型的同条件试块作为对照组。结果表明，桩体混凝土3d抗压强度高于对照组同龄期混凝土，满足设计要求，如图13；出池（3d）桩体混凝土的抗冻性能也优于对照组同龄期混凝土，满足相关规范要求，试验数据及400循环时抗冻试件外观分别如图14、图15和图16。这种结果可能是由离心成型工艺比振实成型能使混凝土更加密实所致。

2.3 桩体抗弯试验

委托辽宁省工程质量检测中心以《预应力混凝土管桩》（10G409）及《先张法预应力混凝土管桩》（GB13476-2009）为依据，对人工砂混凝土及天然砂混凝土试验桩桩体进行了抗弯性能对比试验。结果表明，人工砂混凝土管桩具有与天然砂混凝土管桩同样优异的抗弯性能，实测数据远大于标准指标，完全满足规范要求。试验数据如表7。

3 结论

①由天然细砂与机制砂按照一定比例混合而成的混合砂，只要级配良好，细度适中，所含杂质符合《建设用砂》（GB T14684-2011）中有关Ⅰ类砂的规定，便可用其配制出和易性、强度及耐久性均满足要求的管桩混凝土。②人工砂管桩混凝土与天然砂管桩混凝土相比具有抗压及劈裂抗拉强度高、抗冻及抗渗性好、氯离子渗透系数低、弹模大等特点。③人工砂管桩混凝土与现有PHC管桩生产工艺具有较好的适应性，且桩体抗弯性能、桩体混凝土的力学性能和耐久性能均能满足要求，可直接替换原有天然河砂混凝土投入生产。

4 展望

本试验是以同一地区的机制砂为原材料进行的试验研究，且未能用纯机制砂配制出和易性满足生产需要的混凝土。考虑到在实际应用中，机制砂的质量不可能一成不变，同时相关研究表明：①机制砂石粉含量的多少对混凝土耐久性及静弹性模量的影响较为复杂；②机制砂的颗粒形状、级配及石粉含量对混凝土的和易性有较大影响。因此，在本试验的基础上，将来应分别以机制砂石粉含量、颗粒级配、颗粒形状及细度为单因子变量或运用正交试验的方法进行混凝土相关性能与影响因素的试验研究，在扩大机制砂可选范围的同时配制出满足要求的纯机制砂管桩混凝土。

参考文献：

[1]杨玉辉.C80机制砂混凝土的配制与性能研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[2]刘树华，李家正.混凝土配合比设计[M].北京：中国建材工业出版社，2009.

[3]张桂梅，张桂珍.人工砂的应用研究[J].山西水利，2001（S1）.