非洲地区自行加工火山岩砂石骨料在混凝土施工中的应用

非洲地区自行加工火山岩砂石骨料在混凝土施工中的应用

赵春恺

上海建工集团股份有限公司海外事业部

摘要：中国援建科摩罗的莫罗尼体育场工程，位于非洲东部的科摩罗岛，当地资源匮乏，没有商品砼供应，建筑砂石料供应也极为短缺。通过对施工现场的火山岩土石方挖填平衡，将开挖出的玄武岩通过选择满足强度要求的原料自行加工来解决混凝土骨料的供应难题。

关键词：非洲地区；火山岩；自行加工；混凝土骨料；强度

1.项目概况

援科摩罗莫罗尼体育场项目位于东部非洲科摩罗共和国的首都莫罗尼市内，设计可容纳10726座位，用地面积8.55公顷，可满足一般性的国际比赛。结构形式为：独立基础加基础连梁；上部采用钢筋混凝土框架结构；东看台地上二层；西看台地上三层，顶部设有膜结构罩棚。结构混凝土设计强度为C30，混凝土总量11000m3。地质状况为：系卡塔尔拉火山喷发形成的火山岩（玄武岩）层，分为四大层：①.地表层0.2～2.2m人工堆积碎石土；②.第四纪玄武岩层；③.火山碎屑层；④.玄武岩层。其中：东看台持力层座落在②层处；西看台持力层座落在③层处。

2.项目特点难点及解决困难的思路

2.1当地砂石料供应短缺

本项目所在地位于印度洋中的科摩罗群岛，施工资源极其匮乏，当地没有商品砼供应，水泥（拉法基牌）由其他国家海运解决；砂石骨料由当地小型采石场生产，产能、质量、运输能力严重不足，价格昂贵且不稳定，对项目正常实施造成了很大的影响。

2.2施工现场土石方挖填量大

本项目场内有80000m3火山岩需凿除，其中多数为质地坚硬的玄武岩，凿除开挖难度大，同时按土石方平衡原则计算得出凿除后的石方大部分需要抛弃。

2.3解决困难的思路

根据现场实际困难情况，考虑因地制宜、就地取材，采取岩石凿除、选材、自行加工、综合利用等方式，将场内开挖出的火山碎屑和玄武岩通过砂石生产线加工成为混凝土骨料来加以利用，变成可以用作自拌混凝土施工的骨料。根据地勘报告所述，清理地表后坚固岩层从上到下约1.0m厚强度从30Mpa到60Mpa不等，基本呈线性分布。根据GB50164中规定岩石抗压强度比混凝土设计强度高30%，本项目混凝土设计强度为C30，选择强度大于40Mpa岩石破碎后可以用作自拌混凝土粗骨料。

现场按照JGJ52标准中的方法进行试验，测得砂、石的含泥量及泥块含量均处在较低范围，未检测出骨料具有碱活性及其他有害物质，砂和石子的压碎指标均≤30%。加工而成的砂石制品具有足够硬度和强度，不含盐（钠离子），满足建筑用砂石标准。

3.具体实施方案

3.1砂石生产设备

选用设备规模：经计算采用每天产量为150～200吨砂石生产线。对场内②层形成的玄武岩凿除并进行破碎，加工出4种规格的骨料产品，粒度分别为：机制砂0～4mm；细石5～10mm；碎石10～20mm；碎石20～30mm。

经科摩罗国家实验室对混凝土试块的压碎试验得知，拉法基牌水泥与当地玄武岩配制的混凝土其相容性基本达到要求，由于火山岩的特性，拌合瞬间水被大量吸收，同样水灰比时，坍落度明显降低。试块制作过程中发现比较容易产生离析现象。从试压结果分析，水泥与碎石的表面结合明显要好，原因是火山岩内部存在微小气孔，石子表面凸凹不平，增强了握裹强度。由于火山岩内部结构的特殊性，在拌合初期石子内部大量吸水，然后慢慢释放，这就为水泥强度增长提供了充分的养护湿度，很大程度的改善了养护条件。

3.2混凝土配合比确定

通过混凝土配合比设计和试配以检验火山岩骨料与胶凝材料协同工作的性能。初次试配基本按照我国规范相关规定执行，并掺入2%的减水剂进行试配试验，试验分为试块制作、养护、及试压三个阶段。

砂石生产线俯视实物图

经试配，调整配合比，试块在标养室内养护与自然养护同步进行，按照3d、7d、28d分别作了大量试验，3d、7d的早期强度值明显偏高；28d强度不够稳定，试验值比较集中、稳定，综合评定能够达到合格。后期45d强度明显增高，大部分都是高于28d强度15%以上。

3.3与国内混凝土配合比的差异

3.3.1骨料差异

国内一般采用天然砂石（碎石或卵石），即使机制砂也是由青石或花岗岩加工而成，石材本身结构致密，硬度较大；

火山岩成岩过程大量气体释出，形成微小蜂窝状结构，韧性强、硬度低、重量轻；因此拌制过程颗粒之间摩擦阻力大，吸水快，颗粒内部含水率也大，颗粒表面棱角多，颗粒浮容重比较小，因此和易性较差，容易离析，搅拌时间应适当延长。

3.3.2配制采用的配合比砂率提高

正常混凝土砂率在0.35～0.40之间，而火山岩配制的混凝土石粉率（砂率）应在0.45～0.48之间，否则明显细骨料偏低，浇筑困难。

3.3.3拌合时水灰比适当加大

按照混凝土配合比设计规程（JGJ55-2011)），第三类环境条件配制混凝土水灰比在0.5（C30），而火山岩混凝土则需0.58～0.62之间，否则振捣成型困难。

不同标号砼的配合比：主要是总结了砼中水泥和机制砂及碎石之间的关系，从C15至C30,水泥用量与国内不掺外加剂的级配基本相当，略有减少，原因是火山岩内部存在大量孔洞，骨料表面凸凹不平，增加了机械咬合强度；C30以上水泥用量急剧增加，且效果不大，原因是高等级混凝土的强度不只是受水泥用量控制，还取决于骨料硬度。试验表明C30以上的试块在破坏时断面显示，70%以上的碎石均已剪切破坏。

不同气候环境砼的配合比：因玄武岩的密度稍小、孔隙率较大，碎石吸水吸潮能力很强，阴雨天气水灰比就要低些，尤其在雨季搅拌混凝土时，水量明显偏低，在非洲施工，受条件限制，不可能时刻都检测碎石含水率，因此采用经验法很重要。在旱季水灰比要相应提高，否则拌制出的混凝土不易塑型。

构件尺寸对配合比及碎石粒径的要求也是不同的，在国内施工同级别混凝土碎石粒径调整的并不多，碎石粒径大，其强度相应就高，所以在浇筑尺寸允许的情况下，尽量采用大粒径骨料。

相同强度等级混凝土随着粗骨料粒径增大，水泥用量减少、水灰比也会稍微降低、砂率增加。

4.实施情况

通过理论分析和大量试验，现场自拌混凝土工作有了实施的基础。在项目具体施工中，采取了以下的措施确保混凝土的供应和质量达到规范要求。

4.1施工过程

由于是在新条件新环境下的新配置混凝土施工，正式施工时技术人员全程跟踪，及时解决处理技术难题。主要是从机械、材料、环境等方面组织调整。

4.1.1机械使用

混凝土浇筑时尽量使用机械填料，运用分料设备上的电子秤，精准投料；考虑到海运影响，电子秤使用前经过校正。

本项目采用750型混凝土搅拌机搅拌，严控搅拌时间；每班第一罐适当增加水泥用量，以减小粘罐引起水泥损失，影响强度。

出罐后的混凝土用翻斗车及时运送至浇筑地点，防止长时间放置引起离析。

采用插入式振捣棒施工，一般构件采用φ50～70振捣棒；小型构件采用φ30振捣棒。不允许用小型棒代替大棒。以免振动力不足，影响混凝土浇筑强度。

4.1.2材料控制

从源头抓起，火山岩开凿时专人负责，保证母材质量；砂石加工后各品种骨料明晰分别堆置，混凝土浇筑时按配合比要求分别取料；任何情况下都不允许混合用料。

投料时严格控制配合比，准确掌握各级配混凝土的砂石用量。

施工严格控制水灰比，不允许擅自增减用含水量，当天气环境等因素影响时，必须由技术人员进行必要调整。

4.1.3环境适应性调整（雨季、旱季）

由于非洲气候分旱季和雨季，尤其是雨季施工，骨料自然含水率变化频繁，必须灵活、准确掌握。理论上骨料含水率应经常检测，但在非洲落后地区实际执行有困难，所以当条件变化时，应从低水灰比向高水灰比逐渐调制，使新搅拌出混凝土塌落度在交底要求范围。

4.2结果稳定程度

通过日常自行质量检查以及援外工程结构验收专家组评定，实测近千点，按碳化深度2mm及规定参数计算结果（折减值）：体育场结构混凝土C30、构造混凝土C25的平均值均在1.2～1.25倍，如C30结构混凝土的评定结果均在35～37Mpa、C25构造混凝土评定结果在29～31Mpa之间，数值很集中、均衡，得到了专家们的一致首肯。

4.3综合效益

科摩罗莫罗尼体育场项目的施工，施工人员认真细致研究，通过大量试验得到了真实可靠的技术参数，为今后在非洲类似地质情况下开展自拌混凝土施工提供了参考。

由于数据充分、施工管理到位、质量全程受控，确保了施工的混凝土工程在中期结构验收中，被评定为优良工程。

5.结束语

项目部通过不断实践和探索，很好地解决了大型援建项目在非洲火山岛国施工混凝土相关技术问题，确保了工程质量和结构安全。

在本工程的实施中，有效解决了将火山喷发形成的玄武岩经过自行加工用于混凝土的施工中，避免高价采购，将大量石方原地消化、利用。这一现实为在当地的承建施工的中资企业在混凝土施工方面提供了可参考有价值的经验。

参考文献

[1]《普通混凝土用砂石质量及检验方法标准》.

[2]赵海江，混凝土配合比速查速算手册.

[3]《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55―2011).