機制砂在混凝土中的應用研究

近年來，隨著國內(nèi)各種建設事業(yè)的迅猛發(fā)展。如:建筑物、公路、橋梁等水泥混凝土和瀝青混凝土的用砂量十分巨大。河道采砂已經(jīng)不能滿足人們發(fā)展建設所需用砂量，建筑用砂量急劇上升，但是天然砂的采集量受到大自然河流沖刷制砂的限制，河道采砂的增長對于河流的正常流動以及河道的安全造成了一定的安全隱患。為了河道的安全，全國各地已經(jīng)發(fā)出了禁采令，規(guī)定在某些時間可以采砂，并且采砂的量受到了限制。建筑的發(fā)展致使需要用砂量的急劇上漲，從而砂價也開始連年上漲，但是天然砂的匱乏致使我們必須找出好的方法去解決用砂石供應不足與建筑生產(chǎn)之間的矛盾。對于市場的需求，以及供求之間的矛盾，人工砂出現(xiàn)了。因此，尋找新的混凝土用砂資源己迫在眉睫，開發(fā)使用機制砂已成為解決建筑用砂短缺的重要途徑之一。

1人工砂的定義、特點

人工砂也叫機制砂，就是把山石和從河道挖取的河卵石通過沖擊式破碎機(又稱制砂機)的處理成為適合建筑使用的砂子。90年代，浙江省已大規(guī)模使用機制砂，并制訂了相關地方標準，之后云南、北京也出臺了機制砂相關標準和使用規(guī)程。相繼，京、渝、湘等地都有了機制砂生產(chǎn)線。可以說，作為混凝土、砂漿等基本材料的建筑用砂，機制砂應用成功已是不爭的事實，大量工程實踐(包括舉世矚目的三峽水利工程)已充分證明，使用機制砂的可能性及必要性。機制砂的自身主要特點是:目前基本為中粗砂，細度模數(shù)在2.6～3.6之間，顆粒級配穩(wěn)定、可調(diào)，含有一定量的石粉，除150um的篩余有所增加外，其余篩余均能滿足標準天然砂I區(qū)、Ⅱ區(qū)要求，粒型多呈三角體或方矩體，表面粗糙，棱角尖銳。但由于全國各地機制砂的生產(chǎn)礦源的不同、生產(chǎn)加工機制砂的設備和工藝不同，生產(chǎn)出機制砂粒型和級配可能會有很大的區(qū)別，比如，有些機制砂片狀顆粒較多，有些機制砂的顆粒級配為兩頭大中間小，但只要能滿足國標中對人工砂的全部技術指標，就可以在混凝土和砂漿中使用。并且機制砂的粒型和級配都是可以調(diào)整和改進的，在這一點上，人工砂于天然砂有著本質(zhì)的區(qū)別。

2機制砂混凝土的性能

2.1新拌和時的工作性

新拌和機制砂混凝土的工作性能，又稱和易性，是指混凝土具有流動性、可塑性、穩(wěn)定性和易密性等幾方面的一項綜合性能，這些性能并不是孤立的，而是有一定的相互關聯(lián)，時從不同的角度描述新拌混凝土的特性。表示混凝土澆灌成型的難易程度，也表示混凝土抵抗材料分層離析的能力。坍落度作為混凝土和易性的具體指標。

在水灰比相同的條件下，機制砂混凝土坍落度要小于河砂混凝土，這主要是機制砂本身具有裂隙、空隙及孔洞，其有一部分顆粒為礦物顆粒集合體，這樣增大了砂子的比表面積，吸附了更多的水，導致混凝土的需水量增加，坍落度減小。相同條件下，配置相同坍落度的混凝土，機制砂比天然河砂需水量增加5～l0kg／m³。但在不增加水泥的前提下水灰比變大后，一般混凝土實測強度并不降低。如果按天然砂的規(guī)律進行機制砂混凝土配比設計，人工砂的需水量大，和易性稍差，易產(chǎn)生泌水，特別在水泥用量少的低強度等級混凝土中表現(xiàn)明顯；而如果根據(jù)人工砂的特點進行機制砂混凝土配比設計，通過合理利用人工砂中的石粉、調(diào)整人工砂的砂率，是完全可以配制出和易性很好的混凝土。

試驗證明最適合配制混凝土的人工砂細度模數(shù)為2.6～3.0，級配為Ⅱ區(qū)。人工砂在配制填加外加劑的混凝土時，對外加劑的反應比天然砂敏感。人工砂配制的高強度泵送混凝土在泵送過程中不易堵泵。正確使用人工砂配制的混凝土密實度大、抗?jié)B、抗凍性能好，其它物理力學性能和長期耐久性均能達到設計使用要求。人工砂特別適于配制高強度等級混凝土、高性能混凝土和泵送混凝土。

2.2機制砂混凝土的力學性能

混凝土的力學性能指標包括抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、抗彎強度、彈性模量、粘結強度、疲勞強度、收縮徐變特性等。針對這些指標進行深入研究的還比較少。但是，對于抗壓強度、彈性模量這2個主要指標，國內(nèi)外卻積累了較豐富的實驗資料。采用機制砂配置C50混凝土的實驗結果如表1所示。

一般機制砂篩余0.315mm以下所占比例較小，僅有10％左右。相關混凝土泵送施工技術規(guī)程中指明，泵送混凝土細骨料通過0.315mm篩孔的篩余不應小于15％。天然細砂的粒徑主要集中在0.3mm以下，細度模數(shù)一般在1.5左右。天然細砂細度模數(shù)低，若單獨配制混凝土，會由于收縮大引起混凝土開裂，但是可以利用天然細砂粒徑主要集中在0.3mm以下的特點，與機制砂復合組成人工混合砂，從而使配置的混凝土獲得良好的施工性能。通常用40％的天然細砂與60％的機制砂混合作為細骨料使用，可以取得良好的效果。對特細砂、混合砂、機制砂混凝土進行了實驗對比，結果如表2所示，其混合砂中特細砂和機制砂的比例為4:6，機制砂母巖為石灰?guī)r。表3為的實驗結果。

由于機制砂一般采用硬質(zhì)巖石破碎，機制砂比天然砂的抗壓強度更高。所以機制砂混凝土與天然砂混凝土相比，各項力學性能指標不低，甚至更高。

當然，混凝土的強度、彈性模量等力學性能指標除了和砂的強度有關外，還與其他因素有關，如機制砂中的石粉含量和混凝土配合比中的砂率等。機制砂混凝土的實驗表明，石粉含量對混凝土的強度的影響很大，石粉含量越高，混凝土的強度隨之降低。機制砂砂率在小于40％時，拌合物過于粘稠，砂率增大后，工作性能得到改善，砂率在42～46％時，強度趨于穩(wěn)定。砂率超過50％，不但強度有所下降，而且靜力受壓彈性模量顯著降低。

3試驗機理

(1)配制混凝土時，水灰比較大、水泥用量少，機制砂中的石粉補充了細顆粒，增加了混凝土拌合物的稠度，拌合物的粘聚性隨著石粉含量的增加而增加，離析現(xiàn)象隨石粉含量增加明顯改善，機制砂中含有適當比例的石粉可以提高坍落度。石粉的存在，增加了固體表面積對水的比例，保水性增強，泌水情況得到改善。

(2)機制砂中的石粉在水泥水化反應中起晶核作用和微集料填充作用，增加了混凝土的密實度，在一定程度上提高了混凝土的強度。在單位水泥用量少的情況下，石粉對機制砂混凝土強度的貢獻更加突出。在給定水灰比和單位水泥用量情況下，機制砂混凝土強度隨齡期的發(fā)展規(guī)律與石粉含量關系不明顯。

(3)對于機制砂混凝土，機制砂含有一定比例石粉對混凝土強度的提高有促進作用，且提高程度與水灰比成一定正比關系。

(4)從混凝土的工作性和抗壓強度方面來看，配制混凝土時，機制砂中含有一定比例的石粉是有益的，機制砂并非“越干凈越好”。

4機制砂應用中需改進的方面及建議

雖然機制砂目前已在各地應用。但在一些地區(qū)尚未受到足夠的重視。除了人為因素之外，也因為機制砂在使用中還存在一些技術問題:比如機制砂由于其顆粒級配比較差。尤其是大于2.5mm和小于0.08mm的顆粒明顯多于天然砂。級配波動較大水泥混凝土的和易性差。并且容易造成混凝土外觀質(zhì)量缺陷。單純使用機制砂配制水泥混凝土還會造成水泥用量的增加。這些問題可以考慮采用以下方法解決:(1)施工前、施工過程中和施工后，都應對混凝土性能進行檢驗。(2)機制砂高性能混凝土生產(chǎn)和施工的質(zhì)量控制，除了符合本指南要求外，還應符合《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JTJ041)和《混凝土質(zhì)量控制標準》(GB50164)的有關規(guī)定。(3)公路水泥混凝土路面施工應符合《公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范》(JTGF30)的規(guī)定。(4)機制砂混凝土的拌制、運輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護等施工要求與天然砂混凝土施工基本相同，但受機制砂特點和機制砂混凝土性能特性的影響，有其特殊之處。(5)機制砂高性能混凝土施工應制定嚴密的施工技術方案，并采取以下關鍵措施重點保證質(zhì)量:結構表層混凝土的振搗密實與均勻性；混凝土的良好養(yǎng)護；混凝土保護層厚度或鋼筋定位的準確性；混凝土裂縫控制等。

5結束語

總之，機制砂作為一種重要的建筑材料。在建筑、公路施工等領域有著廣闊的應用前景。各地在積累成功經(jīng)驗的同時，應在以后的工程建設中加以大力推廣和應用。