機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用研究

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)各種建設(shè)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(mǎn)足人們發(fā)展建設(shè)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(zhǎng)對(duì)于河流的正常流動(dòng)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(guó)各地已經(jīng)發(fā)出了禁采令，規(guī)定在某些時(shí)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(jià)也開(kāi)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(yīng)不足與建筑生產(chǎn)之間的矛盾。對(duì)于市場(chǎng)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(kāi)發(fā)使用機(jī)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(diǎn)

人工砂也叫機(jī)制砂，就是把山石和從河道挖取的河卵石通過(guò)沖擊式破碎機(jī)(又稱(chēng)制砂機(jī))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(jī)制砂，并制訂了相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)，之后云南、北京也出臺(tái)了機(jī)制砂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和使用規(guī)程。相繼，京、渝、湘等地都有了機(jī)制砂生產(chǎn)線(xiàn)?？梢哉f(shuō)，作為混凝土、砂漿等基本材料的建筑用砂，機(jī)制砂應(yīng)用成功已是不爭(zhēng)的事實(shí)，大量工程實(shí)踐(包括舉世矚目的三峽水利工程)已充分證明，使用機(jī)制砂的可能性及必要性。機(jī)制砂的自身主要特點(diǎn)是:目前基本為中粗砂，細(xì)度模數(shù)在2.6～3.6之間，顆粒級(jí)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(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)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(guó)各地機(jī)制砂的生產(chǎn)礦源的不同、生產(chǎn)加工機(jī)制砂的設(shè)備和工藝不同，生產(chǎn)出機(jī)制砂粒型和級(jí)配可能會(huì)有很大的區(qū)別，比如，有些機(jī)制砂片狀顆粒較多，有些機(jī)制砂的顆粒級(jí)配為兩頭大中間小，但只要能滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)中對(duì)人工砂的全部技術(shù)指標(biāo)，就可以在混凝土和砂漿中使用。并且機(jī)制砂的粒型和級(jí)配都是可以調(diào)整和改進(jìn)的，在這一點(diǎn)上，人工砂于天然砂有著本質(zhì)的區(qū)別。

2機(jī)制砂混凝土的性能

2.1新拌和時(shí)的工作性

新拌和機(jī)制砂混凝土的工作性能，又稱(chēng)和易性，是指混凝土具有流動(dòng)性、可塑性、穩(wěn)定性和易密性等幾方面的一項(xiàng)綜合性能，這些性能并不是孤立的，而是有一定的相互關(guān)聯(lián)，時(shí)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(biāo)。

在水灰比相同的條件下，機(jī)制砂混凝土坍落度要小于河砂混凝土，這主要是機(jī)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(dǎo)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(jī)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(shí)測(cè)強(qiáng)度并不降低。如果按天然砂的規(guī)律進(jìn)行機(jī)制砂混凝土配比設(shè)計(jì)，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(qiáng)度等級(jí)混凝土中表現(xiàn)明顯；而如果根據(jù)人工砂的特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)制砂混凝土配比設(shè)計(jì)，通過(guò)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(yàn)證明最適合配制混凝土的人工砂細(xì)度模數(shù)為2.6～3.0，級(jí)配為Ⅱ區(qū)。人工砂在配制填加外加劑的混凝土?xí)r，對(duì)外加劑的反應(yīng)比天然砂敏感。人工砂配制的高強(qiáng)度泵送混凝土在泵送過(guò)程中不易堵泵。正確使用人工砂配制的混凝土密實(shí)度大、抗?jié)B、抗凍性能好，其它物理力學(xué)性能和長(zhǎng)期耐久性均能達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求。人工砂特別適于配制高強(qiáng)度等級(jí)混凝土、高性能混凝土和泵送混凝土。

2.2機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能

混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量、粘結(jié)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、收縮徐變特性等。針對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行深入研究的還比較少。但是，對(duì)于抗壓強(qiáng)度、彈性模量這2個(gè)主要指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外卻積累了較豐富的實(shí)驗(yàn)資料。采用機(jī)制砂配置C50混凝土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

一般機(jī)制砂篩余0.315mm以下所占比例較小，僅有10％左右。相關(guān)混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程中指明，泵送混凝土細(xì)骨料通過(guò)0.315mm篩孔的篩余不應(yīng)小于15％。天然細(xì)砂的粒徑主要集中在0.3mm以下，細(xì)度模數(shù)一般在1.5左右。天然細(xì)砂細(xì)度模數(shù)低，若單獨(dú)配制混凝土，會(huì)由于收縮大引起混凝土開(kāi)裂，但是可以利用天然細(xì)砂粒徑主要集中在0.3mm以下的特點(diǎn)，與機(jī)制砂復(fù)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(xì)砂與60％的機(jī)制砂混合作為細(xì)骨料使用，可以取得良好的效果。對(duì)特細(xì)砂、混合砂、機(jī)制砂混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果如表2所示，其混合砂中特細(xì)砂和機(jī)制砂的比例為4:6，機(jī)制砂母巖為石灰?guī)r。表3為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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

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

3試驗(yàn)機(jī)理

(1)配制混凝土?xí)r，水灰比較大、水泥用量少，機(jī)制砂中的石粉補(bǔ)充了細(xì)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(jī)制砂中含有適當(dāng)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(duì)水的比例，保水性增強(qiáng)，泌水情況得到改善。

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

(3)對(duì)于機(jī)制砂混凝土，機(jī)制砂含有一定比例石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高有促進(jìn)作用，且提高程度與水灰比成一定正比關(guān)系。

(4)從混凝土的工作性和抗壓強(qiáng)度方面來(lái)看，配制混凝土?xí)r，機(jī)制砂中含有一定比例的石粉是有益的，機(jī)制砂并非“越干凈越好”。

4機(jī)制砂應(yīng)用中需改進(jìn)的方面及建議

雖然機(jī)制砂目前已在各地應(yīng)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?yàn)闄C(jī)制砂在使用中還存在一些技術(shù)問(wèn)題:比如機(jī)制砂由于其顆粒級(jí)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(jí)配波動(dòng)較大水泥混凝土的和易性差。并且容易造成混凝土外觀(guān)質(zhì)量缺陷。單純使用機(jī)制砂配制水泥混凝土還會(huì)造成水泥用量的增加。這些問(wèn)題可以考慮采用以下方法解決:(1)施工前、施工過(guò)程中和施工后，都應(yīng)對(duì)混凝土性能進(jìn)行檢驗(yàn)。(2)機(jī)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(yīng)符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ041)和《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB50164)的有關(guān)規(guī)定。(3)公路水泥混凝土路面施工應(yīng)符合《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF30)的規(guī)定。(4)機(jī)制砂混凝土的拌制、運(yùn)輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)等施工要求與天然砂混凝土施工基本相同，但受機(jī)制砂特點(diǎn)和機(jī)制砂混凝土性能特性的影響，有其特殊之處。(5)機(jī)制砂高性能混凝土施工應(yīng)制定嚴(yán)密的施工技術(shù)方案，并采取以下關(guān)鍵措施重點(diǎn)保證質(zhì)量:結(jié)構(gòu)表層混凝土的振搗密實(shí)與均勻性；混凝土的良好養(yǎng)護(hù)；混凝土保護(hù)層厚度或鋼筋定位的準(zhǔn)確性；混凝土裂縫控制等。

5結(jié)束語(yǔ)

總之，機(jī)制砂作為一種重要的建筑材料。在建筑、公路施工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。各地在積累成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)在以后的工程建設(shè)中加以大力推廣和應(yīng)用。