机制砂在混凝土中的应用

机制砂在混凝土中的应用

赵 海

中交一公局第五工程有限公司 ,河北 廊坊 065200

摘要：文章针对机制砂的特点，从机制砂的质量现状、在混凝土中的应用、机制砂混凝土研究问题等方面进行了探讨，结果证实：在混凝土中合理应用机制砂，既能增强混凝土的强度及抗裂性能，又能减少工程成本，值得推广。

关键词：机制砂；混凝土；应用

近年来，随着中国经济的发展，基础设施的建设数量不断增加，规模也在逐年扩大。在工程建设施工中，需要使用大量砂石，通常每年50亿m³。然而由于天然砂资源的日趋匮乏以及国家对环境保护的加强，应用机制砂代替河砂配制混凝土势在必行。天然砂为不可再生资源，若盲目开采，将严重破坏生态环境。使用机制砂，既不需要考虑生态环境的破坏问题，又能减少混凝土的配制费用，提高混凝土性能。在延崇隧道施工期间，隧道开挖的洞渣多为花岗岩，为项目自建站提供了大量的机制砂资源，以下结合自身经验，就机制砂在混凝土配比中的应用展开讨论。

1、机制砂的特点

机制砂是指通过对岩石的破碎、筛分，得到的粒径小于5mm的岩石颗粒。其作为天然砂石的替代物，具有混凝土用砂的特性，但是和天然砂石有着本质上的区别，具体表现为：一是机制砂粒形不规则、变化多样，表面不光滑，棱角多，能够和砂浆、混凝土紧密结合，从而提升成品强度；二是机制砂的颗粒级配、粗细可实时调整，以此来满足混凝土的用砂需求^[1]；三是机制砂能和碎石共同生产，可提高资源利用率，减少生产及运输成本；四是机制砂表观密度2700kg/m³左右，比天然砂石大，压碎值6%-8%，石粉含量10%以内。近年来，机制砂在我国得到飞速发展，国家也出台了相关标准，各省市也纷纷制定了地方性的标准，交通、建筑等行业也修订了机制砂行业标准。现阶段，我国建筑用砂多为机制砂。数据显示，机制砂能配制出强度为C10-C70的含砂混凝土。

2、机制砂的质量现状

在0.6mm以上分计筛余率、细度模数上机制砂均大于天然中砂，批量生产时稳定性高。通常来讲，机制砂的质量取决于颗粒形态、石粉含量、软弱颗粒含量等，当前机制砂的主要问题是中间颗粒少、两头颗粒多等，对于300μm的筛余，多表现为明显增多，且筛余物质以三角形的方式分布，表面粗糙，局部有尖锐物。以延崇高速公路松山隧道为例，从中抽取河砂、机制砂对筛余结果进行比较，见下表1。

表1 两种材料筛余结果比较表

分析表1发现，和河砂相比，机制砂的公称粒径筛余率均比较高。相较于其他天然河砂，机制砂的配比、养护条件相同，其配置会随着材料坍落度的出现而降低，且材料抗压度提高。坍落度不变时，需要使用大量的水。若不增加水泥用量，水胶比会扩大，但实测强度不会降低^[2]。

3、机制砂在混凝土中的应用

3.1试验方案和设计

原材料信息：（1）细骨料：天然砂，含泥量0.6%，细度模数2.4；机制砂，石粉含量5%、10%、15%，细度模数3.0。（2）粗骨料：5-25mm，含泥量0.2%，压碎指标10%。（3）水泥：普通硅酸盐水泥P·O 42.5,强度59.2MPa（28d）。（4）矿粉：S95。（5）粉煤灰：F类II级。（6）外加剂：聚羧酸高性能减水剂。混凝土强度等级C50，在确保凝胶材料使用量、坍落度一致的前提下，通过对外加剂和水的用量调节进行设计，方案见下表2。

表2 混凝土配合比设计参数

备注：01为天然砂；02、03、04为机制砂

3.2混凝土力学性能

表3 混凝土配比实测抗压强度

通过表3分析数据发现，采用天然砂的混凝土强度低于机制砂，比较两者剖开面可见，和机制砂混凝土相比，天然砂混凝土的孔洞比较多，说明机制砂能增强混凝土的强度^[3]。由于石粉、母材的强度基本相同，能在混凝土中起到填充作用，同时还能增强胶凝材料的水化效果，因此和天然砂混凝土比相比，机制砂混凝土强度有着极大的提升。结合表2数据分析，当石粉含量为15%时，混凝土拌合物会出现轻微泌水的现象，而且比较粘稠，说明若石粉过量使用会增加混凝土用水量，此时需要使用大量的外加剂，才能保证坍落度不会出现明显的变化。另外，外加剂的过量使用，还会导致混凝土更加粘稠，增强混凝土的泌水性，降低工作性能。

3.3混凝土抗开裂性能

结合混凝土的试验标准，对混凝土展开抗开裂试验，每组两次。浇筑混凝土，入模后用振捣棒振捣处理，结束后对表面抹平、吹干。结果见下表4。

表4 混凝土抗开裂试验数据

分析表4数据发现，和天然砂混凝土相比，机制砂混凝土的开裂时间比较早，说明机制砂对抗裂比较敏感。石粉用量为5%时，在混凝土内加水410min后开裂，而石粉用量为15%时，开裂时间为298min，说明石粉用量越多，开裂敏感性越强。在单位面积裂缝数上，机制砂混凝土的石粉含量在5%、10%时少于天然砂混凝土，但是在石粉含量为15%，机制砂的单位面积裂缝数增大，提示若石粉含量在10%以内，在混凝土内添加机制砂能显著提高抗开裂性能，究其根本：石粉进入混凝土空隙，增强硂密度，减少开裂风险^[4]。此外，石粉大量使用会增加混凝土的吸水量，提高混凝土的粘稠度，从而增加自由水的迁延难度，提高开裂机率。

3.4试验结论

通过上述试验和结果，得出以下结论：（1）相较于天然砂混凝土，当石粉含量处于10%以内时，机制砂的使用可提高混凝土强度；当石粉含量处于15%以上时，大量石粉会降低混凝土性能及强度。（2）在混凝土中掺入适量石粉，可增强其抗裂性能，但是若石粉含量大于15%，会增加混凝土的开裂敏感性，降低抗裂性能。

4、机制砂混凝土研究存在的误区和措施

4.1机制砂混凝土研究误区

有关机制砂混凝土的研究，目前主要存在这些误区：一是研究者通常只考虑用机制砂取代天然砂，目的是通过对相关参数的调整，使机制砂混凝土的性能符合要求；二是关于机制砂的使用和装备要求，重点是石粉含量、磨圆度等，旨在对天然砂进行人工模拟。鉴于此，在机制砂混凝土配比设计期间，应对上述观念进行改变，具体方法为：（1）一般混凝土的结构为悬浮介质结构，机制砂混凝土的结构为咬合嵌挤式结构，特别是制备混凝土初期，差异更加明显。从性质上分析，机制砂为结构性骨架，天然砂为填充骨料，而且前者还能和胶凝溶解物产生渗透反应^[5]。机制砂混凝土作为新型材料，立足于上述特点进行分析，而不是简单套用于一般混凝土模型中。（2）天然砂的性质是无法通过人工模拟短期实现，用天然砂的特性去约束机制砂的参数，本身就是伪命题。在约定机制砂参数时，应根据机制砂在混凝土中的属性，考虑其在胶凝材料中强化特性，在混凝土中的贡献分布进行重建。

4.2改善混凝土用砂质量的措施

4.2.1严格控制机制砂质量

由于机制砂原材料、加工工艺不同，其颗粒级配、石粉含量等也有所不同，若简单或凑合使用，将会出现不同的结果。机制砂质量指标有很大的区别，因此在具体应用中存在诸多问题。其一，严格按国家标准执行；其二，按行业标准检测机制砂的质量指标；其三，基于机制砂颗粒级配原理，对高品质的机制砂进行生产和研发。

4.2.2合理延长拌合时间

由于机制砂棱角多，表面粗糙，应在混凝土配制期适当对拌和时间进行延长，才能保证浆料彻底覆盖机制砂，进而提高混凝土的强度与性能^[6]。因此，在使用机制砂对混凝土进行配制时，应结合机制砂的使用量，延长拌和时间，这样才能保证混凝土的稳定性，满足工程的建设要求。

4.2.3采用双掺提高混凝土性能

一般来讲，机制砂筛余少于300um的占比小，仅为10%，混凝土细骨料泵送通过筛孔300um时不能少于15%，天然砂粒径少于300um以下的较多，导致混凝土严重开裂，但可以用机制砂、天然砂制成人工混合砂，来提高混凝土的工作性能。机制砂、混合砂、天然砂的配比和水泥用量见下表5。

表5 C30混凝土的配比及强度

4.2.4定期对机制砂库房除湿

在机制砂存储过程中，内部的吸水成分会吸收水分，导致各部分含水量不一，影响混凝土的配比。鉴于此，应在库房设置除湿设备，或在生产过程中严格控制含水率，保证机制砂水分处于合理范围内，最好含水量可控、稳定，避免机制砂出现离析渗水的情况^[7]。

4.2.5正确使用石粉

部分生产机制砂的厂商，为了迎合客户需求，随意减少石粉的用量，事实上此种方法并不可取。诸多工程提示，石粉的合理使用，对强度要求不同的混凝土起着重要作用。因此，需正确认识石粉的重要性，了解其在混凝土中的作用；按国家要求添加石粉，严格把控石粉的用量；检测石粉中的亚甲蓝MB值，提高石粉的效果。

5、结语

综上所述，机制砂混凝土的产生是施工成本、环境保护压力的共同结果。但是若依据一般混凝土的设计理论约定机制砂，势必会增加混凝土配比中的外加剂用量、凝胶材料用量，加大施工成本的管控难度。因此，基于机制砂的材料特性，展开机制砂混凝土的试验设计，并结合机制砂混凝土的现存问题，制定有效、合理的措施来改善混凝土用砂质量，提升混凝土强度。

参考文献：

[1]李波,周海龙,梁玉婧,等.偏高岭土对高强机制砂混凝土性能的影响[J].排灌机械工程学报,2021,39(11):1154-1160.

[2]谢开仲,刘振威,郑克西,等.不同颗粒级配下机制砂混凝土性能研究[J].混凝土,2021(4):91-95.

[3]魏文强.机制砂塑性混凝土在干坞工程咬合桩中的应用[J].中国港湾建设,2021,41(11):25-28.

[4]王恒.机制砂级配对C80混凝土性能影响研究[J].煤炭工程,2021,53(8):161-165.

[5]陈晋栋,祝雯,黄奕斌.湿法棒磨机制砂的特性及其在混凝土中的应用[J].新型建筑材料,2021,48(1):30-34.

[6]俞国栋.公路工程机制砂混凝土性能探究[J].中国公路,2021(11):140-141.

[7]徐洪明.机制砂质量及机制砂混凝土性能试验分析[J].智能城市,2021,7(3):161-162.