1 機制砂的優缺點

1.1 機制砂的優點

 

采用機制砂配置混凝土具有如下優點：

 

（1）工廠化生產，質量可以得到保證工廠生產可以從選材、破碎等一系列工藝流程上建立質量監控體系，生產條件好，砂的質量有保障。

 

（2）砂的物理力學性能好。可以有意識的選擇硬質巖石生產機制砂，避免采用軟質、風化巖石，同時，含泥（塊）量可人工篩分控制。化學成份與母材、碎石一致，對混凝土無負面作用，適合做高強混凝土。

 

（3）機制砂的顆粒級配、細度模數可以調整可以根據工程的需要，結合母材的特點和混凝土的要求，調整機制砂的細度模數和顆粒級配。調整措施主要通過破碎設備、工藝流程的選擇來完成。

 

1.2 機制砂的缺點
（1）天然砂顆粒渾圓，表面光滑。天然中砂細度模數多為2. 6-3. 0，級配較好，對混凝土的工作性十分有利。機制砂顆粒尖銳，多棱角，表面粗糙，細度模數多為3. 0以上，與天然河砂相比，機制砂的顆粒級配稍差，大于2. 5 mm和小于0. 08 mm的顆粒偏多，導致混凝土的和易性較差，容易引起混凝土的外觀質量缺陷。機制砂母材的變化會引起機制砂質量的波動，給施工質量的控制帶來一定的難度。但是，機制砂的缺點可以通過選擇合適的碎砂設備、合理利用砂中含石粉量、調整砂率，以及選用合適的外加劑等措施來克服。

（2）機制砂含有一定量的石粉。石粉和泥的粒徑雖然都小于0. 075 mm，但是他們的成份不同，細度相差也較大。泥顆粒大多小于0. 016 mm，而石粉顆粒大都在0. 016 -0. 075 mm之間。泥吸附在砂的表面，妨礙砂與水泥的粘結；而適量的石粉可填充在水泥、細砂的空隙之間，增強機制砂混凝土的工作性。

 

2 機制砂混凝土的性能

2.1 硬化前混凝土的性能

機制砂混凝土硬化前的性能主要涉及到混凝土的稠度、和易性（工作性）、可塑性、可加工性（可修飾性或可抹平性）等方面，這些性能并不是孤立的，而是有一定的相互關聯，是從不同的角度描述新拌混凝土的特性。其中，混凝土的和易性是非常重要的一個指標，它不僅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。混凝土和易性的具體指標為坍落度。

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，這樣就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5-10千克每立方米。機制砂混凝土的和易性與細骨料（砂）的級配和細度模數有關，同時，也牽涉到用水量、水泥用量、砂率等參數，還需要針對工程實踐進行深入研究。一般認為，細度模數以控制在3. 0 -3. 4之間為佳。若細度模數太大，則粗顆粒太多，級配不合理，使混凝土的和易性變差，雖然摻入粉煤灰可以彌補上述缺陷，但成本也會相應提高，經濟上不合理；若細度模數太小，則小于0. 075 mm的細粉過多，需水量增大，混凝土強度降低，水泥用量增加。石粉含量也是影響坍落度的重要指標，石粉含量太低（小于5% ）時，混凝土的和易性、沁水性較差，當石粉含量控制在6%-9%時，對混凝土的強度的影響不是很大，和易性也很好。按機制砂的特點進行混凝土配比設計，通過合理利用機制砂中的石粉，調整機制砂的砂率，可以配制出和易性很好、適合泵送的機制砂混凝土。

 

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，國內外卻積累了較豐富的實驗資料。一般機制砂篩余0. 3mm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程中指明，泵送混凝土細骨料通過0. 3mm篩孔的篩余不應小于15%.天然細砂的粒徑主要集中在0. 3 mm以下，細度模數一般在1. 5左右。天然細砂細度模數低，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. 3 mm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，其復合砂中特細砂和機制砂的比例為4：6，機制砂母巖為石灰巖。

 

由于機制砂一般采用硬質巖石破碎，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，強度趨于穩定。砂率超過50% ，不但強度有所下降，而且靜力彈性模量顯著降低。

2.3 機制砂混凝土的耐久性能
混凝土的耐久性能是指混凝土在長期使用過程中，具有抵抗凍融循環等氣候條件、酸堿等物理化學侵蝕作用、受光熱作用、流水沖蝕作用的能力。混凝土越密實，抗滲抗凍性越好。由于混凝土的抗滲性主要與其孔隙有關。研究者認為機制砂中的石粉只是一種有效的填料，雖然不具有活性，但提高了混凝土的密實性，增強了水泥石與骨料界面粘結；而有人則認為石粉能加速C3S的水化，并與C3A、C4AF反應生成結晶水化物，并能改善水泥石的孔隙結構，因此抗滲性能得到提高。對于機制砂混凝土的抗凍融耐久性還缺乏系統的研究。綜合已有的研究結果，可以發現機制砂在一定程度上改善了混凝土的工作性能，具有一定的微集料填充效果，從而改善了混凝土的孔隙結構，增加了混凝土的密實度。試驗結果表明，混合砂與天然中砂配制的混凝土一樣，具有優越的抗滲性能。同時試驗還表明，機制砂和天然細砂混合配制出的混凝土在抗凍性、抗滲性、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕及抗碳化性能方面都優于中砂混凝土，機制砂和天然細砂混合配制出的混凝土抗滲性劣于中砂混凝土。

 

3 在工程實踐中的應用

在已有的工程實踐中，機制砂配制出了從C10 ~C55的普通混凝土和泵送混凝土，我國的三峽工程和黃河小浪底等水利工程都采用了機制砂混凝土。在橋梁工程中，湖南懷新高速公路的有平溪河橋、苦麻寨橋、坳背村高架橋均使用了機制砂配制混凝土，混凝土等級有C25普通混凝土， C25水下混凝土， C30普通混凝土， C40普通混凝土。在重慶嘉陵江黃花園大橋建設中，通過對機制砂與渠河砂復合取代簡陽砂配制黃花園大橋主橋箱梁C50混凝土，各項工作性能指標和力學性能指標均符合規范要求，工程應用效果良好。在鐵路橋梁中，株六線南山河特大橋C55高性能混凝土成功應用機制砂配制。

 

玉蒙鐵路第五標段，在混凝土結構物中就全部使用了機制砂。在施工之初，由于對機制砂的應用在理論上沒有依據可循，從而與自然砂等同使用，造成混凝土質量下滑，特別是表面質量不能滿足要求。

 

隨著施工的進展和試驗室工作的加強，混凝土質量有所提高。現在該標段的特大橋、大橋、涵洞、隧道工程等混凝土外觀和抗壓強度都能滿足工程的質量要求。特別在工程造價方面，由于自然砂的當地價格是機制砂的3倍多，所以采用機制砂。

 

4 需進一步研究的問題

機制砂在我國混凝土結構工程實踐中的應用還處于起步階段，為了推廣機制砂在混凝土特別是橋梁工程中高性能混凝土中的應用，還應開展深入、廣泛的研究。研究重點應包含以下幾個方面。

 

4. 1 機制砂顆粒形狀、顆粒級配的研究
機制砂的顆粒形狀、顆粒級配影響混凝土的和易性、強度、抗干縮性及耐磨等性能。尤其是粒徑小于0. 075 mm的石粉的合理含量需要認真研究。不同粒形的機制砂對混凝土的和易性影響較大，片狀顆粒拌制的混凝土和易性較差，最理想的粒形是近似于立方體顆粒。機制砂中含有適量的石粉，不僅可提高混凝土的強度，還可改善混凝土的和易性，機制砂中的石粉控制在7%以內比較合適，但關于石粉的作用機理和合理含量仍有不同的意見。根據本公司應用機制砂的情況來看，嚴格控制石粉含量是比較困難的，這為在工程中充分利用機制砂提出了挑戰。

 

4. 2 高效、優質制砂設備和制砂工藝的研究
凡是能經濟有效地加工出小于5 mm的合格粒度級配的機械加工設備都可以作為制砂機械。目前，磨碎機械、圓錐破碎機、反擊式破碎機、錘式破碎機、籠型破碎機、輥式破碎機和立軸沖擊式破碎機都可用于制砂。

 

中小企業使用顎式破碎機較多，生產工藝極為簡單，產品質量參差不齊。混凝土用機制砂對砂的顆粒形狀及級配有很高的要求。有的設備生產的砂粒片狀居多，有的存在過粉碎現象。為了生產出符合要求的優質機制砂，需要從設備選擇、工藝流程、質量控制等方面進行綜合研究。

 

隨著我國基本建設的不斷深入和環境保護的日益加強，自然砂的利用在很多方面都有了限制。面對建筑業需要砂量的增加，自然資源已不能滿足工程的需求，所以必須要在機制砂的利用上下功夫。如果機制砂使用取得成功，今后的施工組織將可能發生轉變，如在圍巖較好的隧道中施工，混凝土所需的碎石和機制砂就可以在掘進過程中得以解決。

 

4. 3 機制砂混凝土配合比的研究
機制砂混凝土的配合比對混凝土的各種性能，如和易性、力學性能、耐久性能和混凝土表面質量都有非常重要的影響。應深入開展滿足各種強度等級、各類工作性能要求的機制砂混凝土的綜合試驗研究。通過在玉蒙鐵路工程中利用機制砂，發現還應重點研究石粉含量、砂率、水灰比對混凝土各種性能的影響。

 

4. 4 機制砂混凝土攪拌設備的研究
在鐵路工程中，利用機制砂攪拌混凝土，攪拌設備也是影響混凝土質量的一個重要因素。機制砂混凝土的攪拌不宜采用小型攪拌設備。在施工之初，機制砂混凝土的攪拌采用與自然砂混凝土攪拌同樣的方法，結果不能滿足工程的質量要求。特別是少量混凝土的攪拌，決不能使用非強制性混凝土攪拌設備，否則混凝土的外觀質量難以保證。機制砂混凝土只有采用大型攪拌站或強制攪拌設備來攪拌，才能保證工程質量。

 

4. 5 機制砂混凝土的應用須加強工程試驗
機制砂混凝土的使用應按要求合理設立工程試驗室，以加強對混凝土的配比、和易性、泌水性、抗凍、抗滲、抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、抗彎強度、彈性模量、疲勞強度、收縮徐變、耐久性能等指標的及時監控，從而保證混凝土的質量。

 

5 結語

目前，機制砂混凝土在施工實踐中應用較少，對這種混凝土的長期性能還缺乏深入的研究。這些性能主要包括收縮徐變性能、抗凍性能以及抗滲性能等耐久性指標。在今后的工程施工中應不斷加強研究，以完善機制砂混凝土的各種指標，使其在工程中得以廣泛的應用。