机制砂在混凝土工程中的应用

机制砂在混凝土工程中的应用目前我国多数地区土木工程建设应用的是天然砂，天然砂资源是一种地方资源，在短时间内不可再生且不宜长距离运输。随着基本建设的日益发展和环境保护的需要，在我国不少地区出现天然砂资源逐步减少、砂质量下降、限采或禁采天然砂的情况，混凝土用砂供需矛盾尤为突出。而天然砂的价格越来越高，用砂高峰时甚至无砂可用，影响了工程建设的进展。为适应新形势的发展，2002年2月1日起实施的国标GB/T14684-2001《建筑用砂》首次增加了人工砂种类，如同其他新事物一样，机制砂目前的发展极不平衡，仍有很大阻力，机制砂高性能混凝土性能的技术研究和推广应用是摆在工程技术人员和管理、设计人员面前的迫切任务。标签：机制砂；混凝土；应用一、机制砂的发展我国从20世纪60年代起，一些水电和土木建设工程就开始就地取材进行机制砂的生产工艺、产品技术性能和混凝土中应用的研究，并开始在工程上使用。第一条机制砂生产线创于四川的“映秀湾”电站工程，66年底建成，该生产线总产量为60万吨。2002年2月1口起实施的国标GB/T14684-2001《建筑用砂》首次增加了人工砂种类，确定了人工砂的定义、技术要求和检验方法，规定了凡经除土处理的机制砂、混合砂都统称为人工砂；由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石；由机制砂和天然砂混合制成的砂称为混合砂。为解决河道挖砂的废石处理找到了出路，为合理利用石粉打下了技术基础，同时，保证了机制砂的质量。为机制砂的发展开创了新的局面。二、机制砂生产加工及物理性能参数机制砂顾名思义是由机械设备制作的人工砂，机制砂(Manufacturedsand)是由机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包含软质岩、风化岩的颗粒。机制砂绝大多数为灰白或灰黑色，由于是由机械作用制作而成的。颗粒具有菱角、表面比较粗糙，成三角形或正方形且还含有一定量的石粉。在用机制砂配制混凝土时，工作性较差，容易造成新拌混凝土泌水。机制砂的生产通常采用天然岩石、卵石以及尾矿砂、石屑等。机制砂颗粒表面粗糙，棱角尖锐，形状很不规则，并且针片状含量很高。配制混凝土时，由于颗粒之间的咬合和摩擦，使得新拌混凝土的流动阻力增大，大大降低混凝土的流动性，极易造成混凝土的松散和泌水，满足不了施工的要求。因此，在配制混凝土时，特别是大流动性混凝土，机制砂的颗粒形态对于新拌混凝土的工作性影响非常重要。目前的国家标准对于机制砂的性能测试仅局限于级配、压碎指标等基本物理性能参数指标，无法满足对于机制砂的全面性能评价测试，以便于控制机制砂的质量，确定技术路线，指导机制砂混凝土的生产配制。而目前对于颗粒形态的描述，大部分是基于显微照相技术的描述和评测，设备先进，购置价格高，而且分析要求高，无法直观的表述。也不能适用于混凝土生产制造企业使用，以及直观的反映机制砂的颗粒形貌，用于指导生产。三、机制砂物理性能参数3.1棱角性指标目前我国对于机制砂棱角性指标的测试方法，在建筑类标准上并未有体现。目前只是在公路标准中沥青混合料集料测试方法中有具体的测试方法和指标。也是参考了国外对于集料颗粒形态的测试标准。机制砂棱角性试验（流动时间法）按以下方法进行。流动时间法是通过测定一定体积的机制砂全部通过标准漏斗所需要的流动时间，称为机制砂的棱角性，以s表示。机制砂棱角性指标的测定是用于评定机制砂颗粒和表面构造和粗糙度，来预测机制砂对新拌混凝土工作性能的影响，以便于采取相应的技术手段达到所需的工作性能。机制砂的颗粒级配机制砂的颗粒级配通过筛分法进行试验测试，试验方法按照《公路工程集料试验规程》JTGE42-2005中筛分析方法进行，计算各标准筛的分计筛余率和累计筛余率。机制砂的各级筛的累计筛余率应符合《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50-2011要求，如表1所示.机制砂应优先满足II区的质量要求，当不能满足时，应采取调整砂率和胶凝材料用量来满足配制混凝土要求。机制砂级配也可采用人工调整级配的方法，使机制砂满足II区砂的级配要求。机制砂中通过0.315mm筛孔的颗粒含量不应少于15%，以利于控制混凝土工作性。3.3机制砂石粉含量机制砂中的石粉通常是指小于0.075mm的颗粒。一般机制砂中石粉含量在4%-20%范围内；而通常使用的河砂，小于0.075mm的颗粒在0-5%范围内.在JGJ52-92《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》中规定：（1）砂中小于0.16mm的颗粒应在0〜10%范围内。（2）砂中小于0.075mm的尘屑、泥土含量在高于C30混凝土中不大于3%；低于C30混凝土中不大于5%.在TB10210-2001鐵路混凝土与砌体工程施工及验收规范》中规定：（1）石粉含量（小于0.075mm颗粒）低于C30混凝土不大于10%。（2）混凝土强度等级等于或大于C30需使用机制砂时，应经过试验，确认符合质量要求时方可使用。3.4机制砂中的石粉对混凝土拌和物的影响：石粉是一种惰性掺合料，细度小，它不但补充了混凝土中缺少的细颗粒，增大了固体的表面积对水体积的比例，从而减少了泌水和离析，而且石粉能和水泥与水形成柔软的浆体，即增加了混凝土的浆量，从而改善了混凝土的和易性。如果要保持相同的坍落度，则含有石粉的混凝土用水量即可减少，也就影响了混凝土的诸多性能。接下来对机制砂中含和不含石粉的混凝土拌和物的坍落度、凝结时间、含气量和泌水率等4个方面做对比试验。对混凝土拌合物坍落度的影响：在相同水泥用量条件下，对不同石粉含量机制砂混凝土进行对比试验，结果见表2由表3可知，石粉可增加混凝土的坍落度，但对细颗粒含量较多的高性能混凝土坍落度增加较少。对高性能混凝土，一般石粉含量应控制在4-8%，与水泥重量之比应控制在6%-12%为最佳。对混凝土拌合物凝结时间、含气量和泌水率的影响在相同水灰比、相同水泥用量条件下，对含石粉机制砂和不含石粉的河砂混凝土进行对比试验，结果见表3从表3看出，含有6%石粉的机制砂混凝土，其初、终凝时间比不含石粉的河砂混凝土略有所延长，这是由于石粉没有活性，在混凝土中只起到一种隋性掺合料的作用，分散水泥颗粒，降低了水泥的水化热。含气量和泌水率都在减少，这对混凝土的质量是有好处的，由于高性能混凝土中细颗粒相对较多，增加的石粉细颗粒作用不明显。机制砂中的石粉对混凝土力学性能的影响在相同用水量和胶凝材料用量的条件下，不同石粉含量机制砂混凝土进行对比试验，结果见表4在胶凝材料用量相同的条件下，干净砂和含有4%的石粉的砂配制C50混凝土进行对比试验，结果见表5综合表4和表5看出，砂中含有少量石粉对混凝土各龄期的抗压强度和其它物理力学性能均略有提高，这是因为石粉是惰性材料，它没有活性，不参与水泥的水化，石粉中的微细颗粒进入水泥水化产物的晶体中起了一点微集料填充作用，能够增加混凝土的密实度，因而对强度的增加是有限的。当砂中的石粉含量达到8%时，混凝土强度即下降。试验结果表明，砂中小于0.075mm的石粉含量控制在2%-8%较合适。四、机制砂质量控制标准配制高性能混凝土对机制砂的具体技术指标要求如下：压碎指标应控制在25%以下，有条件的最好控制在20%以下。4.2细度模数应控制在2.6〜3.2之间，棱角系数空隙率应小于25%，粗糙度指标流值应在15s以下较好。4.3石粉含量应控制在4〜6%之间。4.4砂当量应控制在70%以上。4.5岩石母体强度应大于70MPao4.6推荐采用湿法生产。五、机制砂混凝土的工程应用实例工程概况沈海复线A2合同段起点位于白石格隧道内(K120+190)接A1合同段终点(K120+190),于三村村设罗溪互通连接X332县道，至跳港村为本合同段终点(K124+360),路线全长4.17公里。主要工程量有路基挖方63.79万方，路基填方35.3万方，主线桥921m/1座，匝道桥794.5/5座，RC盖板涵14道。白石格隧道长度为2381.15m(右洞长2383m，左洞长2379.3m),中标合同价为3.848亿元。本标段主要控制性工程为白石格隧道和罗溪互通立交。本合同混凝土总圬工量约26万m3，机制砂料源采用标段内白石格隧道爆破洞碴。地质、水文条件本合同段位于福建省泉州市洛江区罗溪镇，属亚热带海洋性季风气候区，气候温暖湿润，四季不甚分明，年平均气温在20°C以上，最低气温在一月份，最高气温在七月份。全年平均降雨量约1400mm，降雨主要集中在3-9月份，夏季台风频繁，最大风力达12级以上。区内水系发育，属晋江东溪及支流，为雨源型山溪性河流，河床基本稳定，河床底多为砂砾卵石或基岩。各河水量受季风控制，随季风变化大，水位受降水影响，暴涨暴落。原材料及性能指标水泥：福建水泥股份有限公司生产的建福牌P.O42.5水泥，表观密度3100kg/m3水洗机制砂：白石格石料场生产，表观密度2680kg/m3,堆积密度1560kg/m3,含粉量（0.16mm以下）10.5%，石粉含量（0.075mm以下）4.8%，细度模数3.0.碎石：白石格石料场生产，5-31.5mm连续级配碎石。表观密度2740kg/m3，堆积密度1450kg/m3，针片状含量3.2%，压碎指标5.6%，篩分结果见表6。粉煤灰：华阳后石电厂生产的F类II级粉煤灰，表观密度2310kg/m3,紧密堆积密度920kg/m3外加剂：山西凯迪建材有限公司生产的KDSP聚羧酸高效能减水剂，各项指标按符合GB8076中对高效泵送减水剂的要求。5.4施工控制原材料控制重点及技术指标机制砂:机制砂必须为水洗机制砂，细度模数为2.6-3.2之间,含粉量（0.16mm筛余）＜20%，石粉含量（0.075mm筛余）＜6.0%o特细砂：细度模数＞1.2%，含泥量＜6.5%,泥块含量＜1.0%,含粉量（0.16mm筛余＜20%，且使用前必须过筛。石子：外观洁净，粒径为4.75-31.5mm的连续级配，各项技术指标符合《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50-2011质量标准，含泥量＜1.0%,泥块含量＜0.5%.混凝土的拌和控制由于混凝土中增加了多种外加剂，计量不准、搅拌不匀均会造成局部膨胀过大而因起开裂渗水，因此，外加剂添加设置专人负责，各种衡器定期检验，确保各种原材料计量准确。混凝土的搅拌时间适当延长，强制式搅拌机由45s延长至60s。由于施工在雨季，因此，每天测定砂石的含水量，及时对施工配合比进行调整，确保配合比的正常实施。混凝土的输送和浇注混凝土采用泵送施工，按照泵送混凝土的要求进行施工控制。由于在夏季施工，对曝晒的管道采用包裹无纺布覆盖，淋水保湿，防止混凝土坍落度损失过大，造成泵送不畅或堵管。混凝土浇注时，为防止拌和物离析，设置了溜槽下料。对于底板防水混凝土，均分块一次性浇注完毕，不留施工缝。防水混凝土必须振捣密实，组织专门的振捣工班，技术人员跟班作业，对每一部位都要求振捣到位，避免欠振、漏振和过振，尤其对施工缝和埋设件部位更加倍小心，同时注意避免振捣器触及模板和止水带等。5.4.4混凝土的养护补偿收缩防水混凝土的養护对其膨胀及抗渗性影响很大，混凝土长期脱水或养护过程中缺少必要的水份，则膨胀率大大减少，抗渗性大幅度降低，因此，当混凝土浇注后立即开始养护，避免阳光直接曝晒表面，引起开裂。养护时间不少于14天，每天浇水次数不少于8次，保持混凝土表面湿润。5.4.5混凝土的温差控制大体积混凝土，由于水化热大，形成内外温差较大，可产生较大的温度应力，使混凝土开裂。因此，每10米左右设一测温点，等间距均匀布设，同一测点混凝土中上、中、下各埋设一个一次性测温探头，每天用KZ100型手持测温仪进行监测，确保混凝土内外温差及表面与大气温度之差小于25°C，对温度过高的应采取水浴法进行降温。六、结论由于机制砂在工程应用中还没有完善的规范，本文就目前现有的国标和地方标准对一些关键性指标进行了研究和探讨，经过试验，总结了高性能混凝土机制砂应具备的技术指标：1.压碎指标应控制在25%以下，有条件时最好控制在20%以下。2•细度模数应控制在2.6〜3.2之间，棱角系数空隙率应小于25%，粗糙度指标流值应在15s以下较好。石粉含量应控制在4〜6%之间。砂当量应控制在70%以上。岩石母体强度应大于70MPa推荐采用湿法生产。机制砂在高性能混凝土的应用有非常好的前景，且势在必行。本文只是通过工程试验，为推广和使用机制砂做了一些技术指标研究和实践经验数据。在今后的工程建设中，还需更多的技术和科研人员投入到如此环保经济且能保证工程质量的机制砂研制和应用中去，因为还有好多难关和课题需要我们共同研究和探讨。参考文献：⑴卢伟杰，机制人工砂在预拌混凝土中的应用[J].山东建材，2008(2)⑵徐健，蔡基伟，王援良，周明凯人工砂与人工砂混凝土的研究现状J]•国外建材科技，2004(3).⑶刘文萍.机制砂的浅析与质量控制[J].山西交通科技，2008(3).[4]田克平.公路桥涵施工技术规范JTG/TF50-2011.人民交通出版社，2011(7).砂颗粒级配区t»Rts«Hi孔貝寸123孔尺寸1239.500<J.6&SS*7170-414U-l&4.75ICI-Glo-fi10'003093-BO92-?0S5-5Sh0-15iW~W](K>-90IW-W65-3550-102S-0表2相同水泥用量’