机制砂配制混凝土的若干问题探讨

摘要：随着河砂资源的日益短缺，采用机制砂代替河砂配制混凝土势在必行。对机制砂混凝土的配制参数、工作性，力学性能、干缩性能、抗渗性等若干问题进行了探讨。最后指出：使用机制砂替代河沙来生产混凝土是完全可行的。关键词：机制砂；石粉；混凝土0前言天然砂是岩石经千百万年自然风化搬运沉积而成，包括河砂、山砂、淡化海砂，分布不均，质量差异大，是不可再生的资源。随着当前建筑业的飞速发展和对环境保护的日益重视，以河砂为主的天然砂越来越无法满足日益增长的需求。2002年国家又出台了禁采或限采天然砂的法规，使得工程用砂供需矛盾日益突出，导致砂的价格越来越高，极大地制约了工程建设的持续发展。因此，使用机制砂代替河砂配制混凝土已是今后发展的趋势。机制砂的推广和应用虽然在我国已经有几十年的历史，尽管国家相关标准允许在河砂难得的情况下可以采用机制砂配制混凝土，并对用于各等级混凝土的机制砂作了严格的限制，尤其是对石粉含量。然而，工程上对能否采用机制砂配制混凝土仍心存疑虑。为此，本文对机制砂混凝土的若干问题进行了探讨。1机制砂特性国标GB/T14684—2011《建筑用砂》中，对机制砂作了如下定义：机制砂是由机械破碎、筛分制成的，粒径<4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒，用专门的制砂机生产，多数呈灰白色或黑色，一般含有10%～15%的石粉（粒径<75μm的岩石颗粒）。1.1机制砂特点与天然砂相比，机制砂具有以下优点。（1）机制砂质量可控。机制砂选择性大，适合大规模工厂化生产，通过改进生产设备、改善生产工艺、调整工艺参数生产出符合要求的砂，机制砂的级配、细度模数、石粉含量等指标在一定范围内均可控。然而河砂选择性小，其级配、细度模数等指标天然形成，无法控制。（2）机制砂颗粒形状不规则，多棱角，针片状过多，其表面较粗糙，粗糙度基本在17.0～21.1S，且压碎值偏大，而河砂的粗糙度为14.8～15.5S。（3）机制砂颗粒内部微裂纹多、孔隙率大、开口的相互贯通的孔隙多、比表面积大。（4）机制砂有一定的石粉含量，这是正常的，也是机制砂与天然砂最明显的区别之一。（5）对于河砂缺乏的山区，采用机制砂配制混凝土具有明显的经济性。1.2机制砂技术要求机制砂按技术要求分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。Ⅰ级宜用于强度等级≥C65的混凝土；Ⅱ级宜用于强度等级C35～C60及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土；Ⅲ级宜用于强度等级≤C30的混凝土。我国建工标准JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》对各个级别的机制砂泥块和石粉含量作了规定，见表1，压碎指标见表2。

同时机制砂的表观密度、堆积密度、空隙率应符合如下规定：表观密度>2500kg/m3、松散堆积密度>1350kg/m3、空隙率<47%。2机制砂混凝土配制参数选择由于机制砂具有不同于天然砂的特性，其配比参数也与天然砂不同。进行配合比设计时，必须针对机制砂的特点，在满足用砂性能指标的前提下，通过调整用水量、石粉含量、砂率等进行配合比设计与性能优化。这样才能配制出满足要求的混凝土，达到既满足施工质量要求，又能有效控制生产成本的目的[7]。2.1石粉含量未经处理的机制砂一般含有10%～15％的石粉。在机制砂的使用过程中，存在着不接受石粉的现象。首先是把石粉与泥粉混为—谈，其次是对石粉认识不足，10％石粉掺量的机制砂看上去石粉很多[8]。为了能够达到表1规定的石粉含量要求，机制砂生产均增加了水洗工艺，不仅增加生产成本、造成水资源浪费，而且水洗石粉排放造成了河道水质或风沙气候等环境污染，不利于生产地域的环境保护。盲目地洗走石粉，带出了不少粒径>75μm的颗粒，又破坏了机制砂的自然级配。同时，机制砂中适量的石粉对混凝土是有利的，有适量石粉的存在，弥补了机制砂配制混凝土和易性差的缺陷[9]。同时，它的掺入对完善混凝土细集料的级配、提高混凝土密实性都是有益处，进而起到提高混凝土综合性能的作用[10-11]。2.2级配与细度模数机制砂富有棱角，同样细度模数下的颗粒级配劣于天然砂，通过降低细度模数可以改善其级配，而且达到中砂范畴的机制砂的级配接近级配2区的要求。所以，配制混凝土时机制砂宜选用专门机组生产的质地均匀坚硬、级配合理的中、粗砂，其细度模数宜在2.6～3.1之间且级配连续；机制砂宜使用Ⅱ级及以上级别的机制砂，压碎指标≤25%[12-15]。2.3砂率机制砂混凝土的砂率不宜按天然砂混凝土砂率的取值方法直接选取，而应根据机制砂自身细度模数、颗粒级配、石粉含量，并按所选水胶比及碎石最大粒径来确定。机制砂混凝土的砂率一般较天然砂混凝土高3%～6%，试验时宜按“五点法”进行砂率优选，即在砂率35%～43%范围内每间隔2%选取一个砂率进行混凝土拌和物和易性试验，以混凝土的和易性达到最佳为合理砂率。机制砂细度模数越小、级配越好、石粉含量越大，合理砂率越小[7,15]。在保证混凝土的强度、工作性和耐久性都满足要求的前提下，应尽可能选取较小的砂率，以保证配合比的经济性。3机制砂混凝土性能3.1工作性对于机制砂混凝土应采用强制式搅拌机搅拌，拌和时间比常规适当延长30～60s，借以改善机制砂混凝土的和易性，提高保水性和黏聚性。机制砂混凝土比天然砂混凝土易于液化，因此应减小振捣时间，避免过振，以克服机制砂混凝土的泌水现象，防止出现蜂窝、麻面及表面形成疏松层。一般振捣成型时间应比天然砂混凝土缩短15～30s，以混凝土表面泛浆、气泡不再上升为宜[14]。祁峰等人[16]认为随石粉含量的增加，拌和物的和易性得到改善。杨记芳[17]认为机制砂中的石粉含量增加了拌合物中固体颗粒的比表面积，增加了拌合物的黏聚性和保水性，减弱了离析泌水，从而使混凝土易于成型振捣。李凤兰等人[18]认为石粉含量在5％～13％范围内时，混凝土拌合物具有综合良好的工作性，易于振捣成型。机制砂中石粉的存在对混凝土的工作性有两方面的影响，一方面，适量的石粉能改善混凝土的和易性，石粉的存在弥补了机制砂表面粗糙的缺点，有利于减少机制砂与碎石之间的摩擦，因而有利于改善拌合物的坍落度；另一方面，石粉的存在也使混凝土的总比表面增加，从而增加集料对自由水的吸附，这在石粉含量较高时表现较明显[19]。3.2力学性能李美丽[20]用20%、40%的机制砂代替部分河砂配制混凝土，发现其抗压强度、劈裂抗拉强度和断裂能均比河砂混凝土的要高。Prakash等[21]等人用含有石粉的机制砂分别制作了长1350mm、宽120mm、高150mm的素混凝土梁和钢筋混凝土梁，并与河砂混凝土梁作对比。结果表明：在素混凝土中，机制砂混凝土梁比河砂混凝土梁抗压强度高17%、抗折强度高20%、劈裂抗拉强度高7%；在钢筋混凝土中，机制砂混凝土梁的屈服强度与河砂混凝土梁相差不大。柯国炬等人[8]认为同等水灰比和水泥用量下，机制砂混凝土的强度和耐磨性明显好于河砂。机制砂混凝土的抗压强度在石粉含量10％时达到最大值，之后随石粉含量增大缓慢降低；抗折强度逐步增大，石粉掺量>10％时增量趋小。Ahmed等[22]在固定坍落度时研究了石粉含量介于10%～20%的机制砂对混凝土抗压强度的影响，发现随着石粉含量的增加，混凝土的抗压强度呈线性下降，这是由于为了获得相同坍落度需水量增加的趋势。水灰比为0.53时，抗压强度对石粉含量的变化不敏感；对于以0.40水灰比配制的混凝土，石粉含量10%时强度上升到最高，之后强度随着石粉含量增加而降低；石粉含量20%时降到与天然砂混凝土相同。段瑞斌等人[23]认为机制砂混凝土的强度发展，随混凝土龄期的增长呈持续增长的趋势，并且高于同龄期的天然中砂混凝土。杨记芳[17]研究表明，机制砂混凝土的抗压试验强度完全满足设计强度要求，在相同条件下，采用机制砂配制的混凝土强度值普遍高于天然砂混凝土的强度值。李北星等人[24]认为混凝土抗压强度与机制砂的粗糙度正相关，粗糙度越大，抗压强度越高；混凝土抗折强度与机制砂的压碎值负相关，压碎值越小，抗折强度越大。混凝土抗压强度与机制砂压碎值、混凝土耐磨性与机制砂中SiO2含量之间没有明显的相关性。粗糙度越大、压碎值越小的机制砂混凝土耐磨性越好。在压碎值≤17.3％的情况下，完全可用石灰岩机制砂配制路面混凝土，不论是抗折强度，还是耐磨性均优于河砂混凝土。由于机制砂表面粗糙，棱角尖锐，形体呈不规则，所以机制砂较河砂更具有握裹力，而机制砂中的石粉又起到微集料效应，填充了混凝土中孔隙，这样混凝土就更加密实，强度也就更高。同时机制砂的新鲜界面，有利于强化水泥石同细集料的粘结效应；机制砂棱角分明，能更好地发挥嵌固作用，利于强度的发展，故混凝土抗压强度、抗折强度有所提高[25]。3.3收缩变形性能祁峰等人[16]认为机制砂混凝土在1d、3d早龄期的干缩值，随石粉含量的增大而增大，7d及7d以上龄期的干缩值随石粉含量的增大而呈减小趋势。当石粉含量>10％时，机制砂混凝土7d的干缩率达到28d时的57％～68％，比河砂高出8％～19％。段瑞斌等人[23]通过测定机制砂混凝土和河砂混凝土在90d龄期的自由收缩，结果表明，全机砂混凝土的收缩变形性能与天然中砂混凝土相当。李兴贵[26]的研究结果显示，石粉含量在12%以下时（这里指粒径<0.16mm的细粉），机制砂混凝土的干缩率增大缓慢，石粉含量>12%时，干缩率显著增大，且高石粉机制砂混凝土早期干缩>常规机制砂混凝土，并认为主要是由于<75μm的石粉颗粒在混凝土拌合物中起到增加水泥浆含量的作用，单位体积水泥浆多，导致干缩率增大。机制砂中适量的石粉可以加速水泥的早期水化，使水泥石浆体中自由水消耗过快，导致水泥石自干燥现象加剧；由于与水泥相比，石粉表面比较光滑，需水量较低，当石粉含量超过一定值时，可以使相同水灰比条件下的水泥石浆体中保留相对较多的自由水，同时，石粉的微集料效应，填充了水泥石内部的孔隙，并且改善了孔结构，从而降低收缩。3.4抗渗性能祁峰等人[16]认为随着石粉含量的增加，机制砂混凝土的氯离子扩散系数都略有增加，然而最大值只有224×10-14m2/s，满足混凝土对氯离子扩散系数≤300×10-14m2/s的要求，表明其具有较好的抗氯离子渗透性能。段瑞斌等人[23]认为机制砂中含有一定量的石粉可以起到一定的填充作用，能使混凝土较天然中砂混凝土密实，配制的混凝土的抗渗性能略好于天然中砂混凝土。杨善顺[19]研究表明，随着石粉含量的增加，机制砂混凝土的抗渗性会逐渐变差；但存在一个最优值（12％），此时机制砂混凝土的抗渗性最好。赵娟娟[25]认为机制砂混凝土比天然砂混凝土具有优越的抗渗透能力，这是因为机制砂混凝土内部结构密实,混凝土内部孔隙小,外界腐蚀物质不易侵入。李光伟等人[27]认为在调整砂率和用水量的情况下，采用石粉含量为16.8％～33.8％的大理岩机制砂作为拱坝混凝土的细集料，可以配制出抗冻等级>F300、抗渗等级>W15，其力学性能满足设计要求的拱坝混凝土。因此，机制砂中的石粉可使混凝土具有很好的黏聚性和保水性，改善了离析泌水现象，有利于水泥石结构和界面的粘结，阻断了可能形成的渗透通路，使混凝土的抗渗性得到改善。4结论机制砂具有表面粗糙、多棱角、颗粒形状不规则，一般含有10%～15%石粉（粒径<75