浅谈人工砂混凝土特点及其在水利工程中的应用

周立新，陈建国

（广西水利科学研究院，广西 南宁 530023）

水库是江河防洪体系的重要组成部分，水库出现病险，不仅是江河防洪体系的削弱，更重要的是水库本身变成了巨大的隐患和威胁。病险水库除险加固在保证防洪安全上一举两得，一方面解除了水库自身的安全隐患，另一方面完善了江河防洪体系，增强了江河防洪的综合能力[1]。随着水库除险加固工程建设增多，河砂已开始变得稀缺，且河砂质量也在下降，人工砂作为河砂的替代资源，综合成本比河砂低，人工砂在水电站工程早已成熟应用，在我区部分地区的水库除险加固工程中也经常用到人工砂，但是人工砂如果使用不当，会造成混凝土密实性下降、强度降低、耐久性不良，给水库除险加固工程带来不利后果。正确采用人工砂配制混凝土，对提高水库除险加固工程的质量有重要意义。

1 人工砂的特点

混凝土的骨料一般不按其矿物成分分类，只需要具有足够高的硬度和强度、良好的级配和粒形, 不含有害物和粘土等杂质，稳定性好。因此，国标GB/T14684—2001 中把人工砂定义为经除土处理的机制砂、混合砂的统称。机制砂: 由机械破碎、筛分制成的, 粒径小于4.75 mm 的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。混合砂：由机制砂和天然砂混合制成的砂。

目前，人工制砂工艺主要可分为湿法和干法两种，而湿法制砂通过水洗，不仅使石粉含量很难控制，而且洗走的并非只是75μm 以下的颗粒，同时，还洗走了包括150μm、300μm，600μm 的颗粒。所以说，水洗的结果造成浪费而且还破坏了人工砂的自然级配，不利于达到混凝土的最大密实。而干法制砂不仅节约了水资源，而且通过选粉机对砂进行分选，能有效控制石粉的含量，并且使砂的颗粒级配及细度模数达到最佳状况。人工砂颗粒级配一般粗、细颗粒较多，中间颗粒较少，粒型呈不规则多边体、表面粗糙、棱角尖锐、部分针片状颗粒较多、细度模数在2.0 ～3.5 之间、大多偏粗，含有4%～20%的石粉。

人工砂按母岩矿物成分来分主要有：石灰岩，花岗岩、砂岩、石英岩、玄武岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩等。常用的为石灰岩人工砂。由于人工砂母岩矿物成分、加工方式和使用途径的不同，就不能把人工砂当成天然砂的代替品来认识和利用。与天然砂相比，人工砂的优势在于：可利用各种废弃资源，符合废物利用型及环境友好型材料；有固定的加工场地和经营场所；料源稳定，机械化的生产方式保证了产品的质量稳定、可控；多种矿物成分可选择，颗粒级配稳定、可调整、粒形可以改善；结合工程情况，就近选择料场，节约运输成本。

2 人工砂生产存在的问题

由于观念问题，人们对砂石的认识存在着偏差，认为混凝土中水泥及其他胶凝材料起主要作用，往往忽视了砂石料的作用，一般认为砂石在混凝土中仅起填充作用。同时，由于过去天然砂、石资源较为丰富，即使有人认识到砂石料的重要性，也改变不了其现状，只能采取顺其自然的态度，对砂石不能提出太高的要求，久而久之，砂石的质量得不到应有的重视和控制。明明是重要的产品，生产、使用单位和管理部门却都不把其作为产品来对待，甚至有些科技人员，也认为砂石无技术研究的价值，对砂石的认识还停留在农民挖砂的阶段。就目前而言，人工砂的使用存在着如下主要问题[2-4]。

（1）粒形不佳，针片状颗粒过多。这与母材岩分及材质有关，同时也与选用的设备有关。与颚式破碎机相比，选用专门的制砂机，粒形不佳，针片状颗粒过多问题基本可以解决。

（2）不注重砂子的颗粒级配，细度模数存在偏大或偏小。有些人工砂加工企业连颗粒级配、细度模数等基本概念都不懂，有些企业为降低机械磨损，降低生产成本，生产的人工砂细度模数多为3.0 以上。

（3）泥粉与石粉。泥粉对混凝土是有害的，必须严格控制含泥量，人工砂生产过程中要除去山体表层皮土和夹层土。除土工序一定要放在原料处理前，不能放在最后，这样既避免了泥土的掺入，又为石粉保留合理的级配创造条件。

（4）风化的山砂经水洗或简单加工作为人工砂。这种砂粒形，级配，细度模数一般都在中砂范围内。实际上，其强度低，配制的混凝土不仅强度、耐久性不行，就连配制的砂浆也不耐磨。

3 人工砂对混凝土的影响

由于人工砂颗粒表面粗糙、多棱角，流动性较差，人工砂在混凝土中搅拌不易均匀；人工砂颗粒级配较差，混凝土容易产生离析、泌水现象；人工砂的含粉量不易控制，易导致人工砂的比表面积波动较大，有时会出现水泥砂浆无法完全包裹粗骨料的状况发生，从而出现混凝土离析，导致混凝土强度的降低；人工砂混凝土流动性较天然砂差，在泵送过程中，人工砂混凝土的入泵坍落度过小时，在泵送压力下易造成堵管、泌水；人工砂混凝土表面易出现泌水和浮浆，且在风速大，气温高等情况下易出现塑性收缩裂缝。

李兴贵[5]认为：当石粉含量增大到21%以上时，由于石粉含量太高，颗粒级配不合理，使混凝土密实性降低，和易性变差，粗颗粒偏少，减弱了骨架作用，非活性石粉不具有水化及胶结作用，在水泥含量不变时，过多的石粉使水泥浆强度降低，并使混凝土强度减小。

人工砂混凝土的弹模高于普通混凝土。弹模提高的原因可能是：人工砂粗颗粒较多，在砂浆中起着骨架作用，限制了水泥砂浆的变形及细骨料颗粒之间的滑动，同时人工砂与水泥石之间的良好界面粘结，使得人工砂混凝土界面薄弱区孔隙率下降，减少了人工砂混凝土局部应力集中。

混凝土的干缩性能直接影响混凝土的裂缝，进而影响混凝土的耐久性。李兴贵等人的研究结果显示：与常规细骨料(石粉含量3%)相比，石粉含量为16%和12%的混凝土干缩率分别增大12.8%和4.8%。其中，石粉含量在12%以下时，干缩率增大缓慢，石粉含量大于12% 时，干缩率迅速增大。并认为干缩率随石粉含量增加而增大,这是由于石粉中小于0.08 mm的极细颗粒随石粉含量的增加而增多，这种极细颗粒在混凝土拌合物中起到增加水泥浆含量的作用，混凝土的干缩正是来源于水泥浆的干缩，显然，单位体积水泥浆多，导致干缩率增大。

混凝土的抗渗性主要与其孔结构分布及孔隙率有关，因此大多数人认为人工砂中的石粉是提高混凝土抗渗性的主要原因。同时有研究者认为: 人工砂中的石粉只是一种有效的填料，虽然不具有活性，但提高了混凝土的密实性，增强了水泥砂浆与粗骨料界面粘结。 而有人则认为石粉能加速C3S 的水化，并与C3A、C4AF 反应生成结晶水化物，并能改善水泥石的孔隙结构, 因此抗渗性能得到提高。

4 人工砂水工混凝土质量控制

4.1 严格控制人工砂质量

人工砂质量的控制指标应符合SDJ207-82、DL/T5144-2001 水工混凝土施工规范要求。

4.2 人工砂混凝土配合比设计应注意的事项

依据水工混凝土配合比设计三参数原则，采用人工砂时，应对单位用水量和砂率进行适当调整：1）采用人工砂时，单位用水量应该提高5 ～10kg/m3；2）采用人工砂时，砂率应增加2%～3%；3）适当的掺加高效减水剂。

4.3 施工时应注意的事项

（1）施工前，必须根据原材料及工程的实际情况，进行人工砂混凝土施工配合比试验。施工时，应按已确认的施工配合比进行配料、施工。

（2）经常性地检测人工砂的品质，尤其是含粉量。如含粉量比原先做施工配合比时少，可根据施工现场原材料的实际情况，保证水灰比不变，适当减少配合比单位用水量；如含粉量比原先做施工配合比时多，可根据现场原材料的实际情况，保证水灰比不变，适当增加配合比单位用水量。杜绝不经施工技术人员批准，私自增加配合比单位用水量。

（3）人工砂混凝土现场搅拌时间应比天然砂混凝土增加30s。

（4）人工砂混凝土浇筑时应均匀布料，对坍落度较小的人工砂混凝土，应加强振捣，避免漏振。对坍落度较大的人工砂混凝土应避免过振，并加大振捣半径。

（5）人工砂混凝土采用泵送方法施工时，针对不同泵送高度，入泵混凝土坍落度值宜较天然砂混凝土增加30mm。

（6）人工砂混凝土初凝前，应及时对其表面进行压光抹面处理，并应加强早期养护。

5 工程实例

某水库除险加固工程溢洪道混凝土采用人工砂混凝土，强度等级为C25。该分部混凝土完工后，分别在溢洪道进口段左边墙贴坡、底板及泄槽段底板采用钻芯法各钻取2 组，进行混凝土抗压强度检测。检测结果显示：溢洪道进口段左边墙贴坡混凝土强度分别为16.2MPa，15.6MPa；溢洪道底板混凝土强度分别为19.1MPa，17.5MPa；溢洪道泄槽段底板混凝土强度分别为17.5MPa，18.5MPa，均未达到设计要求。通过分析压碎后的混凝土样品，发现人工砂中含泥量或含粉量较高，针对这些问题，通过控制人工砂的颗粒级配、含粉量及含泥量，调整混凝土施工配合比，整改后，溢洪道进口段左边墙贴坡混凝土强度分别为46.6MPa，36.7MPa；溢洪道底板混凝土强度分别为35.1MPa，40.8MPa；溢洪道泄槽段底板混凝土强度分别为35.1MPa，41.6MPa，均远超设计要求。

6 结语

本文对人工砂在生产、应用过程中可能存在的问题进行了论述和总结。实际工程应用实例也验证了：严格按照规范要求，通过改进人工砂生产工艺，严管人工砂的质量；施工前，做好施工混凝土配合比试验，施工时，严格按照规范及原材料的情况进行混凝土配合比的适当调整，人工砂也能配制出高强、高耐久性混凝土。可以应用于水库除险加固工程。

[1] 陈恩才. 浅谈病险水库除险加固的措施及必要性[J]. 城市建设,2011,(5):10-12.

[2] 陈家珑, 周文娟. 我国人工砂的发展与问题探讨[J]. 建筑技术,2007,(11):849-851.徐健，蔡基伟，王稷良，等. 人工砂与人工砂混凝土的研

[3] 究现状[J]. 建筑技术,2004，(3)：21-23.段雄辉, 等.预拌泵送混凝土用机制砂的生产工艺及质量

[4] 控制[J].混凝土, 2006, 27- 31.李兴贵, 章恒全, 陈晓月. 高石粉人工砂原级配混凝土干

[5] 缩性能试验研究[J]. 河海大学学报, 2002, (4) : 37-40.