机制砂性能及机制砂混凝土在高速公路中的应用分析

文/杨明、汪帆

1 机制砂性能概述

机制砂是将岩石颗粒经由机械破碎和筛分而得到的粒径在0.075～4.75mm 之间的人工砂。其颗粒级配较差，细度模数较大，且粒径不足0.075mm 的岩石石粉含量高，粒径在2.36mm 以上的颗粒含量偏多，细度模数通常在3～3.7 之间，棱角尖锐、表面粗糙。与天然砂相比，机制砂对混凝土的力学性能影响较大，因此机制砂混凝土的配置也就存在更大难度。

1.1 机制砂的级配

虽然机制砂级配不良，但因其石粉含量高，所以堆积密度较大、孔隙率小，不能简单而笼统地根据孔隙率及堆积密度的大小进行其级配好坏的判断。通常情况下，机制砂略微超出级配上限也较为正常。

1.2 石粉含量

机制砂内的石粉主要指粒径在0.075mm 以下的颗粒；石粉主要来自研磨后的岩石粉末。传统的认为机制砂混凝土中石粉含量增大会增加拌合用水量并降低混凝土力学性能的观点并不准确，因为机制砂具有较为尖锐的棱角，不利于砂浆及混凝土的和易性，而掺加适量的石粉能够有效解决这一问题。石粉因与机制砂具有相同的成分，所以能发挥微集料的作用，并改善和优化混凝土材料的和易性，增大混凝土浆体的粘稠性，使其离析和泌水现象大大减轻[1]。在机制砂混凝土配置的过程中，应当将石粉掺量控制在7%左右。石粉作为掺合料使用后，能取代10%左右的水泥用量。仅需要在配合比设计阶段调整混凝土砂率，且并不影响或降低混凝土材料强度。

1.3 细度模数

机制砂细度模数通常在2.5～3.6 区间，如果实际细度模数过低，则石粉含量过高；细度模数过高，则会影响机制砂混凝土的粘聚性与砂率。机制砂混凝土的砂率通常比河砂混凝土高出3.4%～5.8%，且机制砂混凝土砂率取值通常在35%～42%范围内变化。为确保混凝土粘聚性，应尽可能在这一区间内减小砂率，以此有利于混凝土弹性模量控制和干燥收缩[2]。若机制砂细度模数、级配及石粉掺量等发生改变，则必须将细度模数调整范围控制在±0.2%、石粉含量的调整范围控制在±1%，否则按照重新调整砂率的原则相应地调整砂率。

2 机制砂混凝土

2.1 机制砂混凝土主要成分

混凝土配置采用石灰岩机制砂材料时，考虑到外加剂的适用性问题，不得使用酸性外加剂。如果使用聚羧酸盐系高效减水剂，则应在净浆试验的基础上，进行水泥和此类外加剂适应性的机制砂混凝土试验[3]。

通过掺加粉煤灰弱化和改善机制砂级配不良进而影响拌合物性能的问题，并使机制砂混凝土材料凝聚性、保水性、泵送性、结构强度、抗收缩性等性能显著改善。随着机制砂石粉含量的增大，我们应加强对混凝土砂率的控制，以取得最佳的混凝土材料粘度。

因机制砂表面粗糙、石粉含量高，为配置同等塌落度的混凝土，机制砂拌合用水量比河砂用水量多出5～10kg/m3。另外，机制砂还具有比河砂大的表观密度，所以机制砂混凝土密度较高。通过假定容重法确定混凝土配合比时，应高出河砂混凝土配合比30～40kg/m3。

通过以上分析可以看出，机制砂混凝土材料性能对石粉含量、外加剂掺量、砂率、拌合用水量等均较为敏感，如果所选用机制砂级配不良、砂率选择不当、外加剂类型不符、拌合用水过多，则均会导致机制砂混凝土发生泌水、离析等现象。为此，我们必须加强机制砂混凝土配合比设计及主要成分的控制。

2.2 机制砂混凝土性能

与同配比的河砂混凝土相比，机制砂混凝土因颗粒较为光滑、摩擦阻力小，坍落度更大，流动性更好。在实际生产过程中，河砂通常具有较高的含泥量和不稳定的细度模数，而机制砂几乎没有此类问题，其性能稳定，能有效弥补河砂的性能缺陷。此外，机制砂表面较为粗糙、多棱角，在配合比相同且和易性相差不大的情况下，机制砂混凝土28d 抗压强度比河砂混凝土高[4]。

当石粉掺加量增大时，浆体体积也随之增大，进而导致机制砂混凝土弹性模量不断降低。随着矿粉或粉煤灰掺量的增加，机制砂混凝土弹性模量更多取决于界面过渡区域及抗压强度，且石粉含量高的机制砂混凝土弹性模量略低于天然河沙混凝土。根据干缩性试验结果，石粉掺量7%是机制砂混凝土干缩性能的分界点。当石粉含量低于该临界点时，混凝土龄期干缩率随石粉掺量的增大而增大；而当石粉含量高于该临界点时，则随石粉掺量的增大，混凝土龄期干缩率不断减小。究其原因主要在于，石粉含量较低情况下，石粉处在硅酸盐水泥水化产物高碱性环境下，既会因晶核作用加速形成水化硅酸钙，又会因其与硅酸盐水泥水化物产生反应而生成水化碳铝酸钙晶体，使浆体量和干缩性大大增加。当石粉含量超出7%的临界点后，大多数石粉和硅酸盐水泥水化物的反应难度增大，石粉中的微粒将混凝土结构填充密实，并发挥抑制浆体收缩的作用，导致干缩率持续缩小[5]。

机制砂混凝土比河砂混凝土徐变值小，原因在于机制砂内的石粉可以发挥微集料作用，进一步增加混凝土结构的密实性，防止其发生结构变形；此外，机制砂的多棱角性和粗糙表面也在很大程度上抑制了其结构变形。

3 机制砂混凝土的应用

3.1 工程概况

某高速公路桥预应力混凝土梁拟采用悬灌法进行施工，长250m 的混凝土泵送管道中垂直部分管道110m。按照设计要求，混凝土3d 抗压强度应达到设计强度的至少80%，弹性模量至少为3.2×104MPa。考虑到工程所在地细骨料资源匮乏、机制砂石粉含量高，因此必须在充分研究石粉影响机制砂混凝土力学性能的基础上，通过控制粉煤灰、减水剂等掺加量，达到优化机制砂混凝土配合比的目的。

3.2 原材料的选用

3.2.1 水泥

本工程所使用的强度等级42.5 的普通硅酸盐水泥中Cl-离子含量在0.06%以下，C3A 含量在8%以下，碱含量在0.8%以下，比表面积为340m2/kg，初凝时间至少为180min，终凝时间不超过240min，3d 抗压强度和抗折强度分别为21MPa 和5.3MPa，28d 抗压强度和抗折强度分别为47.5MPa 和7.6MPa，烧失量2.2%。

3.2.2 骨料

细骨料采用工程所在地某石料厂生产的机制砂，并通过人工方式将其配制成粒径级配满足设计要求的Ⅱ区中砂，其表观密度为2.75cm2/g，堆积密度1650m3/kg，含泥量1.3%，石粉含量8.1%，吸水率0.9%，孔隙率40%，压碎指标17.6%。

粗骨料采用同一石料厂的碎石料，未检出Cl-离子含量，并按设计比例配置5～25mm 连续级配骨料。

3.2.3 外加剂

粉煤灰、硅粉、矿渣粉等矿物外加剂的加入能够改善混凝土性能，填充增密、提升材料耐久性等作用。此外，本工程还使用了与水泥具有相容性的聚羧酸高性能减水剂，以此保证高性能机制砂混凝土材料的成功配置。

3.3 施工措施

施工开始前应在施工现场拌和混凝土，并进行泵送混凝土性能的试验依据相关性能参数的调整，为施工现场机制砂混凝土拌制、运输、泵送过程提供依据；此外，还应调整出机、入泵、入模机制砂混凝土的扩展度、塌落度、含气量等变量关系，以便达到最佳的配合比，使最终配合比完全符合工程实际。本工程采用附着式振动器和插入式振动器相结合的机制砂混凝土振捣方法，保证全方位振捣施工。此外，还要加强对入模温度、拆模温差等的监控，并将养护时间严格控制在21d。

3.4 混凝土质量检验

本工程施工开始前准备工作较充分，且已根据施工现场所进行的混凝土拌制、泵送试验结果完成了混凝土拌制、泵送协调工作，大大缩短了混凝土罐车载料及等待时间。本工程在泵送混凝土的过程中并未出现堵管、离析等现象，且混凝土填充密实性良好。

目前，本高速公路工程已经完成3200m3的C60 高性能混凝土浇筑任务，并未出现混凝土开裂等质量问题，外观良好。对施工现场所选取的30 组尺寸为15cm×15cm×15cm 的混凝土试件进行的试验结果也表明，其3d 强度和弹性模量均满足张拉要求；按照相关规范对28d 抗压强度所进行的评定结果表明，试件抗压强度均值为72.4MPa，抗压强度最小值为70.8MPa，标准差为2.2，评定结果为合格。

4 结语

本文分析结果表明，通过混凝土配合比设计可有效解决机制砂普遍存在的级配不良问题，生产出级配良好、性能优异且力学性能和耐久性比河砂优越的机制砂混凝土。随着我国高速公路建设规模的扩大，用质量好的机制砂代替河砂已经成为缓解河砂资源供应紧张局面的最佳途径；成品机制砂筛分结果完全符合相关规范中混凝土用砂Ⅱ区中砂要求以及工程所在地地方政府相关规范中机制砂质量控制要求。另外，试验室所配置的不同标号的机制砂混凝土力学性能也均符合设计要求，胶材用量小于360kg/m3可以使混凝土性能和强度基本不受影响，且具有十分显著的经济效益。