两种生产工艺机制砂掺配对混凝土性能的影响

董藏龙 肖志敏 夏京亮

(1.中交四航局第一工程有限公司， 广州 510000； 2.中国建筑科学研究院有限公司， 北京 100013)

随着基础设施建设量的增加和国家环保要求的提高，河砂资源匮乏现象日益显著，工程中机制砂代替河砂配制混凝土已经成为铁路行业不可逆转的趋势[1]。机制砂是经除土处理，由机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75 mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但是不包括软质、风化的颗粒[2]。目前国内外对于机制砂及机制砂混凝土研究愈加广泛，包括机制砂各技术指标，级配、岩性、石粉、MB值等对混凝土性能的影响[3-6]；机制砂混凝土工作性能、力学性能、耐久性能、疲劳性能等方面[7-9]。然而对于机制砂生产工艺的研究不多[10]，尤其是湿法制砂得到的水洗砂和干法制砂得到的风吸砂掺配比例问题。本文分析水洗砂和风吸砂的差异，研究不同生产工艺机制砂掺配比例对泵送混凝土工作性能、抗压强度、电通量和碳化性能的影响，旨在提高工程混凝土质量，推进机制砂混凝土应用。

1 试验

1.1 试验原材料

(1)水泥：P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其性能如表1所示。

表1 P·O 42.5水泥物理性能表

(2)粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，细度(45 μm方孔筛筛余)15.3%，需水量比98.3%，28 d活性指数78.5%。

(3)机制砂：两种生产工艺机制砂，一种为水洗除粉工艺生产，一种为干法生产。

(4)粗骨料：5～10 mm和10～20 mm两种规格，掺配比例为2∶8，掺配后碎石级配如图1所示，表观密度为 2 680 kg/m3，孔隙率为39%，针片状含量4%。

图1 碎石级配曲线图

(5)减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，减水率28%，含气量2.3%，压力泌水率比42%，28 d抗压强度比159%。

1.2 试验混凝土配合比

采用C35强度等级泵送混凝土进行试验，水洗砂和风吸砂比例分别为4∶6、5∶5、6∶4、7∶3四种，具体各组代号相应的混凝土配合比如表2所示。

表2 试验混凝土配合比表

1.3 试验方法

混凝土工作性能按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试；抗压强度按照GB/T 50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm；电通量和碳化性能按照GB/T 50082-2009《普通混凝土耐久性和长期性能试验方法标准》进行测试。

2 混凝土性能分析

2.1 两种工艺机制砂对比

两种生产工艺机制砂均采用冲击式制砂机生产，区别在于水洗砂采用轮式吸砂机洗掉部分石粉来控制机制砂石粉含量，风吸砂采用旋风吸尘器通过风力将部分石粉吸出控制机制砂石粉含量。两种机制砂颗粒形貌如图2所示。从图2可以看出，两种机制砂颗粒粒形相近，说明制砂工艺是相同的，差别在于风吸砂颗粒表面附着石粉较多，颜色较浅。

图2 两种工艺机制砂颗粒形貌图

两种生产工艺机制砂技术指标如表3所示，级配情况如图3所示。从表3、图3可以看出，两种机制砂级配相近，风吸砂略粗，水洗砂细度模数为3.27，风吸砂细度模数为3.33；水洗砂相对风吸砂相对较干净，水洗砂MB值为0.9，而风吸砂MB值为1.2，风吸砂MB值高出33.3%；风吸砂石粉含量较低，仅为7.8%，而水洗砂为9.6%；两种机制砂压碎值相近，水洗砂为12.1%，风吸砂为14.5%；采用JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》试验了两种机制砂需水量比，该方法首先采用ISO标准砂，在水泥与标准砂比例为1∶3、水灰比为0.5的情况下测试砂浆流动度，然后再采用机制砂，在水泥和砂比例相同的前提下，通过掺加不同用量的水，调整机制砂浆流动度使其接近标准砂的砂浆流动度，以此时的用水量和标准砂浆用水量之比为机制砂需水量比，用于表征机制砂的整体性能。机制砂粒形越好、级配越佳、石粉含量越恰当，需水量比越小。从试验结果可知，水洗砂需水量比为112%时，可达到JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》标准中特级人工砂要求，风吸砂需水量比为121%时，可达到JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》标准中Ⅰ级人工砂要求。整体来看水洗砂要优于风吸砂。

表3 两种工艺机制砂技术指标表

图3 两种工艺机制砂级配曲线图

2.2 对泵送混凝土性能的影响

为探究湿法生产和干法生产两种生产工艺的机制砂掺配比例对泵送混凝土工作性能的影响，试验采用不同比例的水洗砂和风吸砂掺配配制了C35强度等级混凝土，混凝土外加剂掺量和工作性能如表4所示。

表4 两种机制砂掺配对混凝土工作性能的影响表

由表4的试验结果可知，随着水洗砂掺配比例的提高，混凝土减水剂掺量呈现降低的趋势，水洗砂/风吸砂为4/6时，减水剂掺量为5.77 kg/m3，而当水洗砂/风吸砂为7/3时，减水剂掺量为5.37 kg/m3，节约减水剂用量0.4 kg/m3。在节约了减水剂用量的情况下，提高水洗砂比例，混凝土工作性能仍然在改善。水洗砂/风吸砂为4/6时，混凝土坍落度为200 mm，扩展度为490 mm；而水洗砂/风吸砂为7/3时，混凝土坍落度为220 mm，扩展度为570 mm，坍落度提高了20 mm，扩展度提高了80 mm，混凝土流动性得到较大改善。若采用泵送施工工艺，推荐机制砂掺配比例水洗砂/风吸砂为7/3。

为控制石粉含量,水洗砂经过水洗，使得机制砂为控制石粉含量，较为干净，MB值为0.9，而风吸砂MB值较大，为1.2，使得配制混凝土时，风吸砂对减水剂的吸附作用较为明显，降低了混凝土流动性。两种机制砂需水量比试验(该试验没有用到减水剂)也呈现了相似的规律。

图4 不同生产工艺机制砂掺配比例对混凝土抗压强度的影响图

2.3 混凝土抗压强度

不同生产工艺机制砂掺配比例对泵送混凝土抗压强度影响如图4所示。从图4可以看出，随着水洗砂掺配比例的增加，混凝土抗压强度逐渐增大。7 d试验龄期时，水洗砂/风吸砂为5/5、6/4、7/3的3组混凝土抗压强度较水洗砂/风吸砂为4/6的抗压强度分别增加了2.1%、3.9%和6.5%；56 d试验龄期时，水洗砂/风吸砂为5/5、6/4、7/3的3组混凝土抗压强度较水洗砂/风吸砂为4/6的抗压强度分别增加了4.3%、6.0%和10.2%。这主要是因为：(1)水洗砂石粉含量较高，随着水洗砂比例的增加，整个细骨料体系中石粉含量在增加，对于混凝土而言相当于水粉比增加，增加了混凝土强度；(2)随着机制砂石粉含量的增加，较细的石粉在水泥浆体中起到了填充作用，增加了混凝土强度；(3)由于水洗砂技术指标优于风吸砂，水洗砂掺配比例较高的混凝土工作性能较好，混凝土成型时更加容易密实，从而提高了混凝土强度。上述三个方面的综合作用，使得混凝土抗压强度随着水洗砂掺配比例的增加而提高。

2.4 电通量

不同生产工艺机制砂掺配比例对泵送混凝土电通量的影响如图5所示。从图5可以看出，不同生产工艺机制砂掺配比例对混凝土电通量的影响不是特别明显，随着水洗砂掺配比例的增加，混凝土电通量呈现降低趋势。56 d试验龄期时，水洗砂/风吸砂为5/5、6/4、7/3的3组混凝土电通量较水洗砂/风吸砂为4/6的电通量分别降低了4.5%、3.6%和15.3%，水洗砂/风吸砂为5/5和6/4两组混凝土56 d的电通量基本一致。其主要原因为：(1)水洗砂石粉含量较高，随着水洗砂掺配比例的增加，混凝土中石粉含量在增加，增加的石粉密实了混凝土；(2)水洗砂掺配比例增加，混凝土工作性能更优，混凝土成型更加密实；(3)机制砂中石粉在水泥水化时具有一定的晶核效应，能够提高水泥水化速率，进一步提高混凝土密实性。

图5 不同生产工艺机制砂掺配比例对混凝土电通量的影响图

2.5 抗碳化性能

不同生产工艺机制砂掺配比例对泵送混凝土电通量的影响如图6所示。从图6可以看出，混凝土碳化深度随着水洗砂掺配比例的增加呈现明显减小趋势，28 d试验龄期时，水洗砂/风吸砂为5/5、6/4、7/3的3组混凝土碳化深度较水洗砂/风吸砂为4/6的碳化深度分别减小了9.2%、12.3%和24.6%；56 d试验龄期时，水洗砂/风吸砂为5/5、6/4、7/3的3组混凝土碳化深度较水洗砂/风吸砂为4/6的碳化深度分别减小了4.9%、12.2%和23.2%。这是由于水洗砂掺配比例增加，更加密实，使得混凝土抗碳化性能提高。

图6 不同生产工艺机制砂掺配比例对混凝土碳化性能的影响图

3 结论

本文分析了湿法制砂得到的水洗砂和干法制砂得到的风吸砂的差异，试验研究了不同生产工艺机制砂掺配比例对铁路工程泵送混凝土工作性能、抗压强度、电通量和碳化性能的影响，得到如下结论：

(1)两种机制砂级配相近，风吸砂略粗，水洗砂较干净，风吸砂石粉含量较低，两种机制砂压碎值相近，水洗砂需水量比较低，达到特级人工砂要求。

(2)随着水洗砂掺配比例的提高，混凝土减水剂掺量呈降低趋势，混凝土流动性得到改善，推荐机制砂掺配比例水洗砂/风吸砂为7/3。

(3)随着水洗砂掺配比例的增加，混凝土抗压强度逐渐增大，混凝土电通量呈现降低趋势，混凝土抗碳化性能提高，主要原因是水洗砂掺配比例增加，混凝土密实性得到了提高。

(4)研究工作推进了机制砂混凝土应用，提高机制砂混凝土质量。