談機制砂高標號混凝土研究現狀及應用前景

朱 強 劉義峰

(1．運城市聞垣高速公路建設管理處，山西 運城 044000;2．重慶交通大學，重慶 400074)

0 引言

隨著我國社會經濟的飛速發展，各種基礎設施的需求和建設規模日益擴大，對高標號混凝土的需求量日益增加，而且在未來一段時期仍將持續增加。毋庸置疑，約占混凝土體積70%的砂石集料用量也將持續增長。但隨著國家對工程建設質量的要求提高，對砂石質量要求的越來越高，能滿足其要求的天然砂石集料越來越少;另一方面某些地區為保護環境而限制開采，以及受交通運輸限制，可供開采的優質天然砂資源儲量日益減少。在我國的一些地區，如西南地區的水電、交通等大型混凝土工程中，由于當地天然砂資源匱乏，為滿足工程要求不得不從遠處調運天然砂，大大提高了工程造價。而這些地區分布著大量碳酸鹽巖，機制砂來源廣泛，因此研究高性能機制砂混凝土無論從技術上和經濟上都顯得很有必要。

1 機制砂簡介及機制砂混凝土研究現狀

1．1 機制砂簡介

機制砂，屬于人工砂的一種，是母巖經過去土處理、機械破碎、篩分等工序后制成的，粒徑小于4．75 mm的巖石顆粒(不包括軟質巖、風化巖的顆粒)，多數呈灰白色或黑色，一般含有10%～15%左右的石粉，級配中大于2．36 mm和小于0．15 mm的顆粒含量偏多，細度模數普遍在3．0～3．7內，表面粗糙，粒形多呈三角形或方矩體。

與天然砂相比，機制砂石有五大優勢:

1)資源優勢。

在我國許多地區，碳酸鹽巖大量存在。

2)管理優勢。

實行了采礦許可，有穩定的法人主體、固定的經營場所，為加強管理創造了條件。

3)質量優勢。

料源固定、穩定和生產方式的機械化，保證了產品質量的穩定、可調和可控。

4)品質優勢。

開采的砂石有較高的表面能和親水性，有完整的級配和小于75μm石粉的微級配，能做到顆粒級配穩定、可調整，粒形可以改善。

5)環保優勢。

機制砂的使用可以減少河砂的開采，隨著生產工藝的發展，許多建筑垃圾可以制成機制砂，符合科學發展觀和適應節約、循環型經濟。

1．2 機制砂混凝土的研究現狀

1．2．1 機制砂混凝土的研究概況

關于機制砂的研究工作，國外開展得較早，美、英、日等工業發達國家使用人工砂已有幾十年的歷史，許多國家早已將人工砂納入其國家標準。20世紀80年代日本的人工集料與人工集料的比例，大約為10∶9，至20世紀90年代則增長為2∶1。

20世紀60年代，由于一些建設工程的環境條件所限，我國部分水電、建筑工程開始探索就地取材，用當地石材加工成機制砂拌制混凝土。經過科研學者和工程技術人員多年的試驗研究，許多省份在建筑上開始大規模使用機制砂，并相繼制定了機制砂地方標準或使用規程;機制砂混凝土的種類也日趨豐富，包括大壩碾壓機制砂混凝土、常態機制砂混凝土、泵送機制砂混凝土等，機制砂混凝土的強度等級也由低等級逐步提高到C50以上。機制砂混凝土的應用范圍也由水利工程向房建、路橋方向擴展。

1．2．2 機制砂混凝土的性能研究

由于機制砂在外部形狀以及內部微觀結構上與天然河砂的差異，導致機制砂混凝土與天然砂混凝土有較大差異。

在工作性能方面，與天然砂相比，由于機制砂顆粒表面粗糙、多棱角，一般認為機制砂混凝土坍落度較小，且由于石粉的存在，一定程度上改善了機制砂混凝土的和易性，同時改善了混凝土的保水性、泌水性和粘聚性，使之易于被振搗成型;石粉的存在使機制砂混凝土的初、終凝時間比不含石粉的天然砂混凝土可延長50 min～120 min。

在力學性能方面，強度是混凝土工程設計和質量控制的重要依據，是最受關注的一個核心指標。國內外專家通過大量試驗研究表明，在同等條件下，用機制砂配制的混凝土比天然砂配制出的混凝土強度略高，其原因歸納起來主要有以下幾方面:

1)機制砂中的石粉填充了混凝土中的空隙，且0．08 mm以下的石粉與水泥熟料生成水花碳鋁酸鈣，提高了混凝土的強度。

2)機制砂質地堅硬，表面粗糙，界面新鮮，具有較高的表面能，有助于提高界面的粘結，提高了混凝土的強度。

3)機制砂中的石粉含有大量的游離CaO，以及較多和較高活性的無定型SiO2，Al2O3，其中CaO遇水發生水化膨脹自行硬化，SiO2和Al2O3易與水泥水化釋放出的Ca(OH)2反應生成穩定的硅酸鈣水化物凝膠及水化鋁酸鈣，既消耗了Ca(OH)2，又促進了水泥的水化反應，同時，由于CH與石粉中的活性SiO2反應，使CH的晶體粒細化，有利于混凝土界面粘結。

國內許多科研學者和工程人員十分關注機制砂高性能混凝土的耐久性問題，開展了許多相關的試驗和應用研究，大多研究表明在相同條件下，機制砂混凝土的耐久性要優于河砂混凝土，甚至在工作性和力學性能中扮演重要角色的石粉含量對機制砂混凝土的耐久性影響并不是特別明顯。

1．2．3 機制砂混凝土的抗變形性能研究

混凝土的變形分為兩類，一類是在荷載作用下的受力變形，混凝土在短期荷載作用下的彈性變形主要用彈性模量表示;另一類與受力無關，稱為體積變形，如混凝土收縮以及溫度變化引起的變形。國內對機制砂混凝土彈性模量的研究不是很多，有研究表明:保持相同水灰比和水泥用量的前提下，機制砂混凝土的彈性模量高于天然砂混凝土，分析原因可能是由于機制砂粗糙多棱角的顆粒較多，在砂漿中形成了骨架，限制了水泥石的變形和骨料顆粒的滑動。

由于機制砂中小于0．08 mm的極細顆粒的含量影響，隨著機制砂中礦粉含量的增多，混凝土的干縮率增大。

1．2．4 機制砂混凝土的耐候性研究

混凝土工程通常暴露在外，經受嚴酷的自然環境考驗，因此要求混凝土具有良好的耐候性。在北方寒冷地區，對混凝土抗凍性要求較高。用于不透水的工程時，要求混凝土具有良好的抗滲性和耐蝕性。而機制砂在一定程度上改善了混凝土的抗凍性能，張映全等采用50%的石屑替代天然砂配置C40混凝土凍融試驗發現，使用50%石屑的混凝土試件經過200次后強度比天然砂混凝土少損失9．96%。混凝土的抗滲性與其孔結構有關，機制砂中石粉的存在加速了C3S的水化，并與C3AC4AF反應生成結晶水化物，改善水泥石的孔隙結構，提高了混凝土的抗滲性能。

2 機制砂生產應用中的問題及前景

2．1 機制砂生產應用中的問題

1)大量研究結果表明，機制砂質量符合規范要求的情況下，配制出的各種標號混凝土性能較好，能滿足應用要求。但目前國內機制砂的應用主要集中在中低標號混凝土中，機制砂級配、石粉含量等質量問題是制約機制砂在高標號混凝土中應用的主要原因。由于行業分散，生產方式傳統，無主管部門等因素影響，我國機制砂生產應用過程中主要存在以下幾方面問題:砂石行業未得到應有的重視，缺少長遠、統一的規劃，砂石礦產指標較少，多數地方臨時應對生產砂石，而不是按工業產品認真對待和管理。建筑砂石是用量最多的礦產品，而我國重要礦產品名錄中卻沒有它。在全國各地工商企業產品名錄登記中，未對機制砂有專門的命名。

2)機制砂生產單位質量意識淡薄。機制砂級配、含粉量等指標的可控性本是機制砂的優勢，比如控制原材的投料速度可以調整級配、控制水洗程序可以調整含粉量，但由于采石行業缺少準入制度，加上歷史形成的傳統生產方式，多數企業生產者素質依然較低、企業降低生產成本等原因，機制砂的質量往往得不到保證，同一生產廠商生產的機制砂級配、含粉量不穩定。

3)由于傳統觀念作祟，不接受新事物，對機制砂抱有懷疑態度，特別是在橋梁承重結構中，盡管相關試驗研究的結果樂觀，工程建設單位和施工單位依然不敢使用機制砂混凝土。

2．2 機制砂在高標號混凝土中的應用前景

我國金屬礦和非金屬礦儲量豐富，采集和加工過程中伴隨產生大約20%的尾礦，有相當一部分尾礦未得到合理利用，大量堆積，占用土地，污染環境，而不少尾礦如果經過適當分選與加工，可以制成機制砂。經過多年的探索和研究，機制砂在中低標號混凝土中的應用已經得到廣泛的推廣，進一步研究并推廣機制砂在高標號混凝土中的應用，減少天然砂的開采，既保護環境，又能提高資源利用率，形成綜合效益，符合科學發展觀和可持續發展的國策。為實現機制砂在高標號混凝土中的廣泛應用，可以做到以下幾點:加強機制砂企業的監管，提高機制砂生產從業人員的質量意識;加強機制砂生產工藝及生產設備研究，實現機制砂生產智能化，提高機制砂生產質量穩定性;對機制砂影響混凝土工作性能的機理進行研究，從而尋求根本解決機制砂混凝土缺陷的對策;對已有機制砂混凝土工程進行跟蹤監測。

3 結語

相關研究表明，機制砂可以用于配置高標號的混凝土，而且性能良好，但是目前機制砂在高標號混凝土中的應用相對比較少，主要原因是許多地區機制砂質量不合格或者不穩定、傳統觀念的束縛。為了推廣機制砂在高標號混凝土中的應用，需加強對機制砂生產企業的管理、加強機制砂生產工藝和生產設備的研究、對已有機制砂混凝土工程進行跟蹤監測。隨著環境友好型、資源節約型社會的建設，機制砂在高標號混凝土中應用將得到更好的推廣。

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