機制砂和特細砂配制混凝土的性能與應用

鄧橋，鄒洋，張波

(中交四航局第一工程有限公司)

0 前言

混凝土是現代土木工程建設最主要的建筑結構材料，細集料是混凝土重要組成部分，其對混凝土拌合物的工作性和硬化后的物理力學性能和耐久性等均具有重要影響。在工程建設中，一般主要采用性能良好的天然中、粗砂作細集料配制混凝土，隨著建設規模的擴大，混凝土的大量應用，天然砂資源已日益短缺。在此形勢之下，機制砂生產企業應運而生，機制砂的開發及應用研究也在科研院所及部分企業迅速開展起來。國內科研試驗人員做了大量的關于機制砂混凝土方面的試驗研究工作。

《建設用砂》GB/T 14684-2011、《公路橋涵施工技術規范》JTG/T F50-2011、《機制砂、混合砂混凝土應用技術規程》DB50/5030-2004等國家、行業、地方標準規定了砂的級配標準和石粉含量限值，其中對機制砂的級配要求與天然砂的相同，為了滿足標準規定的石粉含量要求，機制砂中過量的石粉必須通過水洗或風選去除，必將造成細集料中缺少細顆粒，級配不良，而適量特細砂的摻入，可補充0.3mm以下顆粒含量，有效的調整機制砂的顆粒分布，改善細集料的級配，使之符合技術規范要求。

結合重慶三環高速公路建設，考慮重慶地區原材料特性和公路橋涵施工行業特點，對機制砂和特細砂混合而成的混合砂配制混凝土進行技術研究，主要考察機制砂和特細砂的摻配、混合砂混凝土的配制、混合砂混凝土的工作性能和力學性能等。

1 主要原材料

1.1 細集料

(1)特細砂。

合川臨哲建材有限公司在渠河開采的特細砂。性能指標見表1。

(2)機制砂。

合川臨哲建材有限公司生產的卵石機制砂。

石粉是機制砂加工后形成的粒徑小于0.075mm的和母巖相同成分的顆粒，適量的石粉對配制混凝土是有利的，適量石粉的存在，能彌補機制砂混凝土和易性差的缺陷。而泥對混凝土是有害的，應該嚴格控制其含量。現行國家行業規范等如《公路橋涵施工技術規范》JTG/T F50-2011出于控制含泥量的考慮，對石粉含量也進行了嚴格的控制。為了達到規定的石粉含量要求，采用了經過水洗工藝的卵石機制砂，制砂用卵石源于經水洗后的涪江卵石。性能指標見表1。

(3)天然砂。

產于洞庭湖的Ⅱ類中砂(湖砂)。

天然中砂從洞庭湖船運至重慶碼頭，然后汽運至合川，運距1000km左右。其性能指標見表1。

表1 特細砂、機制砂、天然中砂的技術性能指標

1.2 碎石

合川虹發采石場生產的5～25mm碎石(由70％的10～20mm碎石和30％的5～10mm碎石摻配而成)。主要技術性能指標見表2。

表2 碎石主要技術性能指標

1.3 水泥

拉法基瑞安(重慶)特種水泥有限公司生產的P.O42.5R水泥。主要技術性能指標見表3。

表3 水泥主要技術性能指標

1.4 粉煤灰

廣安順勝粉煤灰有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰。主要技術性能指標見表4。

表4 粉煤灰主要技術性能指標

1.5 減水劑

重慶九樂建材有限公司生產的RH-1高效減水劑。主要技術性能指標見表5。

表5 減水劑主要技術性能指標

2 試驗與結果討論

2.1 混合砂的摻配

混合砂中特細砂與機制砂比例的確定，混合砂細度模數的計算可用重慶市地方標準《混合砂混凝土應用技術規程》DB50/5030-2004中的簡易公式計算

式中:Uf(混)為混合砂的細度模數;Uf(機)為機制砂的細度模數;Uf(特)為特細砂的細度模數;A(機)為機制砂的摻配比例;A(特)為特細砂的摻配比例。

根據上述公式，按照30％的特細砂和70％的機制砂混合計算混合砂的細度模數=1.4×0.3+3.6×0.7=2.9，將特細砂和機制砂按照比例混合后進行篩分，實測混合砂細度模數為2.8，與計算值相近。混合砂篩分級配范圍見表6。結果表明，除了2.36mm篩的累計篩余不在Ⅱ區砂的曲線范圍外，其余篩都符合，且2.36mm篩的累計篩余超出量為1.8％，符合《公路橋涵施工技術規范》JTG/T F50-2011規定的人工砂可以超出的限值5％。適量的摻配比例，可以將原本不符合規范級配范圍要求的特細砂和機制砂配制成符合要求的混合砂。

表6 30％特細砂和70％機制砂混合實際級配

在實際工程應用中，可以根據需要的細度模數、特細砂和機制砂的實際細度模數，通過簡易公式進行反向計算，得出特細砂與機制砂的摻配比例，快速應用于工程建設。

2.2 不同細集料種類的混凝土配制與性能

配合比設計依據《普通配合比設計規程》JGJ55-2011、《機制砂、混合砂混凝土應用技術規程》DB50/5030-2004進行，混凝土的工作性及物理力學性能依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》JTG E40-2005進行。在混合砂混凝土的配制過程中，從初始配合比的計算到基準配合比的確定，需要經過多次的調整。在整個調整過程中，選擇合適的用水量、砂率、減水劑摻量等，以達到最佳的工作性能。試驗采用不同的混合砂摻配，相同的配合比，配制的混凝土的工作性能及強度結果見表7。配合比為m水泥∶m細集料∶m粗集料∶m減水劑∶m水=469∶736∶1060∶8.98∶166。

表7 不同摻配比例的混合砂配制的混凝土的工作性及強度

從混凝土的工作性能來看，混凝土坍落度隨細砂摻量的增加，呈現出先增加后降低趨勢。這是因為機制砂的顆粒級配不合理，顆粒不規則，棱角較多，表面粗糙。摻入部分特細砂后，可以填充原先顆粒間的空隙，在一定摻量范圍內，摻量越多，顆粒級配越好。同時，天然細砂的摻入，減少了機制砂之間的內摩擦力，從而增加了混凝土的流動性。數據表明，當細砂摻量在30％～40％時，混合砂混凝土的工作性能最佳，具有最佳的顆粒級配;當細砂摻量超過40％時，由于特細砂的顆粒偏細，偏高的摻量導致需要更多的水泥漿來包裹集料，從而使需水量要增加，導致在相同用水量的條件下，混凝土的工作性能變差。

從混凝土的力學性能來看，全機制砂混凝土的強度最高，隨著特細砂在混合砂中所占比例的提高，混凝土強度呈降低趨勢。當特細砂摻量在0％～30％時，混合砂混凝土的28d抗壓強度均略高于純天然砂的強度。可能是由于機制砂的表面粗糙，且棱角較多，石粉的填充效應等，有利于增加混凝土中水泥石和集料的咬合作用，改善界面性能，適量特細砂的摻加，調整了原先機制砂的級配問題，提高混合砂混凝土的密實性，從而提高了混凝土的強度。

2.3 天然砂和混合砂混凝土的彈性模量和抗滲性能

對30％特細砂和70％機制砂(A3)和全天然中砂(A5)的配合比分別做彈性模量試驗和抗滲性能試驗，均采用28d標準養護試件。彈性模量試驗取6個試件，其中3個進行軸心抗壓強度試驗，并取軸心抗壓強度平均值的1/3作為另外3個試件的彈性模量試驗的加荷標準進行試驗，得到混凝土的靜力抗壓彈性模量。抗滲試驗時，水壓從0.1MPa開始，每隔8h增加水壓0.1MPa，并隨時觀察試件表面滲水情況，直到6個試件中的3個試件表面滲水或者加壓到1.2MPa并保持8h后無3個試件滲水方可停止試驗。試驗結果見表8。

表8 天然砂和混合砂混凝土的力學性能和抗滲性能

表8試驗結果表明，相同齡期的混合砂混凝土和天然中砂混凝土相比，兩者的彈性模量相近，混合砂的彈性模量略高于天然中砂。對比二者抗壓強度的增長規律可以發現，相對于天然中砂混凝土，混合砂的7d抗壓強度增長較快，后期強度增長較慢。可能是由于在水化前期，機制砂表面粗糙棱角較多，水泥石與骨料顆粒之間要合理較大，從而使得水泥石與骨料界面滑動困難，變形較小，特細砂又在機制砂中起到填充的作用，增加內部致密程度，降低了孔隙率，從而提高了其彈性模量。

同時，混合砂與天然中砂配制的混凝土一樣，具有優越的抗滲性能，均能達到S12級。混凝土的抗滲性能越好，說明混凝土孔隙率越小，內部結構致密，腐蝕物質就越不易滲入到混凝土中，混凝土抵抗侵蝕的能力就越強，具有較高的耐久性能。

2.4 不同強度等級混合砂混凝土的性能

將上述得到的最佳比例的混合砂(30％特細砂+70％機制砂)用于不同強度等級的混凝土，再次驗證特細砂和機制砂組合后配制的混凝土的工作性能和硬化后的力學性能。試驗結果見表9。

表9 不同強度等級的混凝土的工作性能和力學性能

從表9可以看出，按照30％特細砂和70％機制砂摻配而成的混合砂可以應用于各不同等級混凝土中，其工作性能包括坍落度、坍落度損失、和易性等指標優異，能夠滿足現場施工要求，其抗壓強度能滿足設計及規范要求，同時對于有抗滲性要求的，也能夠滿足設計要求。

3 混合砂混凝土在工程中的應用

重慶三環高速公路是重慶市高速路網的重要組成部分，銅梁至合川段作為三環的一部分連接重慶市的兩個重要城市，位于重慶市西北經濟區，西起銅梁城北二龍碑附近，途經二坪、舊縣、十塘，東止渝武高速公路合川南沙溪廟互通，是連接渝遂、渝武高速公路的重要通道。其中的第三、四標段共有包括C15、C20、C25、C30、C40、C50等各種等級的混凝土約8萬余m3，其中約6萬m3采用特細砂和機制砂摻配的混合砂混凝土，其混凝土拌合物工作性能良好，完全滿足施工要求，硬化后結構物外觀質量較好，無嚴重外觀質量問題。所有混凝土試件標準養護強度和結構物現場回彈強度均滿足設計要求。另外2萬m3混凝土采用天然中砂配制，同樣取得了良好的效果。

4 結論

(1)機制砂與特細砂按比例混合配制成復合砂，可以按照Uf(混)=Uf(機)*A(機)+Uf(特)*A(特)簡易公式計算細度模數。混合砂的摻配，既解決了機制砂的缺點，又可機動調整復合砂細度模數以滿足規范中對細集料級配的要求，還保證了混凝土的密實性，提高了混凝土的施工性能及強度

(2)機制砂與天然砂的比例存在著一個最佳摻量，在本文試驗條件下，特細砂的比例為30％～40％相對最好。但是不同地方的原材料差別較大，砂的細度模數不同，機制砂的級配組成等都可能影響其最佳摻配比例，實際需要對其試驗調整以達到最優性能。

(3)適量特細砂摻量的混合砂混凝土的工作性略差于天然中砂，其抗壓強度和彈性模量略高于天然中砂混凝土，抗滲性能倆者相當。各種等級的混合砂混凝土的工作性能和力學性能均能夠滿足設計和施工要求。混合砂完全有代替天然中砂的條件，以帶來較好的社會效益、經濟效益和環境效益。然而在實際應用過程中，由于傳統觀念的影響，在較高等級的混凝土中的應用仍存在不少阻力，轉變部分管理人員的過于謹慎的傳統觀念，仍需要一定的努力。

[1] 張建波，等.混合砂混凝土性能研究[J].重慶建筑大學學報，2002，24(3):86-90.

[2] 建設用砂(GB/T 14684-2011)[S].北京:中國標準出版社，2011.

[3] 公路橋涵施工技術規范(JTG/T F50-2011)[S].北京:人民交通出版社，2011.

[4] 機制砂、混合砂混凝土應用技術規程(DB50/5030-2004)[S].重慶:重慶大學出版社，2004.

[5] 岳海軍，等.水泥混凝土用機制砂的級配探討與試驗[J].混凝土，2012，(3):91-94.