機制砂特性及其在梁板混凝土中的應用研究

陳爭 魏道凱

（山東交通職業學院，山東濰坊 261206）

0 引言

建設用砂石是構筑混凝土骨架的關鍵原料，是消耗自然資源眾多的大宗建材產品。我國砂石年產量高達200億t，是世界最大的砂石生產國和消費國。隨著天然砂石資源約束趨緊和環境保護日益增強，機制砂石逐漸成為我國建設用砂石的主要來源。機制砂在水利水電工程和工民建領域等應用比較多，具有成熟的經驗。在公路建設領域，機制砂已應用于橋梁基礎和橋梁下部等一般性混凝土工程，在橋梁上部的高標號混凝土的應用上，經驗較少，需要進行深入的研究。

1 機制砂的特性

1.1 機制砂與河砂的對比

由于原材料及制砂工藝的多樣性，造成質量不穩定，機制砂與河砂的主要指標見表1。

表1 機制砂與河砂主要指標對比

1.2 機制砂中的石粉

（1）機制砂中的石粉顆粒粒徑與水泥或粉煤灰接近，遠小于黏土的比表面積。合理的石粉用量可以增強混凝土的強度，提高混凝土的和易性。不同含量的石粉，對不同標號的混凝土的抗壓強度影響不同。對于C30及以下混凝土，石粉含量在10%～15%，混凝土抗壓強度最高，對于C30-C60混凝土，石粉含量在10%左右時混凝土強度最高，對于大于C60標號的混凝土石粉含量超過5%會降低混凝土的抗壓強度。對于I類、II類、III類機制砂，石粉的限量分別為《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50—2011）的5%、7%、10%。橋梁基礎混凝土所用機制砂的石粉含量可參考值控制在10%，橋梁墩臺混凝土所用機制砂的石粉含量參考值可控制在7%，橋梁上部混凝土所用機制砂的石粉含量參考值可控制在5%。

（2）機制砂石粉含量先要進行亞甲藍（MB）值的檢驗，以檢驗小于75μm的顆粒是以石粉為主還是以泥土為主。機制砂的MB值與砂中含泥量成線性正比關系，而與石粉含量關系不大。MB值增大會顯著減小混凝土的坍落度，影響混凝土的工作性能。會顯著降低混凝土的抗折強度，對于橋梁上部混凝土中的機制砂，必須嚴格控制MB值。對于C30及以下混凝土應小于1.2，對于C60等高標號混凝土，MB值應小于0.7。機制砂MB值對高標號混凝土的抗折強度影響較大，對于以彎拉受力為主的梁板混凝土，如采用機制砂應嚴格控制其MB值，最佳MB值應控制在0.5～0.7g·kg-1。

2 機制砂的分類及質量標準

機制砂質量標準分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級。Ⅰ級用于強度等級大于C60的混凝土或梁板混凝土；Ⅱ級用于強度等級C35-C60的混凝土或橋梁墩臺混凝土，Ⅲ級用于強度等級小于等于C30的混凝土或橋梁基礎混凝土。

機制砂的粗細程度按細度模數分為粗砂、中砂、細砂三種規格，具體細度模數應符合：粗砂：3.7～3.1；中砂：3.0～2.3；細砂：2.2～1.6。

機制砂宜采用開采的新鮮母巖制作，母巖巖石抗壓強度宜滿足表2的規定。

表2 機制砂母巖強度標準

機制砂的壓碎值應滿足要求，其具體指標要求見表3。

表3 機制砂的壓碎值

機制砂應具有合格的級配其級配曲線應符合表4的規定。

表4 機制砂級配范圍

各類機制砂的級配區見表5。

表5 I類、Ⅱ類、Ⅲ類機制砂級配類別

3 機制砂混凝土特性

機制砂混凝土配合比的設計方法與河砂混凝土的設計方法基本相同，但機制砂混凝土具有自身的特性。

（1）機制砂由于形狀不規則，針片狀含量高，在混凝土達到同樣和易性的情況下，機制砂的砂率比采用天然砂的砂率，需增加3%～5%。

（2）機制砂中的石粉含量增加使混凝土流動性降低，在保持相同坍落度的情況下，混凝土的用水量增加。如摻加減水劑，發揮減水劑最佳效果的機制砂的石粉含量為5%～10%。

（3）相同情況下，機制砂混凝土的抗壓強度和彈性模量大于天然砂混凝土的強度和彈性模量約5%。在替代率50%的情況下，混合砂混凝土的強度和彈性模量最大，是天然砂混凝土強度和彈性模量的約1.1倍。

（4）天然砂鋼筋混凝土梁的抗裂能力優于機制砂混凝土梁；為防止裂縫的發生，采用機制砂配置的橋梁梁板混凝土，其目標強度應提高5%。

4 機制砂在長晉線橋梁工程中的應用

山西省省道長晉線公路橋梁上部構造物包括C50混凝土T梁和箱梁。由于當地天然砂匱乏，部分使用了機制砂，為保證梁板混凝土強度，防止梁板裂縫的發生，根據試驗研究成果，為提高混凝土彈性模量，機制砂和天然砂的各自摻加比例為50%，在機制砂質量和配合比設計方面采取了如下措施：

（1）嚴格控制機制砂的質量，機制砂采用Ⅰ類砂，產地為晉城，其指標滿足橋梁梁板的有關要求，實際檢測指標見表6。

表6 機制砂物理性能檢測

由表6我們可以看出，該機制砂細度模數為2.8，屬于中砂，并且各項指標符合《建設用砂》（GB/T 14684—2011）中機制砂的技術指標。

天然砂產地為信陽，細度模數為2.56，屬于中砂。水泥采用天脊集團水泥有限公司天脊牌P.O 52.5；減水劑采用巴斯夫化學建材（北京）有限公司RHEOPLUS25（HC）型高性能減水劑；碎石來自水東石料廠。本工程混凝土的目標強度提高一個標號，即55MPa。試配強度為64MPa。采用的配合比見表7。

本配合比砂率為42%，比采用天然砂的混凝土砂率約高4%；用水量為155kg·m-3，比采用天然砂的混凝土的用水量約高出10%。

5 結語

機制砂在水利水電工程和工民建領域、及橋梁的下部等主要以受壓為主的構件上應用較多，具有成熟的經驗，而在橋梁上部等以彎拉受力為主的構件上應用較少，在長晉公路橋梁上部構造物混凝土中，應用了機制砂和天然砂組成的混合砂。為防止梁體裂縫的發生，將機制砂的亞甲藍值（MB）控制在0.7g·kg-1，將石粉含量控制在5%、將壓碎指標控制在15%；同時為提高混凝土彈性模量，將機制砂和天然砂的比例控制在1：1；為降低機制砂對鋼筋混凝土梁抗裂能力的不利影響，將混凝土設計強度從C50提高到了C55。由于采取了以上具有針對性的措施，長晉公路橋梁上部構造在使用過程中狀況良好，無受力裂縫等問題發生。可為類似橋梁工程應用機制砂提供參考。

表7 混凝土配合比