機制砂性能及機制砂混凝土在高速公路中的應用分析

文/楊明、汪帆

1 機制砂性能概述

機制砂是將巖石顆粒經由機械破碎和篩分而得到的粒徑在0.075～4.75mm 之間的人工砂。其顆粒級配較差，細度模數較大，且粒徑不足0.075mm 的巖石石粉含量高，粒徑在2.36mm 以上的顆粒含量偏多，細度模數通常在3～3.7 之間，棱角尖銳、表面粗糙。與天然砂相比，機制砂對混凝土的力學性能影響較大，因此機制砂混凝土的配置也就存在更大難度。

1.1 機制砂的級配

雖然機制砂級配不良，但因其石粉含量高，所以堆積密度較大、孔隙率小，不能簡單而籠統地根據孔隙率及堆積密度的大小進行其級配好壞的判斷。通常情況下，機制砂略微超出級配上限也較為正常。

1.2 石粉含量

機制砂內的石粉主要指粒徑在0.075mm 以下的顆粒；石粉主要來自研磨后的巖石粉末。傳統的認為機制砂混凝土中石粉含量增大會增加拌合用水量并降低混凝土力學性能的觀點并不準確，因為機制砂具有較為尖銳的棱角，不利于砂漿及混凝土的和易性，而摻加適量的石粉能夠有效解決這一問題。石粉因與機制砂具有相同的成分，所以能發揮微集料的作用，并改善和優化混凝土材料的和易性，增大混凝土漿體的粘稠性，使其離析和泌水現象大大減輕[1]。在機制砂混凝土配置的過程中，應當將石粉摻量控制在7%左右。石粉作為摻合料使用后，能取代10%左右的水泥用量。僅需要在配合比設計階段調整混凝土砂率，且并不影響或降低混凝土材料強度。

1.3 細度模數

機制砂細度模數通常在2.5～3.6 區間，如果實際細度模數過低，則石粉含量過高；細度模數過高，則會影響機制砂混凝土的粘聚性與砂率。機制砂混凝土的砂率通常比河砂混凝土高出3.4%～5.8%，且機制砂混凝土砂率取值通常在35%～42%范圍內變化。為確保混凝土粘聚性，應盡可能在這一區間內減小砂率，以此有利于混凝土彈性模量控制和干燥收縮[2]。若機制砂細度模數、級配及石粉摻量等發生改變，則必須將細度模數調整范圍控制在±0.2%、石粉含量的調整范圍控制在±1%，否則按照重新調整砂率的原則相應地調整砂率。

2 機制砂混凝土

2.1 機制砂混凝土主要成分

混凝土配置采用石灰巖機制砂材料時，考慮到外加劑的適用性問題，不得使用酸性外加劑。如果使用聚羧酸鹽系高效減水劑，則應在凈漿試驗的基礎上，進行水泥和此類外加劑適應性的機制砂混凝土試驗[3]。

通過摻加粉煤灰弱化和改善機制砂級配不良進而影響拌合物性能的問題，并使機制砂混凝土材料凝聚性、保水性、泵送性、結構強度、抗收縮性等性能顯著改善。隨著機制砂石粉含量的增大，我們應加強對混凝土砂率的控制，以取得最佳的混凝土材料粘度。

因機制砂表面粗糙、石粉含量高，為配置同等塌落度的混凝土，機制砂拌合用水量比河砂用水量多出5～10kg/m3。另外，機制砂還具有比河砂大的表觀密度，所以機制砂混凝土密度較高。通過假定容重法確定混凝土配合比時，應高出河砂混凝土配合比30～40kg/m3。

通過以上分析可以看出，機制砂混凝土材料性能對石粉含量、外加劑摻量、砂率、拌合用水量等均較為敏感，如果所選用機制砂級配不良、砂率選擇不當、外加劑類型不符、拌合用水過多，則均會導致機制砂混凝土發生泌水、離析等現象。為此，我們必須加強機制砂混凝土配合比設計及主要成分的控制。

2.2 機制砂混凝土性能

與同配比的河砂混凝土相比，機制砂混凝土因顆粒較為光滑、摩擦阻力小，坍落度更大，流動性更好。在實際生產過程中，河砂通常具有較高的含泥量和不穩定的細度模數，而機制砂幾乎沒有此類問題，其性能穩定，能有效彌補河砂的性能缺陷。此外，機制砂表面較為粗糙、多棱角，在配合比相同且和易性相差不大的情況下，機制砂混凝土28d 抗壓強度比河砂混凝土高[4]。

當石粉摻加量增大時，漿體體積也隨之增大，進而導致機制砂混凝土彈性模量不斷降低。隨著礦粉或粉煤灰摻量的增加，機制砂混凝土彈性模量更多取決于界面過渡區域及抗壓強度，且石粉含量高的機制砂混凝土彈性模量略低于天然河沙混凝土。根據干縮性試驗結果，石粉摻量7%是機制砂混凝土干縮性能的分界點。當石粉含量低于該臨界點時，混凝土齡期干縮率隨石粉摻量的增大而增大；而當石粉含量高于該臨界點時，則隨石粉摻量的增大，混凝土齡期干縮率不斷減小。究其原因主要在于，石粉含量較低情況下，石粉處在硅酸鹽水泥水化產物高堿性環境下，既會因晶核作用加速形成水化硅酸鈣，又會因其與硅酸鹽水泥水化物產生反應而生成水化碳鋁酸鈣晶體，使漿體量和干縮性大大增加。當石粉含量超出7%的臨界點后，大多數石粉和硅酸鹽水泥水化物的反應難度增大，石粉中的微粒將混凝土結構填充密實，并發揮抑制漿體收縮的作用，導致干縮率持續縮小[5]。

機制砂混凝土比河砂混凝土徐變值小，原因在于機制砂內的石粉可以發揮微集料作用，進一步增加混凝土結構的密實性，防止其發生結構變形；此外，機制砂的多棱角性和粗糙表面也在很大程度上抑制了其結構變形。

3 機制砂混凝土的應用

3.1 工程概況

某高速公路橋預應力混凝土梁擬采用懸灌法進行施工，長250m 的混凝土泵送管道中垂直部分管道110m。按照設計要求，混凝土3d 抗壓強度應達到設計強度的至少80%，彈性模量至少為3.2×104MPa。考慮到工程所在地細骨料資源匱乏、機制砂石粉含量高，因此必須在充分研究石粉影響機制砂混凝土力學性能的基礎上，通過控制粉煤灰、減水劑等摻加量，達到優化機制砂混凝土配合比的目的。

3.2 原材料的選用

3.2.1 水泥

本工程所使用的強度等級42.5 的普通硅酸鹽水泥中Cl-離子含量在0.06%以下，C3A 含量在8%以下，堿含量在0.8%以下，比表面積為340m2/kg，初凝時間至少為180min，終凝時間不超過240min，3d 抗壓強度和抗折強度分別為21MPa 和5.3MPa，28d 抗壓強度和抗折強度分別為47.5MPa 和7.6MPa，燒失量2.2%。

3.2.2 骨料

細骨料采用工程所在地某石料廠生產的機制砂，并通過人工方式將其配制成粒徑級配滿足設計要求的Ⅱ區中砂，其表觀密度為2.75cm2/g，堆積密度1650m3/kg，含泥量1.3%，石粉含量8.1%，吸水率0.9%，孔隙率40%，壓碎指標17.6%。

粗骨料采用同一石料廠的碎石料，未檢出Cl-離子含量，并按設計比例配置5～25mm 連續級配骨料。

3.2.3 外加劑

粉煤灰、硅粉、礦渣粉等礦物外加劑的加入能夠改善混凝土性能，填充增密、提升材料耐久性等作用。此外，本工程還使用了與水泥具有相容性的聚羧酸高性能減水劑，以此保證高性能機制砂混凝土材料的成功配置。

3.3 施工措施

施工開始前應在施工現場拌和混凝土，并進行泵送混凝土性能的試驗依據相關性能參數的調整，為施工現場機制砂混凝土拌制、運輸、泵送過程提供依據；此外，還應調整出機、入泵、入模機制砂混凝土的擴展度、塌落度、含氣量等變量關系，以便達到最佳的配合比，使最終配合比完全符合工程實際。本工程采用附著式振動器和插入式振動器相結合的機制砂混凝土振搗方法，保證全方位振搗施工。此外，還要加強對入模溫度、拆模溫差等的監控，并將養護時間嚴格控制在21d。

3.4 混凝土質量檢驗

本工程施工開始前準備工作較充分，且已根據施工現場所進行的混凝土拌制、泵送試驗結果完成了混凝土拌制、泵送協調工作，大大縮短了混凝土罐車載料及等待時間。本工程在泵送混凝土的過程中并未出現堵管、離析等現象，且混凝土填充密實性良好。

目前，本高速公路工程已經完成3200m3的C60 高性能混凝土澆筑任務，并未出現混凝土開裂等質量問題，外觀良好。對施工現場所選取的30 組尺寸為15cm×15cm×15cm 的混凝土試件進行的試驗結果也表明，其3d 強度和彈性模量均滿足張拉要求；按照相關規范對28d 抗壓強度所進行的評定結果表明，試件抗壓強度均值為72.4MPa，抗壓強度最小值為70.8MPa，標準差為2.2，評定結果為合格。

4 結語

本文分析結果表明，通過混凝土配合比設計可有效解決機制砂普遍存在的級配不良問題，生產出級配良好、性能優異且力學性能和耐久性比河砂優越的機制砂混凝土。隨著我國高速公路建設規模的擴大，用質量好的機制砂代替河砂已經成為緩解河砂資源供應緊張局面的最佳途徑；成品機制砂篩分結果完全符合相關規范中混凝土用砂Ⅱ區中砂要求以及工程所在地地方政府相關規范中機制砂質量控制要求。另外，試驗室所配置的不同標號的機制砂混凝土力學性能也均符合設計要求，膠材用量小于360kg/m3可以使混凝土性能和強度基本不受影響，且具有十分顯著的經濟效益。