機(jī)制砂混凝土的配比設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

朱文平

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730050）

機(jī)砂砼的特點(diǎn)不僅價(jià)格便宜，而且施工也很方便，因此許多施工單位在生產(chǎn)中大多采用機(jī)砂砼進(jìn)行配比。隨著機(jī)制砂在橋梁工程中的廣泛應(yīng)用，尤其是大體積現(xiàn)澆箱形梁體系，為保證每種配料在配比時(shí)均能保證最佳配比，必須對機(jī)制砂混凝土進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，使其符合要求。由于機(jī)制砂在配比過程中的組成比較復(fù)雜，石粉含量極高會(huì)使機(jī)制砂的性能受到一定的影響，因此在對其含量的選擇上一定要謹(jǐn)慎。采用機(jī)制砂配合天然砂制作T 型箱梁抗彎承載力試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：兩種材料制成的T 型箱梁抗彎性能指標(biāo)差異不大；砂混凝土有相似的力學(xué)性質(zhì)，鑒于機(jī)制砂砼具有良好的延性、抗裂性，可替代普通砂砼[1]。目前，人們對機(jī)制砂混凝土的石粉含量進(jìn)行了優(yōu)化研究，但是機(jī)制砂的研究成果被廣泛地應(yīng)用于混凝土工程，這一點(diǎn)也存在爭議，但是，機(jī)砂混凝土能否成功應(yīng)用，對于橋梁工程，尤其是大體積混凝土工程，仍有許多問題需要深入研究。

1 概述

機(jī)制砂是一種粒徑小于4.75mm 的石料。機(jī)制砂與河砂完全不同，不同地區(qū)的人工砂技術(shù)性能也可能完全不同。此外，實(shí)踐表明，人工砂對混凝土和易性有很大影響。為了使機(jī)制砂混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有必要通過試驗(yàn)確定其對機(jī)制砂混凝土性能的影響，為機(jī)制砂混凝土的制備和施工提供參考。

2 機(jī)制砂試配情況以及突出問題

從目前的原材料形態(tài)和市場價(jià)格來看，根據(jù)本公司機(jī)制砂（干砂）的使用和實(shí)際使用情況，通過新標(biāo)準(zhǔn)，大規(guī)模生產(chǎn)機(jī)制砂具有以下特點(diǎn)：規(guī)模化生產(chǎn)，成本低；粉料可控，無泥，無水，混凝土狀態(tài)良好，成型后強(qiáng)度高，有很大潛力降低粉末成本。通過對大量研究資料的分析可知，配制機(jī)制砂混凝土的工作性能和收縮變形性能與天然砂相同，其力學(xué)性能也與天然砂相當(dāng)，混凝土的密封性能和碳化性能略優(yōu)于市售可洗砂混凝土。因此，用機(jī)械砂（水洗或烘干）生產(chǎn)預(yù)拌混凝土是可行的。但是，在市場機(jī)制中擁有最終話語權(quán)的制砂企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模參差不齊，有的是小作坊，缺乏統(tǒng)一的市場監(jiān)管，追求利潤最大化，產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有最終決定權(quán)。一方面，大型環(huán)保砂生產(chǎn)線投資較大。近年來，一些集團(tuán)公司投資建設(shè)環(huán)保干法人工砂生產(chǎn)線，可生產(chǎn)出符合要求的混凝土砂。但由于市場競爭因素的影響，人工砂的質(zhì)量優(yōu)于水洗機(jī)制砂，但不能滿足全人工砂混凝土生產(chǎn)的需要。因此，工程的整體施工質(zhì)量難以達(dá)到預(yù)期的施工任務(wù)，因此，在一定程度上影響了工程的整體施工效率[2，3]。

3 原料特性

3.1 水泥

采用符合普通硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)。混凝土強(qiáng)度等級不低于P42.5，砂漿強(qiáng)度等級不低于50MPa。氯離子含量應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)濃度的0.03%、0.6%和28%以下。C40、C40 混凝土強(qiáng)度宜選用質(zhì)量穩(wěn)定、殘余系數(shù)大的水泥[2]。石粉含量小于0.075mm 的機(jī)械砂的用水量遠(yuǎn)大于河砂，需要大量的水來保證混凝土的流動(dòng)性。因此，使用的水泥應(yīng)具有相同的強(qiáng)度和其他坍落度。與其他水泥相比，單層水泥的水灰比可以更高。同一強(qiáng)度等級的混凝土，降低水泥用量可降低水化熱，對混凝土的施工有很大的幫助。

3.2 機(jī)制砂

未用的巖土、風(fēng)化層、強(qiáng)烈風(fēng)化的巖石等在開采前必須清除。混料的含量以及混凝土強(qiáng)度和坍落度及崩落率損失都會(huì)受到泥漿用量的影響[4]。為了避免使用次品機(jī)械砂進(jìn)行施工就必須要在開采機(jī)制砂期間注意不要混入太多的泥土。機(jī)制砂的力學(xué)性能受力學(xué)破壞影響。機(jī)械砂固結(jié)度可用壓碎值來表示，而壓力失效值不應(yīng)超過30%。機(jī)械式砂粒與自然砂粒的最大區(qū)別在于自然砂粒較圓，其表面平滑，便于混凝土使用及加工。機(jī)器的沙子很鋒利，邊緣有很多棱角。粗粒面對水泥骨料有利，也會(huì)對混凝土的工作性能產(chǎn)生影響。實(shí)際上的生產(chǎn)過程,按混凝土強(qiáng)度等級及時(shí)調(diào)整，而細(xì)度模數(shù)則嚴(yán)格控制，細(xì)度模數(shù)宜在3.10～3.30。

3.3 礫石

在生產(chǎn)過程中，要嚴(yán)格控制含泥量和含泥量，特別是在雨季，雨水沖刷巖石表面時(shí)，夾帶著大量的包土帶狀巖石，然后直接送到破碎車上。外開孔會(huì)產(chǎn)生大量不適合混凝土生產(chǎn)的土壤。漿體含量對人工砂混凝土強(qiáng)度有重要影響。測量值和測量值之間有很大的差別。大部分原因是礫石過多。如果產(chǎn)生的砂和機(jī)砂處于同一位置，則覆蓋在礫石表面的石粉也應(yīng)加以保護(hù)。C50 混凝土中使用的碎石應(yīng)清理干凈。礫石是混凝土的骨架材料，應(yīng)具有良好的韌性。測定了材料中ak0+000 部分的破碎度，破碎值為6.7%～8.4%。

3.4 混合水

機(jī)械攪拌用水和固化水必須符合《混凝土水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（jgj63）。高摻量的機(jī)砂粉會(huì)增加混凝土的收縮，引起裂縫。因此，機(jī)制砂混凝土澆筑脫模后應(yīng)立即采取排水和養(yǎng)護(hù)措施，防止機(jī)制砂混凝土結(jié)構(gòu)在高溫下出現(xiàn)裂縫[5，6]。

3.5 聚羧酸系高效減水劑對石粉機(jī)理砂敏感

石粉末的粒度對加工性能影響很大。聚羧酸型砂混凝土高效減水劑的減水率不得低于20%。對C50 機(jī)制砂砼及泵送型高坍度混凝土，應(yīng)使用高性能聚羧酸減水劑，確保1h 內(nèi)坍落率損失小于30mm。使用減水劑要使水泥具有良好的適應(yīng)性。攪拌機(jī)打磨時(shí)應(yīng)避免黃漿、地板結(jié)、發(fā)黑發(fā)泡等不良反應(yīng)。由于機(jī)制砂砼的孔隙率大，有很多氣泡，減水減氣劑應(yīng)加入。萘減水劑工藝性能不如聚羧酸，建議選擇性能較好的減水劑。減水率較高。摻量為1%時(shí)，各品牌水泥的減水率可達(dá)26%。

3.6 礦物摻合料

粉煤灰、礦渣粉、磷渣粉、微硅粉是機(jī)制砂混凝土的主要摻合料。通過大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單面機(jī)工作時(shí)，混凝土中微硅粉的摻入量很小，達(dá)不到工作強(qiáng)度，不建議單獨(dú)使用。對于總膠凝材料不超過520 kg/m3的粉煤灰混凝土，建議采用過量替代法配制。

4 機(jī)制砂混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 嚴(yán)格控制大顆粒的含量

機(jī)制砂體積大于5mm 的砂數(shù)不應(yīng)超過10%。如果過量的顆粒含量超過5mm，會(huì)直接影響粗骨料的級配，使混凝土混合材料容易流失和離析，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不均勻，甚至容易造成泵送時(shí)堵塞。如圖所示，根據(jù)優(yōu)化后的配合比進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 每立方米混凝土的材料用量及試驗(yàn)結(jié)果

4.2 選擇合理的砂率

選擇適當(dāng)?shù)纳奥剩墒够炷辆哂辛己玫牧鲃?dòng)性，并能保持良好的粘結(jié)性、保水性和抽水性。并能提高混凝土的強(qiáng)度。在機(jī)制砂粒度大于5 mm 的情況下，設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加砂粒含量，砂粒比例可達(dá)45%～55%。低砂率容易造成混凝土粗糙，坍落度小，不容易混料，不容易澆注，不容易振動(dòng)；交通運(yùn)輸中易發(fā)生脫水事故，妨礙正常抽水；水泥容易出現(xiàn)蜂窩、麻點(diǎn)及外觀質(zhì)量較差等現(xiàn)象。

4.3 水灰比范圍

水灰比對混凝土強(qiáng)度的影響顯著，如水泥砂漿強(qiáng)度剩余系數(shù)較低、水泥混合比由15%提高到20%，以及混凝土抗折抗壓強(qiáng)度不能滿足要求；尤其是高水灰比時(shí)，收縮和蠕變增大，這是機(jī)制砂混凝土機(jī)理中一個(gè)十分重要的問題。機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的水灰比宜控制在0.32～0.38。與此同時(shí)，對混凝土強(qiáng)度、長期性能和耐久性都有好處，也符合工程的實(shí)際要求。

4.4 石粉含量

在施工過程中，石粉含量不宜超過10%，一定要通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，石粉含量的適當(dāng)增加對混凝土強(qiáng)度影響不大，但是，它能有效地改善混凝土的粘結(jié)性、持水性和流動(dòng)性，提高其運(yùn)輸、傾倒和振動(dòng)時(shí)的工作性能，保證混凝土品質(zhì)。最高石粉含量不得超過12%，反之，混凝土表面會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫，使強(qiáng)度和彈性模量降低。

4.5 用水量

為了能夠保證混凝土正常的澆筑和達(dá)到一定的強(qiáng)度，在使用過程中必須要進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，在使用混凝土的過程中，如果它強(qiáng)度相同并且水泥和水灰比以及砂率都平均分配的情況下機(jī)制砂的流動(dòng)性較好，而且容易分離，坍落的幾率小。為了確保機(jī)制砂混凝土具有良好的加工性能，與河砂混凝土相比，在機(jī)制砂混凝土中加入混合物，可使用量提高8%左右。

4.6 采用合理的生產(chǎn)工藝與品質(zhì)管理

水泥砂漿的質(zhì)量決定混凝土的性能，它直接影響建筑質(zhì)量。機(jī)砂外觀及圓度由生產(chǎn)設(shè)備及工藝決定：機(jī)械砂磨機(jī)加工的機(jī)砂為圓粒型，具有較好的圓度，采用圓錐破碎機(jī)進(jìn)行細(xì)磨，使機(jī)砂與石粉分離，提高機(jī)砂產(chǎn)品質(zhì)量，有效提高機(jī)砂質(zhì)量。制定科學(xué)的工藝流程，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和合適的設(shè)備，可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的機(jī)制砂。目前機(jī)制砂生產(chǎn)企業(yè)所面臨的最大問題就是生產(chǎn)設(shè)備的落后。機(jī)械式砂有別于天然砂，在其生產(chǎn)設(shè)備及工藝上達(dá)到要求后，可對其進(jìn)行質(zhì)量控制。

4.7 加強(qiáng)機(jī)制砂混凝土的振搗和養(yǎng)護(hù)

砂砼結(jié)合強(qiáng)度大，流動(dòng)性能差，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)振搗操作，以保證混凝土的密實(shí)性和均勻性。振搗時(shí)應(yīng)充分考慮混凝土截面尺寸、結(jié)構(gòu)形式、混凝土厚度等方面的要求，選擇合適的振搗設(shè)備，保證振搗質(zhì)量。避免發(fā)生漏振和過振現(xiàn)象。澆注時(shí)遇鋼筋非常密集區(qū)或出現(xiàn)不合格預(yù)埋件時(shí)，特別建造過程應(yīng)預(yù)先定制。從而為振搗工作的順利完成提供了保證。機(jī)械砂含水較高，分散較快，因此澆筑后12h 內(nèi)應(yīng)及時(shí)灑水保濕養(yǎng)護(hù)，為了保證強(qiáng)度和混凝土質(zhì)量，至少要堅(jiān)持14d。

5 機(jī)制砂混凝土在現(xiàn)澆箱梁中的應(yīng)用研究

高速公路現(xiàn)澆箱梁基底段跨度30m，高速公路結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力，標(biāo)準(zhǔn)斷面寬25m，跨徑3 孔，主梁為4 室單箱結(jié)構(gòu)。按現(xiàn)澆箱梁混凝土強(qiáng)度等級的要求，現(xiàn)澆箱梁板采用C50 水泥砂漿，采用正交試驗(yàn)法確定機(jī)制砂混凝土的配比。生產(chǎn)和澆注機(jī)制砂混凝土，嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行。

（1）檢查機(jī)械砂混凝土的質(zhì)量。對現(xiàn)澆箱梁機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度通過鉆芯法來進(jìn)行測試。就拿一個(gè)3 跨的現(xiàn)澆單箱梁來說，中跨鉆芯和試塊的強(qiáng)度差在5%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)證明，該人工砂混凝土制備設(shè)備達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

（2）在預(yù)應(yīng)力體系中機(jī)械混凝土和普通混凝土進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)的精確度特選用了三組10%左右的普通機(jī)制砂接頭塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)表明，由于機(jī)械砂混凝土結(jié)構(gòu)不夠平整，但邊緣清晰，所在機(jī)械砂混凝土和鋼鉸線的結(jié)合力要好。因此，機(jī)制砂混凝土比普通砂混凝土的穩(wěn)定性要好，并且流速有效預(yù)應(yīng)力好，強(qiáng)度大。

5 結(jié)語

通過機(jī)制砂替代河砂來配制混凝土，既節(jié)省成本，又提高混凝土的工作性能。除了嚴(yán)格控制原料質(zhì)量外，在機(jī)制砂混凝土設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、養(yǎng)護(hù)過程中，要科學(xué)管理規(guī)范運(yùn)作，認(rèn)真做好總結(jié)和各項(xiàng)細(xì)節(jié)工作，在每個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制機(jī)制砂混凝土的質(zhì)量，以保證機(jī)制砂混凝土構(gòu)筑物的質(zhì)量滿足規(guī)范和使用要求。