機制砂混凝土的配比設計及應用研究

朱文平

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730050）

機砂砼的特點不僅價格便宜，而且施工也很方便，因此許多施工單位在生產中大多采用機砂砼進行配比。隨著機制砂在橋梁工程中的廣泛應用，尤其是大體積現澆箱形梁體系，為保證每種配料在配比時均能保證最佳配比，必須對機制砂混凝土進行反復試驗，使其符合要求。由于機制砂在配比過程中的組成比較復雜，石粉含量極高會使機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慎。采用機制砂配合天然砂制作T 型箱梁抗彎承載力試驗，研究發現：兩種材料制成的T 型箱梁抗彎性能指標差異不大；砂混凝土有相似的力學性質，鑒于機制砂砼具有良好的延性、抗裂性，可替代普通砂砼[1]。目前，人們對機制砂混凝土的石粉含量進行了優化研究，但是機制砂的研究成果被廣泛地應用于混凝土工程，這一點也存在爭議，但是，機砂混凝土能否成功應用，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

機制砂是一種粒徑小于4.75mm 的石料。機制砂與河砂完全不同，不同地區的人工砂技術性能也可能完全不同。此外，實踐表明，人工砂對混凝土和易性有很大影響。為了使機制砂混凝土達到設計要求，有必要通過試驗確定其對機制砂混凝土性能的影響，為機制砂混凝土的制備和施工提供參考。

2 機制砂試配情況以及突出問題

從目前的原材料形態和市場價格來看，根據本公司機制砂（干砂）的使用和實際使用情況，通過新標準，大規模生產機制砂具有以下特點：規模化生產，成本低；粉料可控，無泥，無水，混凝土狀態良好，成型后強度高，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，其力學性能也與天然砂相當，混凝土的密封性能和碳化性能略優于市售可洗砂混凝土。因此，用機械砂（水洗或烘干）生產預拌混凝土是可行的。但是，在市場機制中擁有最終話語權的制砂企業生產規模參差不齊，有的是小作坊，缺乏統一的市場監管，追求利潤最大化，產品質量標準有最終決定權。一方面，大型環保砂生產線投資較大。近年來，一些集團公司投資建設環保干法人工砂生產線，可生產出符合要求的混凝土砂。但由于市場競爭因素的影響，人工砂的質量優于水洗機制砂，但不能滿足全人工砂混凝土生產的需要。因此，工程的整體施工質量難以達到預期的施工任務，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準。混凝土強度等級不低于P42.5，砂漿強度等級不低于50MPa。氯離子含量應控制在標準濃度的0.03%、0.6%和28%以下。C40、C40 混凝土強度宜選用質量穩定、殘余系數大的水泥[2]。石粉含量小于0.075mm 的機械砂的用水量遠大于河砂，需要大量的水來保證混凝土的流動性。因此，使用的水泥應具有相同的強度和其他坍落度。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 機制砂

未用的巖土、風化層、強烈風化的巖石等在開采前必須清除。混料的含量以及混凝土強度和坍落度及崩落率損失都會受到泥漿用量的影響[4]。為了避免使用次品機械砂進行施工就必須要在開采機制砂期間注意不要混入太多的泥土。機制砂的力學性能受力學破壞影響。機械砂固結度可用壓碎值來表示，而壓力失效值不應超過30%。機械式砂粒與自然砂粒的最大區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，也會對混凝土的工作性能產生影響。實際上的生產過程,按混凝土強度等級及時調整，而細度模數則嚴格控制，細度模數宜在3.10～3.30。

3.3 礫石

在生產過程中，要嚴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，夾帶著大量的包土帶狀巖石，然后直接送到破碎車上。外開孔會產生大量不適合混凝土生產的土壤。漿體含量對人工砂混凝土強度有重要影響。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。如果產生的砂和機砂處于同一位置，則覆蓋在礫石表面的石粉也應加以保護。C50 混凝土中使用的碎石應清理干凈。礫石是混凝土的骨架材料，應具有良好的韌性。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

機械攪拌用水和固化水必須符合《混凝土水質標準》（jgj63）。高摻量的機砂粉會增加混凝土的收縮，引起裂縫。因此，機制砂混凝土澆筑脫模后應立即采取排水和養護措施，防止機制砂混凝土結構在高溫下出現裂縫[5，6]。

3.5 聚羧酸系高效減水劑對石粉機理砂敏感

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 機制砂砼及泵送型高坍度混凝土，應使用高性能聚羧酸減水劑，確保1h 內坍落率損失小于30mm。使用減水劑要使水泥具有良好的適應性。攪拌機打磨時應避免黃漿、地板結、發黑發泡等不良反應。由于機制砂砼的孔隙率大，有很多氣泡，減水減氣劑應加入。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，各品牌水泥的減水率可達26%。

3.6 礦物摻合料

粉煤灰、礦渣粉、磷渣粉、微硅粉是機制砂混凝土的主要摻合料。通過大量的試驗研究發現，當單面機工作時，混凝土中微硅粉的摻入量很小，達不到工作強度，不建議單獨使用。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 機制砂混凝土配合比優化設計

4.1 嚴格控制大顆粒的含量

機制砂體積大于5mm 的砂數不應超過10%。如果過量的顆粒含量超過5mm，會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，導致混凝土強度不均勻，甚至容易造成泵送時堵塞。如圖所示，根據優化后的配合比進行復核試驗，結果見表1。

表1 每立方米混凝土的材料用量及試驗結果

4.2 選擇合理的砂率

選擇適當的砂率，可使混凝土具有良好的流動性，并能保持良好的粘結性、保水性和抽水性。并能提高混凝土的強度。在機制砂粒度大于5 mm 的情況下，設計混凝土配合比時，應適當增加砂粒含量，砂粒比例可達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；交通運輸中易發生脫水事故，妨礙正常抽水；水泥容易出現蜂窩、麻點及外觀質量較差等現象。

4.3 水灰比范圍

水灰比對混凝土強度的影響顯著，如水泥砂漿強度剩余系數較低、水泥混合比由15%提高到20%，以及混凝土抗折抗壓強度不能滿足要求；尤其是高水灰比時，收縮和蠕變增大，這是機制砂混凝土機理中一個十分重要的問題。機制砂高強混凝土的水灰比宜控制在0.32～0.38。與此同時，對混凝土強度、長期性能和耐久性都有好處，也符合工程的實際要求。

4.4 石粉含量

在施工過程中，石粉含量不宜超過10%，一定要通過反復實驗，石粉含量的適當增加對混凝土強度影響不大，但是，它能有效地改善混凝土的粘結性、持水性和流動性，提高其運輸、傾倒和振動時的工作性能，保證混凝土品質。最高石粉含量不得超過12%，反之，混凝土表面會產生收縮裂縫，使強度和彈性模量降低。

4.5 用水量

為了能夠保證混凝土正常的澆筑和達到一定的強度，在使用過程中必須要進行反復的實驗。通過實驗得出結論，在使用混凝土的過程中，如果它強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制砂的流動性較好，而且容易分離，坍落的幾率小。為了確保機制砂混凝土具有良好的加工性能，與河砂混凝土相比，在機制砂混凝土中加入混合物，可使用量提高8%左右。

4.6 采用合理的生產工藝與品質管理

水泥砂漿的質量決定混凝土的性能，它直接影響建筑質量。機砂外觀及圓度由生產設備及工藝決定：機械砂磨機加工的機砂為圓粒型，具有較好的圓度，采用圓錐破碎機進行細磨，使機砂與石粉分離，提高機砂產品質量，有效提高機砂質量。制定科學的工藝流程，采用先進的生產工藝和合適的設備，可以生產出優質的機制砂。目前機制砂生產企業所面臨的最大問題就是生產設備的落后。機械式砂有別于天然砂，在其生產設備及工藝上達到要求后，可對其進行質量控制。

4.7 加強機制砂混凝土的振搗和養護

砂砼結合強度大，流動性能差，施工時應加強振搗操作，以保證混凝土的密實性和均勻性。振搗時應充分考慮混凝土截面尺寸、結構形式、混凝土厚度等方面的要求，選擇合適的振搗設備，保證振搗質量。避免發生漏振和過振現象。澆注時遇鋼筋非常密集區或出現不合格預埋件時，特別建造過程應預先定制。從而為振搗工作的順利完成提供了保證。機械砂含水較高，分散較快，因此澆筑后12h 內應及時灑水保濕養護，為了保證強度和混凝土質量，至少要堅持14d。

5 機制砂混凝土在現澆箱梁中的應用研究

高速公路現澆箱梁基底段跨度30m，高速公路結構為預應力，標準斷面寬25m，跨徑3 孔，主梁為4 室單箱結構。按現澆箱梁混凝土強度等級的要求，現澆箱梁板采用C50 水泥砂漿，采用正交試驗法確定機制砂混凝土的配比。生產和澆注機制砂混凝土，嚴格按照規定進行。

（1）檢查機械砂混凝土的質量。對現澆箱梁機制砂混凝土的強度通過鉆芯法來進行測試。就拿一個3 跨的現澆單箱梁來說，中跨鉆芯和試塊的強度差在5%以內。實驗證明，該人工砂混凝土制備設備達到了設計要求。

（2）在預應力體系中機械混凝土和普通混凝土進行對比實驗。為了保證實驗的精確度特選用了三組10%左右的普通機制砂接頭塊進行實驗。通過實驗表明，由于機械砂混凝土結構不夠平整，但邊緣清晰，所在機械砂混凝土和鋼鉸線的結合力要好。因此，機制砂混凝土比普通砂混凝土的穩定性要好，并且流速有效預應力好，強度大。

5 結語

通過機制砂替代河砂來配制混凝土，既節省成本，又提高混凝土的工作性能。除了嚴格控制原料質量外，在機制砂混凝土設計、生產、施工、養護過程中，要科學管理規范運作，認真做好總結和各項細節工作，在每個環節嚴格控制機制砂混凝土的質量，以保證機制砂混凝土構筑物的質量滿足規范和使用要求。