機制砂在高性能混凝土中的應用研究

文 / 李紀超 戴銘 黃力 王麗紅

研究背景

國外對機制砂的研究應用開始于上世紀中期，經過十幾年的發展部分國家開始普遍推廣。據調查，20世紀亞洲的就有國家將天然集料與人工集料的比例降到了比較低的程度。美國重視對資源的利用和環保的需要，經過調查研究，發現機制砂大致占細集料的20%；后來，美國的Norris大壩成為世界上最早大規模使用人工砂的工程，歷經3年時間總混凝土用量為近80萬立方米。后來的工程中，人工砂配制混凝土用量占1/3。日本隨著工程的需要，在一些中小型水利水電工程中，如黑部田、母子包、奧只見等大多數都使用人工砂。

我國從新中國成立以來，機制砂的研究與應用便開始了，初期主要是一些水利水電工程及土木建筑工程進行試點，以試點工程推動產業化。像云貴顛等地的地形地貌地質的原因，很少有優質天然砂資源，但是石灰巖資源卻比較豐富，這為開展機制砂提供了較好的機會。貴州省修訂了地方標準《山砂混凝土技術規定》，這是結合20多年的山砂混凝土使用技術的經驗總結，隨后又進行了大量的山砂調查和研究，最終出版了《山砂混凝土》一書。后來各地方都進行了相應的研究，相應的標準和技術規范都相繼出臺，這對推廣使用機制砂起到了有效的輔助作用。但是由于技術及研究的不足，目前我國大多數地區仍以天然河砂資源作為配制混凝土主要的細集料來源，機制砂在混凝土中的應用的研究還處于起步階段。

隨著應用科技的高速發展，機制砂也廣泛應用于一些路橋交通、橋梁工程中。譬如，目前國內先進的巴陵河大橋橋塔就是采用強度等級為C50的機制砂高性能混凝土建成。它作為貴州省高速公路網規劃中的重要控制性工程，投資數億元，混凝土用量近2萬立方米。采用當下先進技術措施可有效改善混凝土的和易性，能夠提高混凝土各齡期的強度，增強混凝土抗氯離子滲透性和抗凍性等耐久性能。該技術是針對機制砂宜采用數量細度為600目以下的粗石粉并摻加適量粉煤灰的措施制備不同質量等級的泵送混凝土。它有效解決了機制砂存在級配不合理，石粉粒度過粗，而導致其本身流動性差、擴展度小、可泵性差等技術難題。機制砂漿也常采用強度等級不同的砂漿配制的高性能水泥，來預制橋墩、預制箱梁，這樣不僅取得了良好的施工質量，而且取得了顯著的經濟效益。

機制砂對混凝土性能影響分析

混凝土材料應用性能

混凝土材料根據其特性性能檢測包括材料強度檢測、耐久性檢測、密實度檢測三個方面：1.混凝土強度檢測。混凝土強度直接關乎著建筑支撐體系的牢固程度。所以應當重視混凝土強度的試驗與檢測。工程技術人員針對混凝土強度的測算應當保證滿足規范，達到合格標準。通過對回彈檢測儀器和超聲波檢測、試塊檢測和綜合返彈檢測等手段加以合理的選擇與使用，正確判斷混凝土性能的優劣，據此提供正確與完整的材料性能指標數據。2.混凝土耐久性檢測。混凝土的耐久性直接影響工程質量，施工后是否滲水、抗凍和抗腐蝕性能等都是其耐久性的表現方式。混凝土滲水性檢查方法有NEL 法和直流電法，混凝土的密度與滲水性能是休戚相關，一般優質的混凝土密度都大，在后期的防水滲透能力就會較強。混凝土在攪拌好后，通過冷凍-解凍的循環試驗，試驗能給出混凝土自身的硬度參數，再結合所呈現出的流動狀態來判斷混凝土是否具有抗凍性。而混凝土抗腐蝕能力的檢測是利用鹽酸或者硫酸澆灌攪拌好的混凝土，在干燥然后再繼續澆灌，反復數次可檢。3.密實度檢測。混凝土的密實度檢測具體可采用彈性波檢測法、熱圖檢測技術、電磁波檢測技術等三種方法。如果混凝土密實度不合格，將直接影響建筑結構的強度和耐久性，使用后容易引起結構安全問題。所以說密實度是混凝土的一個重要性能參數，它決定著混凝土結構的承載力。

機制砂對高性能混凝土質量控制策略

1.控制機制砂顆粒形態。機制砂在混凝土的占比達到1/3甚至更高，對混凝土的硬化性能和綜合力學性能會都有重要影響。選用C50預應力混凝土進行室內試驗比對，首先檢測水泥、機制砂、碎石、粉煤灰等原材料的各項性能指標，保證每項原材料質量滿足施工要求。采取A、B、C三種方案制備機制砂。配比見圖表1。

每個方案制作5組28天混凝土試件，試件編號記為1、2、3、4、5，在試驗室對試件進行抗壓強度試驗檢測，結果取平均值。檢測結果如表1所示。

由表2可知：方案A抗壓強度為60.5MPa，方案B抗壓強度為62.5MPa，方案C抗壓強度為63.7MPa，方案C抗壓強度較方案A提高了5.3%。這是因為級配3中機制砂0.6mm和0.3mm砂占比較大，能夠有效填充混凝土骨架空隙，提高結構穩定性，有利于強度的形成。由表1可知，級配方案A中機制砂0.6mm和0.3mm砂占比為28%，級配方案B中機制砂0.6mm和0.3mm砂占比為35%，級配方案C中機制砂0.6mm和0.3mm砂占比為41%，因此可以適當增加機制砂中0.6mm和0.3mm砂占比，提高混凝土施工質量。

2.優化機制砂中石粉占比。石粉對水泥工作特性的影響主要有二個方面，一個是由于石粉會吸附水和外加劑，因此石粉的用量加大也會造成水泥的供水量上升；另外，由于機制砂本身會產生混凝土的分層離析、泌水等現象，因此通過加入適當的石粉可提高水泥的粘性。而在對水泥的熱力學性能和耐久性能方面，石粉還可作為成核中心，使晶粒更細化，進而改善了混凝土的結構緊密程度。

通過不同石粉含量的試驗，設定配合比方案D、E、F的機制砂石粉含量分別為4%、6%、8%，將水泥、粉煤灰和砂按照配合比進行配料，室內拌制混凝土。測試結果如表3所示。

由數據可知，在一定范圍內，抗壓強度隨機制砂石粉含量增加而逐漸增加的趨勢。方案D抗壓強度為61.1MPa；方案E抗壓強度為62.3MPa，比方案D增加了2%；方案F抗壓強度為63.7MPa，比方案E增加了2.2%，這是因為增加機制砂石粉含量，可以提高水泥拌合物的粘結能力。機制砂石粉含量與混凝土抗壓強度存在一定的線性關系，y=0.65x+58，R2=0.9960.

結語

當前橋梁、建筑、水利水電等工程中機制砂的應用范圍主要是C20～C60混凝土的生產，如果想應用于超高強度的混凝土如C80的話還比較有難度，所以需要繼續對機制砂進行優化，以期達到能滿足混凝土工作性能、機械力學性能的要求。在實際施工中機制砂石粉含量控制在6%-10%區間，控制0.6mm和0.3mm粒徑占比在30%-40%之間有良好的工作性能和強度表現。貴州雷山至榕江高速公路工程中C50混凝土的成功使用表明機制砂對高性能混凝土的應用具有較好的實例。通過多方面分析機制砂對C50混凝土性能的影響，希望能為將來更多工程中使用機制砂高性能混凝土提供有利的參考。