機制砂配制混凝土的若干問題探討

摘要：隨著河砂資源的日益短缺，采用機制砂代替河砂配制混凝土勢在必行。對機制砂混凝土的配制參數(shù)、工作性，力學性能、干縮性能、抗?jié)B性等若干問題進行了探討。最后指出：使用機制砂替代河沙來生產(chǎn)混凝土是完全可行的。關(guān)鍵詞：機制砂；石粉；混凝土0前言天然砂是巖石經(jīng)千百萬年自然風化搬運沉積而成，包括河砂、山砂、淡化海砂，分布不均，質(zhì)量差異大，是不可再生的資源。隨著當前建筑業(yè)的飛速發(fā)展和對環(huán)境保護的日益重視，以河砂為主的天然砂越來越無法滿足日益增長的需求。2002年國家又出臺了禁采或限采天然砂的法規(guī)，使得工程用砂供需矛盾日益突出，導致砂的價格越來越高，極大地制約了工程建設(shè)的持續(xù)發(fā)展。因此，使用機制砂代替河砂配制混凝土已是今后發(fā)展的趨勢。機制砂的推廣和應(yīng)用雖然在我國已經(jīng)有幾十年的歷史，盡管國家相關(guān)標準允許在河砂難得的情況下可以采用機制砂配制混凝土，并對用于各等級混凝土的機制砂作了嚴格的限制，尤其是對石粉含量。然而，工程上對能否采用機制砂配制混凝土仍心存疑慮。為此，本文對機制砂混凝土的若干問題進行了探討。1機制砂特性國標GB/T14684—2011《建筑用砂》中，對機制砂作了如下定義：機制砂是由機械破碎、篩分制成的，粒徑<4.75mm的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風化巖石的顆粒，用專門的制砂機生產(chǎn)，多數(shù)呈灰白色或黑色，一般含有10%～15%的石粉（粒徑<75μm的巖石顆粒）。1.1機制砂特點與天然砂相比，機制砂具有以下優(yōu)點。（1）機制砂質(zhì)量可控。機制砂選擇性大，適合大規(guī)模工廠化生產(chǎn)，通過改進生產(chǎn)設(shè)備、改善生產(chǎn)工藝、調(diào)整工藝參數(shù)生產(chǎn)出符合要求的砂，機制砂的級配、細度模數(shù)、石粉含量等指標在一定范圍內(nèi)均可控。然而河砂選擇性小，其級配、細度模數(shù)等指標天然形成，無法控制。（2）機制砂顆粒形狀不規(guī)則，多棱角，針片狀過多，其表面較粗糙，粗糙度基本在17.0～21.1S，且壓碎值偏大，而河砂的粗糙度為14.8～15.5S。（3）機制砂顆粒內(nèi)部微裂紋多、孔隙率大、開口的相互貫通的孔隙多、比表面積大。（4）機制砂有一定的石粉含量，這是正常的，也是機制砂與天然砂最明顯的區(qū)別之一。（5）對于河砂缺乏的山區(qū)，采用機制砂配制混凝土具有明顯的經(jīng)濟性。1.2機制砂技術(shù)要求機制砂按技術(shù)要求分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級。Ⅰ級宜用于強度等級≥C65的混凝土；Ⅱ級宜用于強度等級C35～C60及抗凍、抗?jié)B或其他要求的混凝土；Ⅲ級宜用于強度等級≤C30的混凝土。我國建工標準JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》對各個級別的機制砂泥塊和石粉含量作了規(guī)定，見表1，壓碎指標見表2。

同時機制砂的表觀密度、堆積密度、空隙率應(yīng)符合如下規(guī)定：表觀密度>2500kg/m3、松散堆積密度>1350kg/m3、空隙率<47%。2機制砂混凝土配制參數(shù)選擇由于機制砂具有不同于天然砂的特性，其配比參數(shù)也與天然砂不同。進行配合比設(shè)計時，必須針對機制砂的特點，在滿足用砂性能指標的前提下，通過調(diào)整用水量、石粉含量、砂率等進行配合比設(shè)計與性能優(yōu)化。這樣才能配制出滿足要求的混凝土，達到既滿足施工質(zhì)量要求，又能有效控制生產(chǎn)成本的目的[7]。2.1石粉含量未經(jīng)處理的機制砂一般含有10%～15％的石粉。在機制砂的使用過程中，存在著不接受石粉的現(xiàn)象。首先是把石粉與泥粉混為—談，其次是對石粉認識不足，10％石粉摻量的機制砂看上去石粉很多[8]。為了能夠達到表1規(guī)定的石粉含量要求，機制砂生產(chǎn)均增加了水洗工藝，不僅增加生產(chǎn)成本、造成水資源浪費，而且水洗石粉排放造成了河道水質(zhì)或風沙氣候等環(huán)境污染，不利于生產(chǎn)地域的環(huán)境保護。盲目地洗走石粉，帶出了不少粒徑>75μm的顆粒，又破壞了機制砂的自然級配。同時，機制砂中適量的石粉對混凝土是有利的，有適量石粉的存在，彌補了機制砂配制混凝土和易性差的缺陷[9]。同時，它的摻入對完善混凝土細集料的級配、提高混凝土密實性都是有益處，進而起到提高混凝土綜合性能的作用[10-11]。2.2級配與細度模數(shù)機制砂富有棱角，同樣細度模數(shù)下的顆粒級配劣于天然砂，通過降低細度模數(shù)可以改善其級配，而且達到中砂范疇的機制砂的級配接近級配2區(qū)的要求。所以，配制混凝土時機制砂宜選用專門機組生產(chǎn)的質(zhì)地均勻堅硬、級配合理的中、粗砂，其細度模數(shù)宜在2.6～3.1之間且級配連續(xù)；機制砂宜使用Ⅱ級及以上級別的機制砂，壓碎指標≤25%[12-15]。2.3砂率機制砂混凝土的砂率不宜按天然砂混凝土砂率的取值方法直接選取，而應(yīng)根據(jù)機制砂自身細度模數(shù)、顆粒級配、石粉含量，并按所選水膠比及碎石最大粒徑來確定。機制砂混凝土的砂率一般較天然砂混凝土高3%～6%，試驗時宜按“五點法”進行砂率優(yōu)選，即在砂率35%～43%范圍內(nèi)每間隔2%選取一個砂率進行混凝土拌和物和易性試驗，以混凝土的和易性達到最佳為合理砂率。機制砂細度模數(shù)越小、級配越好、石粉含量越大，合理砂率越小[7,15]。在保證混凝土的強度、工作性和耐久性都滿足要求的前提下，應(yīng)盡可能選取較小的砂率，以保證配合比的經(jīng)濟性。3機制砂混凝土性能3.1工作性對于機制砂混凝土應(yīng)采用強制式攪拌機攪拌，拌和時間比常規(guī)適當延長30～60s，借以改善機制砂混凝土的和易性，提高保水性和黏聚性。機制砂混凝土比天然砂混凝土易于液化，因此應(yīng)減小振搗時間，避免過振，以克服機制砂混凝土的泌水現(xiàn)象，防止出現(xiàn)蜂窩、麻面及表面形成疏松層。一般振搗成型時間應(yīng)比天然砂混凝土縮短15～30s，以混凝土表面泛漿、氣泡不再上升為宜[14]。祁峰等人[16]認為隨石粉含量的增加，拌和物的和易性得到改善。楊記芳[17]認為機制砂中的石粉含量增加了拌合物中固體顆粒的比表面積，增加了拌合物的黏聚性和保水性，減弱了離析泌水，從而使混凝土易于成型振搗。李鳳蘭等人[18]認為石粉含量在5％～13％范圍內(nèi)時，混凝土拌合物具有綜合良好的工作性，易于振搗成型。機制砂中石粉的存在對混凝土的工作性有兩方面的影響，一方面，適量的石粉能改善混凝土的和易性，石粉的存在彌補了機制砂表面粗糙的缺點，有利于減少機制砂與碎石之間的摩擦，因而有利于改善拌合物的坍落度；另一方面，石粉的存在也使混凝土的總比表面增加，從而增加集料對自由水的吸附，這在石粉含量較高時表現(xiàn)較明顯[19]。3.2力學性能李美麗[20]用20%、40%的機制砂代替部分河砂配制混凝土，發(fā)現(xiàn)其抗壓強度、劈裂抗拉強度和斷裂能均比河砂混凝土的要高。Prakash等[21]等人用含有石粉的機制砂分別制作了長1350mm、寬120mm、高150mm的素混凝土梁和鋼筋混凝土梁，并與河砂混凝土梁作對比。結(jié)果表明：在素混凝土中，機制砂混凝土梁比河砂混凝土梁抗壓強度高17%、抗折強度高20%、劈裂抗拉強度高7%；在鋼筋混凝土中，機制砂混凝土梁的屈服強度與河砂混凝土梁相差不大?？聡娴热薣8]認為同等水灰比和水泥用量下，機制砂混凝土的強度和耐磨性明顯好于河砂。機制砂混凝土的抗壓強度在石粉含量10％時達到最大值，之后隨石粉含量增大緩慢降低；抗折強度逐步增大，石粉摻量>10％時增量趨小。Ahmed等[22]在固定坍落度時研究了石粉含量介于10%～20%的機制砂對混凝土抗壓強度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著石粉含量的增加，混凝土的抗壓強度呈線性下降，這是由于為了獲得相同坍落度需水量增加的趨勢。水灰比為0.53時，抗壓強度對石粉含量的變化不敏感；對于以0.40水灰比配制的混凝土，石粉含量10%時強度上升到最高，之后強度隨著石粉含量增加而降低；石粉含量20%時降到與天然砂混凝土相同。段瑞斌等人[23]認為機制砂混凝土的強度發(fā)展，隨混凝土齡期的增長呈持續(xù)增長的趨勢，并且高于同齡期的天然中砂混凝土。楊記芳[17]研究表明，機制砂混凝土的抗壓試驗強度完全滿足設(shè)計強度要求，在相同條件下，采用機制砂配制的混凝土強度值普遍高于天然砂混凝土的強度值。李北星等人[24]認為混凝土抗壓強度與機制砂的粗糙度正相關(guān)，粗糙度越大，抗壓強度越高；混凝土抗折強度與機制砂的壓碎值負相關(guān)，壓碎值越小，抗折強度越大?；炷量箟簭姸扰c機制砂壓碎值、混凝土耐磨性與機制砂中SiO2含量之間沒有明顯的相關(guān)性。粗糙度越大、壓碎值越小的機制砂混凝土耐磨性越好。在壓碎值≤17.3％的情況下，完全可用石灰?guī)r機制砂配制路面混凝土，不論是抗折強度，還是耐磨性均優(yōu)于河砂混凝土。由于機制砂表面粗糙，棱角尖銳，形體呈不規(guī)則，所以機制砂較河砂更具有握裹力，而機制砂中的石粉又起到微集料效應(yīng)，填充了混凝土中孔隙，這樣混凝土就更加密實，強度也就更高。同時機制砂的新鮮界面，有利于強化水泥石同細集料的粘結(jié)效應(yīng)；機制砂棱角分明，能更好地發(fā)揮嵌固作用，利于強度的發(fā)展，故混凝土抗壓強度、抗折強度有所提高[25]。3.3收縮變形性能祁峰等人[16]認為機制砂混凝土在1d、3d早齡期的干縮值，隨石粉含量的增大而增大，7d及7d以上齡期的干縮值隨石粉含量的增大而呈減小趨勢。當石粉含量>10％時，機制砂混凝土7d的干縮率達到28d時的57％～68％，比河砂高出8％～19％。段瑞斌等人[23]通過測定機制砂混凝土和河砂混凝土在90d齡期的自由收縮，結(jié)果表明，全機砂混凝土的收縮變形性能與天然中砂混凝土相當。李興貴[26]的研究結(jié)果顯示，石粉含量在12%以下時（這里指粒徑<0.16mm的細粉），機制砂混凝土的干縮率增大緩慢，石粉含量>12%時，干縮率顯著增大，且高石粉機制砂混凝土早期干縮>常規(guī)機制砂混凝土，并認為主要是由于<75μm的石粉顆粒在混凝土拌合物中起到增加水泥漿含量的作用，單位體積水泥漿多，導致干縮率增大。機制砂中適量的石粉可以加速水泥的早期水化，使水泥石漿體中自由水消耗過快，導致水泥石自干燥現(xiàn)象加??；由于與水泥相比，石粉表面比較光滑，需水量較低，當石粉含量超過一定值時，可以使相同水灰比條件下的水泥石漿體中保留相對較多的自由水，同時，石粉的微集料效應(yīng)，填充了水泥石內(nèi)部的孔隙，并且改善了孔結(jié)構(gòu)，從而降低收縮。3.4抗?jié)B性能祁峰等人[16]認為隨著石粉含量的增加，機制砂混凝土的氯離子擴散系數(shù)都略有增加，然而最大值只有224×10-14m2/s，滿足混凝土對氯離子擴散系數(shù)≤300×10-14m2/s的要求，表明其具有較好的抗氯離子滲透性能。段瑞斌等人[23]認為機制砂中含有一定量的石粉可以起到一定的填充作用，能使混凝土較天然中砂混凝土密實，配制的混凝土的抗?jié)B性能略好于天然中砂混凝土。楊善順[19]研究表明，隨著石粉含量的增加，機制砂混凝土的抗?jié)B性會逐漸變差；但存在一個最優(yōu)值（12％），此時機制砂混凝土的抗?jié)B性最好。趙娟娟[25]認為機制砂混凝土比天然砂混凝土具有優(yōu)越的抗?jié)B透能力，這是因為機制砂混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實,混凝土內(nèi)部孔隙小,外界腐蝕物質(zhì)不易侵入。李光偉等人[27]認為在調(diào)整砂率和用水量的情況下，采用石粉含量為16.8％～33.8％的大理巖機制砂作為拱壩混凝土的細集料，可以配制出抗凍等級>F300、抗?jié)B等級>W15，其力學性能滿足設(shè)計要求的拱壩混凝土。因此，機制砂中的石粉可使混凝土具有很好的黏聚性和保水性，改善了離析泌水現(xiàn)象，有利于水泥石結(jié)構(gòu)和界面的粘結(jié)，阻斷了可能形成的滲透通路，使混凝土的抗?jié)B性得到改善。4結(jié)論機制砂具有表面粗糙、多棱角、顆粒形狀不規(guī)則，一般含有10%～15%石粉（粒徑<75