机制砂的优缺点及其在混凝土和工程中的应用

机制砂的优缺点及其在混凝土和工程中的应用

目前，机制砂混凝土的长期性能还缺乏深入的研究。

1、机制砂的优缺点及其在混凝土和工程中的应用

根据在云南蒙自地区利用机制砂的经验，将其优缺点总结如下。

1.1 机制砂的优点

采用机制砂配置混凝土具有如下优点：

（1）工厂化生产，质量可以得到保证工厂生产可以从选材、破碎等一系列工艺流程上建立质量监控体系，生产条件好，砂的质量有保障。

（2）砂的物理力学性能好。可以有意识的选择硬质岩石生产机制砂，避免采用软质、风化岩石，同时，含泥（块）量可人工筛分控制。化学成份与母材、碎石一致，对混凝土无负面作用，适合做高强混凝土。

（3）机制砂的颗粒级配、细度模数可以调整可以根据工程的需要，结合母材的特点和混凝土的要求，调整机制砂的细度模数和颗粒级配。调整措施主要通过破碎设备、工艺流程的选择来完成。

1.2 机制砂的缺点

（1）天然砂颗粒浑圆，表面光滑。天然中砂细度模数多为2. 6 3. 0，级配较好，对混凝土的工作性十分有利。机制砂颗粒尖锐，多棱角，表面粗糙，细度模数多为3. 0以上，与天然河砂相比，机制砂的颗粒级配稍差，大于2. 5 mm和小于0. 08 mm的颗粒偏多，导致混凝土的和易性较差，容易引起混凝土的外观质量缺陷。机制砂母材的变化会引起机制砂质量的波动，给施工质量的控制带来一定的难度。但是，机制砂的缺点可以通过选择合适的碎砂设备、合理利用砂中含石粉量、调整砂率，以及选用合适的外加剂等措施来克服。

（2）机制砂含有一定量的石粉。石粉和泥的粒径虽然都小于0. 075 mm，但是他们的成份不同，细度相差也较大。泥颗粒大多小于0. 016 mm，而石粉颗粒大都在0. 016 -0. 075 mm之间。泥吸附在砂的表面，妨碍砂与水泥的粘结；而适量的石粉可填充在水泥、细砂的空隙之间，增强机制砂混凝土的工作性。

2、机制砂混凝土的性能

2.1 硬化前混凝土的性能

机制砂混凝土硬化前的性能主要涉及到混凝土的稠度、和易性（工作性）、可塑性、可加工性（可修饰性或可抹平性）等方面，这些性能并不是孤立的，而是有一定的相互关联，是从不同的角度描述新拌混凝土的特性。其中，混凝土的和易性是非常重要的一个指标，它不仅表示混凝土浇灌成型的难易程度，也表示混凝土抵抗材料分层离析的能力。混凝土和易性的具体指标为坍落度。

在水灰比相同的条件下，机制砂混凝土坍落度要小于河砂混凝土，这主要是机制砂本身具有裂隙、空隙及孔洞，其有一部分颗粒为矿物颗粒集合体，这样就增大了砂子的比表面积，吸附了更多的水，导致混凝土的需水量增加，坍落度减小。相同条件下，配置相同坍落度的混凝土，机制砂比天然河砂需水量增加5-10千克每立方米。机制砂混凝土的和易性与细骨料（砂）的级配和细度模数有关，同时，也牵涉到用水量、水泥用量、砂率等参数，还需要针对工程实践进行深入研究。一般认为，细度模数以控制在3. 0 -3. 4之间为佳。若细度模数太大，则粗颗粒太多，级配不合理，使混凝土的和易性变差，虽然掺入粉煤灰可以弥补上述缺陷，但成本也会相应提高，经济上不合理；若细度模数太小，则小于0. 075 mm的细粉过多，需水量增大，混凝土强度降低，水泥用量增加。石粉含量也是影响坍落度的重要指标，石粉含量太低（小于5% ）时，混凝土的和易性、沁水性较差，当石粉含量控制在6% 9%时，对混凝土的强度的影响不是很大，和易性也很好。按机制砂的特点进行混凝土配比设计，通过合理利用机制砂中的石粉，调整机制砂的砂率，可以配制出和易性很好、适合泵送的机制砂混凝土。

2.2 机制砂混凝土的力学性能

混凝土的力学性能指标包括抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗弯强度、弹性模量、粘结强度、疲劳强度、收缩徐变特性等。针对这些指标进行深入研究的还比较少。但是，对于抗压强度、弹性模量这2个主要指标，国内外却积累了较丰富的实验资料。一般机制砂筛余0. 300 mm以下所占比例较小，仅有10%左右。相关混凝土泵送施工技术规程中指明，泵送混凝土细骨料通过0. 300 mm筛孔的筛余不应小于15%.天然细砂的粒径主要集中在0. 3 mm以下，细度模数一般在1. 5左右。天然细砂细度模数低，若单独配制混凝土，会由于收缩大引起混凝土开裂，但是可以利用天然细砂粒径主要集中在0. 3 mm以下的特点，与机制砂复合组成人工混合砂，从而使配置的混凝土获得良好的施工性能。

通常用40%的天然细砂与60%的机制砂混合作为细骨料使用，可以取得良好的效果。对特细砂、混合砂、机制砂混凝土进行了实验对比，其复合砂中特细砂和机制砂的比例为4：6，机制砂母岩为石灰岩。

由于机制砂一般采用硬质岩石破碎，机制砂比天然砂的抗压强度更高。所以机制砂混凝土与天然砂混凝土相比，各项力学性能指标不低，甚至更高。当然，混凝土的强度、弹性模量等力学性能指标除了和砂的强度有关外，还与其他因素有关，如机制砂中的石粉含量和混凝土配合比中的砂率等。机制砂混凝土的实验表明，石粉含量对混凝土的强度的影响很大，石粉含量越高，混凝土的强度随之降低。机制砂砂率在小于40%时，拌合物过于粘稠，砂率增大后，工作性能得到改善，砂率在42%~ 46%时，强度趋于稳定。砂率超过50% ，不但强度有所下降，而且静力弹性模量显著降低。

2.3 机制砂混凝土的耐久性能

混凝土的耐久性能是指混凝土在长期使用过程中，具有抵抗冻融循环等气候条件、酸碱等物理化学侵蚀作用、受光热作用、流水冲蚀作用的能力。混凝土越密实，抗渗抗冻性越好。由于混凝土的抗渗性主要与其孔隙有关。研究者认为机制砂中的石粉只是一种有效的填料，虽然不具有活性，但提高了混凝土的密实性，增强了水泥石与骨料界面粘结；而有人则认为石粉能加速C3S的水化，并与C3A、C4AF反应生成结晶水化物，并能改善水泥石的孔隙结构，因此抗渗性能得到提高。对于机制砂混凝土的抗冻融耐久性还缺乏系统的研究。综合已有的研究结果，可以发现机制砂在一定程度上改善了混凝土的工作性能，具有一定的微集料填充效果，从而改善了混凝土的孔隙结构，增加了混凝土的密实度。试验结果表明，混合砂与天然中砂配制的混凝土一样，具有优越的抗渗性能。同时试验还表明，机制砂和天然细砂混合配制出的混凝土在抗冻性、抗渗性、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀及抗碳化性能方面都优于中砂混凝土，机制砂和天然细砂混合配制出的混凝土抗渗性劣于中砂混凝土。

3、机制砂混凝土在工程实践中的应用

在已有的工程实践中，机制砂配制出了从C10 ~C55的普通混凝土和泵送混凝土，我国的三峡工程和黄河小浪底等水利工程都采用了机制砂混凝土。在桥梁工程中，湖南怀新高速公路的有平溪河桥、苦麻寨桥、坳背村高架桥均使用了机制砂配制混凝土，混凝土等级有C25普通混凝土， C25水下混凝土， C30普通混凝土， C40普通混凝土。在重庆嘉陵江黄花园大桥建设中，通过对机制砂与渠河砂复合取代简阳砂配制黄花园大桥主桥箱梁C50混凝土，各项工作性能指标和力学性能指标均符合规范要求，工程应用效果良好。在铁路桥梁中，株六线南山河特大桥C55高性能混凝土成功应用机制砂配制。

玉蒙铁路第五标段，在混凝土结构物中就全部使用了机制砂。在施工之初，由于对机制砂的应用在理论上没有依据可循，从而与自然砂等同使用，造成混凝土质量下滑，特别是表面质量不能满足要求。

随着施工的进展和试验室工作的加强，混凝土质量有所提高。现在该标段的特大桥、大桥、涵洞、隧道工程等混凝土外观和抗压强度都能满足工程的质量要求。特别在工程造价方面，由于自然砂的当地价格是机制砂的3倍多，所以采用机制砂。

4、机制砂混凝土应用需进一步研究的问题

机制砂在我国混凝土结构工程实践中的应用还处于起步阶段，为了推广机制砂在混凝土特别是桥梁工程中高性能混凝土中的应用，还应开展深入、广泛的研究。研究重点应包含以下几个方面。

4. 1 机制砂颗粒形状、颗粒级配的研究

机制砂的颗粒形状、颗粒级配影响混凝土的和易性、强度、抗干缩性及耐磨等性能。尤其是粒径小于0. 075 mm的石粉的合理含量需要认真研究。不同粒形的机制砂对混凝土的和易性影响较大，片状颗粒拌制的混凝土和易性较差，最理想的粒形是近似于立方体颗粒。机制砂中含有适量的石粉，不仅可提高混凝土的强度，还可改善混凝土的和易性，机制砂中的石粉控制在7%以内比较合适，但关于石粉的作用机理和合理含量仍有不同的意见。根据本公司应用机制砂的情况来看，严格控制石粉含量是比较困难的，这为在工程中充分利用机制砂提出了挑战。

4. 2 高效、优质制砂设备和制砂工艺的研究

凡是能经济有效地加工出小于5 mm的合格粒度级配的机械加工设备都可以作为制砂机械。目前，磨碎机械、圆锥破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机、笼型破碎机、辊式破碎机和立轴冲击式破碎机都可用于制砂。

中小企业使用颚式破碎机较多，生产工艺极为简单，产品质量参差不齐。混凝土用机制砂对砂的颗粒形状及级配有很高的要求。有的设备生产的砂粒片状居多，有的存在过粉碎现象。为了生产出符合要求的优质机制砂，需要从设备选择、工艺流程、质量控制等方面进行综合研究。

随着我国基本建设的不断深入和环境保护的日益加强，自然砂的利用在很多方面都有了限制。面对建筑业需要砂量的增加，自然资源已不能满足工程的需求，所以必须要在机制砂的利用上下功夫。如果机制砂使用取得成功，今后的施工组织将可能发生转变，如在围岩较好的隧道中施工，混凝土所需的碎石和机制砂就可以在掘进过程中得以解决。

4. 3 机制砂混凝土配合比的研究

机制砂混凝土的配合比对混凝土的各种性能，如和易性、力学性能、耐久性能和混凝土表面质量都有非常重要的影响。应深入开展满足各种强度等级、各类工作性能要求的机制砂混凝土的综合试验研究。通过在玉蒙铁路工程中利用机制砂，发现还应重点研究石粉含量、砂率、水灰比对混凝土各种性能的影响。

4. 4 机制砂混凝土搅拌设备的研究

在玉蒙铁路工程中，利用机制砂搅拌混凝土，搅拌设备也是影响混凝土质量的一个重要因素。机制砂混凝土的搅拌不宜采用小型搅拌设备。在施工之初，机制砂混凝土的搅拌采用与自然砂混凝土搅拌同样的方法，结果不能满足工程的质量要求。特别是少量混凝土的搅拌，决不能使用非强制性混凝土搅拌设备，否则混凝土的外观质量难以保证。机制砂混凝土只有采用大型搅拌站或强制搅拌设备来搅拌，才能保证工程质量。

4. 5 机制砂混凝土的应用须加强工程试验

机制砂混凝土的使用应按要求合理设立工程试验室，以加强对混凝土的配比、和易性、泌水性、抗冻、抗渗、抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗弯强度、弹性模量、疲劳强度、收缩徐变、耐久性能等指标的及时监控，从而保证混凝土的质量。

5、结语

目前，机制砂混凝土在施工实践中应用较少，对这种混凝土的长期性能还缺乏深入的研究。这些性能主要包括收缩徐变性能、抗冻性能以及抗渗性能等耐久性指标。在今后的工程施工中应不断加强研究，以完善机制砂混凝土的各种指标，使其在工程中得以广泛的应用。