機制砂特性分析及機制砂高性能混凝土配合比設(shè)計思路與應(yīng)用

穆建忠

（陜西堯柏節(jié)能環(huán)保建材有限公司，陜西 西安 710061）

1 緒論

由于天然砂具有不可再生性，混凝土生產(chǎn)用砂最終被機制砂替代是不可避免的。本文對機制砂的特性及用于配制高性能混凝土的可行性做了相關(guān)研究。

1.1 混凝土砂石原材料的現(xiàn)狀

眾所周知，在混凝土組分中，砂子所占體積約在30% 左右，在混凝土中所起的作用有填充、包裹、潤滑等，同時也是混凝土骨架的主要組成部分，所以有的行業(yè)稱作“細(xì)集料”，有的稱作“細(xì)骨料”。在混凝土生產(chǎn)中，除了極少量的透水混凝土等特種混凝土不用砂子外，可以說，預(yù)拌混凝土離不了砂子。以前，關(guān)中地區(qū)生產(chǎn)預(yù)拌混凝土幾乎都采用天然河砂。隨著混凝土產(chǎn)量逐漸加大，天然河砂的用量越來越大，天然河砂逐漸被消耗殆盡。無序的河砂采集甚至是盜采對水利工程設(shè)施和基本農(nóng)田建設(shè)危害極大，不利于水土保持和水資源的合理利用。近兩年來國家環(huán)保力度逐步加大，各混凝土企業(yè)均出現(xiàn)了“砂荒”，砂子的價格猛漲，但砂子質(zhì)量卻很差。有媒體用“哀鴻遍野”來形容當(dāng)前的砂石供應(yīng)局面。因此，人們把視野立馬轉(zhuǎn)到了機制砂領(lǐng)域。

1.2 機制砂的市場應(yīng)用情況

由于天然河砂不可再生，使人們對混凝土用細(xì)骨料的選擇發(fā)生了改變，人造砂，也就是我們常說的機制砂成了必然選擇。其實機制砂在歐美和日本以及我國的上海、深圳、重慶等地早有應(yīng)用，關(guān)中地區(qū)起步相對較晚一些。

我國在上個世紀(jì)的 60 年代就在不具備天然河砂供應(yīng)條件的一些水利、水電工程中嘗試用人工砂代替天然砂來配制混凝土，許多交通、橋梁工程也用了機制砂，如重慶嘉陵江黃花園大橋。但是，由于前期機制砂的生產(chǎn)工藝和性能控制不夠規(guī)范，大多采用機制砂和天然河砂搭配來完成。后期經(jīng)過工藝改進(jìn)，機制砂的質(zhì)量基本能滿足混凝土的配制要求，但許多工程技術(shù)人員對能否全用機制砂配制高性能混凝土仍有一些顧慮。

2 機制砂的特性分析

2.1 機制砂的特點

河砂屬于天然砂，由自然風(fēng)化、水流沖刷、堆積而成，其粒徑小于 4.75mm，由于河砂長期受到水流沖刷，基本上呈球形，具有顆粒表面比較圓潤的特點，在相同條件下，相對于機制砂混凝土，用符合質(zhì)量要求的河砂配制的混凝土流動性比較好。機制砂屬于人工砂，是采用機械的方法將天然巖石破碎、磨制而成，經(jīng)篩分處理加工成小于 4.75mm 的顆粒。機制砂由于機械的強制作用，產(chǎn)生的顆粒表面棱角多，砂中片狀顆粒以及細(xì)粉含量較大。機制砂由于加工過程中有整形環(huán)節(jié)，所以，它與采石場加工碎石時通過篩分留下來的石屑是不同的。機制砂雖然相比天然河砂有許多缺點，但其表面有新鮮界面且表面粗糙，有助于與水泥石界面的粘結(jié)，這是機制砂有利的一面。

2.2 機制砂母巖的選擇

什么樣的巖石加工的機制砂適合高性能混凝土生產(chǎn)？機制砂的制砂原料目前應(yīng)用最多的有石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖，也有使用頁巖的。不同的巖石種類制成的機制砂強度有很大的差異。目前經(jīng)常見到的機制砂種類主要有花崗巖機制砂和石灰?guī)r機制砂，兩者相比較，使用石灰?guī)r的機制砂更普遍一些。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r的機制砂由于母巖的硬度較花崗巖小，破碎后的顆粒在長、寬、高三維均勻性方面優(yōu)于花崗巖的顆粒，在棱角性方面，也有相同的規(guī)律。如果機制砂的棱角性過差，意味著表面更加粗糙、空隙率大，有較大的內(nèi)摩擦角，所拌制的混凝土需水量更大、流動性更差，同比外加劑的摻量也更大。專家研究發(fā)現(xiàn)，石灰石機制砂里一定細(xì)度的石粉，具有晶核效應(yīng)，能誘導(dǎo)水泥水化，并且與鋁酸三鈣（C3A）生成水化碳鋁酸鈣，從而增強混凝土的強度?？梢允褂檬沂鄞娌糠謸胶狭蟻砀纳苹炷恋拿軐嵭约昂鸵仔?。當(dāng)然，關(guān)于機制砂的壓碎指標(biāo)值和堿活性合格是能夠使用的必要前提條件。

2.3 機制砂普遍存在的問題

（1）粒形不好，片狀顆粒過多。（2）細(xì)度模數(shù)偏大。有一個砂場給送的機制砂樣品的細(xì)度模數(shù)達(dá)到3.8。（3）級配不良，顆粒級配“兩頭大、中間小”，也就是粗、細(xì)顆粒量大，中間的顆粒少。（4）石粉含量控制得不理想，忽大忽小，特別是花崗巖質(zhì)機制砂石粉含量對混凝土拌合物的工作性影響較大。（5）用生產(chǎn)碎石的石屑加工或加工前除土不徹底，使機制砂里的膨脹性黏土含量超標(biāo)，對混凝土中水和外加劑的吸附量增加。這就是目前大多數(shù)混凝土企業(yè)拌制混凝土?xí)r沒有純用機制砂的原因之一。

2.4 高性能混凝土對機制砂的要求

高性能混凝土生產(chǎn)需要什么樣的機制砂呢？除了上面所說傾向于用石灰?guī)r的機制砂外，主要是選擇機制砂粒形良好、針片狀含量低、自然級配合理、細(xì)度模數(shù)滿足中粗砂標(biāo)準(zhǔn)、理想狀態(tài)的細(xì)度模數(shù)在 2.6～3.2 之間、含泥量小于 3%、不含泥塊、石粉含量在 8%～15%之間（強度等級在 C40 以上的混凝土石粉含量控制在10% 以下，強度等級在 C40 以下的混凝土石粉含量可以放寬在 15% 左右），并充分發(fā)揮機制砂與水泥石粘結(jié)力強、石粉能利用的特點。這樣，性能優(yōu)良的機制砂拌制的混凝土需水量小、水泥用量較少，混凝土密實性好、工作性能好，不僅強度高而且耐久性好，可以節(jié)約成本，也具有一定的社會效益。有的砂石企業(yè)認(rèn)為自己的機制砂產(chǎn)品能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，就是質(zhì)量最好的砂子，其實眾所周知，國家標(biāo)準(zhǔn)只是最低要求，要想生產(chǎn)精品機制砂，需要在工藝技術(shù)和質(zhì)量控制方面下功夫，生產(chǎn)出來的機制砂才受預(yù)拌混凝土企業(yè)的青睞，才能符合高性能混凝土的技術(shù)要求。

2.5 機制砂中的石粉對高性能混凝土的影響

對于機制砂中石粉對混凝土性能的影響，不同的研究人員有不同的看法。目前在預(yù)拌混凝土行業(yè)內(nèi)有一個共同的看法是：機制砂中的石粉比例含量存在一個最佳值，在這個值以下時，石粉含量越高，混凝土工作性能越好；超過這個值，石粉就會對混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響。當(dāng)然，不同品種的機制砂在不同的強度等級混凝土中這個值是不同的。

在配制低強度等級混凝土?xí)r，由于有工作性的要求，往往只用水泥和活性摻合料配制的混凝土存在強度富余系數(shù)過高的現(xiàn)象，如果利用機制砂中的石粉就可以補充混凝土中漿體填充所需的粉料顆粒的用量，即在較低的水泥用量和活性膠凝材料情況下，配制出工作性、耐久性符合要求的高性能混凝土。

機制砂中如果含有一定比例的石粉，就可以填充骨料空隙、包裹砂石表面、降低骨料間的摩擦阻力，使混凝土容易振搗密實，對混凝土的抗?jié)B性和耐久性均有增強的作用?；炷恋膯挝幻芏入S著石粉含量（在一定范圍內(nèi)）的增加而提高，其孔隙則隨著石粉含量的增加而降低，同時可降低混凝土的開裂幾率。

當(dāng)人工砂 MB 值≤1.0 時，可以用在 C60 及以上混凝土中。

1.0≤MB≤1.4 時，可以用在中等強度等級（C30～C55）的混凝土中。

1.4≤MB≤2.0 時，說明石粉中含有較多的粘土顆粒，對混凝土用水量有一定的影響，但基本不影響混凝土的質(zhì)量，可以通過調(diào)整減水劑用量等方法來保證正常使用，而且在用于 C25 及以下的混凝土中，還能避免低強度等級混凝土中膠凝材料用量較少導(dǎo)致的使和易性差的問題，使強度和耐久性滿足要求。如果 MB 值超過2.0，說明石粉中含有較多的粘土顆粒，就不適合配制高性能混凝土了。

3 高性能混凝土的技術(shù)要求

高性能混凝土和傳統(tǒng)的普通混凝土（簡稱 OPC）相比有以下技術(shù)要求：

（1）從原材料選擇上，除了傳統(tǒng)的水泥、水、砂、石四大組分外，高性能混凝土還必須添加一定比例的優(yōu)質(zhì)摻合料作為膠凝材料，以及添加與水泥相容性好的高性能外加劑作為必不缺少的重要組分。

（2）從配合比設(shè)計上，為了適應(yīng)高耐久、高強的要求，要求水膠比一般不大于 0.4，拌合用水量不大于180kg/m3，適度的漿骨比；控制膠凝材料總量不宜大于550kg/m3。

（3）綜合性能上，拌合物需要有良好的施工性（流動性好、易振搗密實、可泵性、均勻性等）；硬化后的混凝土需要有良好的力學(xué)性能，早期強度和后期強度均高；且符合要求的耐久性，如抗凍、抗?jié)B、抗堿集料反應(yīng)和耐腐蝕等能力，良好的尺寸穩(wěn)定性；合理的適用性與經(jīng)濟性等?？傊哂辛己玫木C合技術(shù)性能，能滿足各種工程結(jié)構(gòu)的使用要求。

4 機制砂高性能混凝土配合比設(shè)計思路及配合比優(yōu)化

4.1 高性能混凝土配合比設(shè)計需遵循的基本定則

高性能混凝土的配合比設(shè)計仍然需要遵循傳統(tǒng)預(yù)拌混凝土配合比設(shè)計中的三大定則，即水灰比定則，水灰比宜小于等于 0.4；最大密實度定則，通過調(diào)整砂石級配和膠凝材料使用比例，降低空隙率，使混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到最大密實度；最小用水量定則，在滿足拌合物流動性和水泥水化要求的前提下，用水量宜控制在 180kg/m3以內(nèi)。然后確定好水膠比、漿骨比、用水量、砂率等四大參數(shù)，通過試驗確定外加劑的合理用量，最后通過試拌，反復(fù)驗證，才能配制出符合高性能混凝土特性要求的產(chǎn)品。

4.2 配合比設(shè)計的方法

截至目前，在國際、國家層面，仍沒有統(tǒng)一的機制砂高性能混凝土的配合比設(shè)計規(guī)程，本人在多年的混凝土工作、實踐中摸索出自己的一套機制砂高性能混凝土配合比設(shè)計方法，與同行一起分享。

在高性能混凝土配合比設(shè)計中，有一個參數(shù)顯得比較重要，那就是“漿骨比”。步驟是先根據(jù)具體施工部位和強度等級，確定摻合料用量比例；根據(jù)粉煤灰和礦粉的活性指數(shù)計算出摻合料對膠凝材料的強度貢獻(xiàn)系數(shù)，計算出水膠比；然后再計算出膠凝材料漿體的平均密度，根據(jù)強度等級和經(jīng)驗假定該強度等級所需要的合理的漿體體積，計算出膠凝材料的用量和用水量；再引用改進(jìn)陳建奎教授的全計算法設(shè)計配合比中關(guān)于砂率的計算方法，求出砂石用量（注：該方法有個瑕疵，沒考慮砂子的表面狀態(tài)及細(xì)度模數(shù)對砂率的影響）。設(shè)計混凝土的初步配合比，根據(jù)日常試驗結(jié)果，初步確定外加劑的摻量，通過流動性的試驗調(diào)整，確定基準(zhǔn)配合比，再經(jīng)過強度與耐久性試驗調(diào)整，確定試驗室理論配合比，最后通過含水率的換算確定施工配合比。

在這里，干砂漿的體積需要填充粗骨料的空隙，干砂漿的體積等于粗骨料的空隙率。

4.3 機制砂在高性能混凝土配合比設(shè)計中的應(yīng)用

機制砂高性能混凝土最關(guān)鍵的性能是基于耐久性提出的，對于工程特點和使用環(huán)境具有很強的針對性。高性能的體現(xiàn)由包括原材料的質(zhì)量控制、拌合物生產(chǎn)過程控制和整個規(guī)范的施工過程來加以實現(xiàn)。作為預(yù)拌混凝土企業(yè)，前兩項是必須控制的重點。機制砂高性能混凝土在施工過程中具有良好的充填性；凝結(jié)硬化后，結(jié)構(gòu)致密、空隙率低，強度滿足要求，具有高抗?jié)B能力，使用壽命長；對于一些特殊工程或特殊部位，需要具有較高的耐久性和體積穩(wěn)定性；混凝土在硬化早期應(yīng)具有較低的水化熱，硬化后具有較小的收縮變形，具有良好的抗裂性。能夠使混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠地工作 100 年以上，這是機制砂高性能混凝土的主要目的。在機制砂實際應(yīng)用中，由于機制砂生產(chǎn)條件和生產(chǎn)技術(shù)的制約，完全滿足預(yù)拌高性能混凝土要求的較少，大多都以機制砂搭配天然細(xì)砂，形成混合細(xì)骨料后再進(jìn)行生產(chǎn)。這種混合細(xì)骨料的生產(chǎn)方法，能得到級配合理的砂子，操作也比較靈活簡單，能保證混凝土質(zhì)量的穩(wěn)定性。但是如果對機制砂的加工工藝嚴(yán)格控制，符合上述要求的機制砂完全可以不用添加天然砂?？紤]到機制砂的細(xì)度模數(shù)、表面狀態(tài)和石粉含量，在實際應(yīng)用中可以根據(jù)實際情況調(diào)整合適砂率。一般情況下，細(xì)度模數(shù)相同的機制砂混凝土的砂率比河砂高 2%～3%。關(guān)于機制砂混凝土水膠比計算中所涉及的回歸系數(shù)，目前正規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒有提供，但根據(jù)同濟大學(xué)蔣正武教授[5]和華北水利水電大學(xué)李鳳蘭教授[6]的研究結(jié)果顯示，在相同水灰比和同等流動度狀態(tài)下，機制砂混凝土強度稍高于天然砂混凝土，但相差不大。另外仍要考慮石粉的存在對用水量及粉體體積的影響，把石粉含量和增加的用水量的體積納入漿體體積中綜合考慮。

5 機制砂高性能混凝土的生產(chǎn)應(yīng)用

試驗采用的機制砂石粉含量為 15% 左右，母巖為石灰石，是非堿活性集料。除機制砂的顆粒形狀有所不同外，其他指標(biāo)檢測與天然砂無太大區(qū)別。表 1 為機制砂的篩分結(jié)果。

表1 機制砂篩分結(jié)果

試驗用其他原材料：10～25mm 碎石、5～10mm 碎石、P·O42.5 水泥、S95 礦渣粉、磨細(xì)粉煤灰。試驗設(shè)計強度等級為 C50，設(shè)計坍落度為 (200±20)mm，外加劑為聚羧酸系高性能減水劑。

按表 2 配合比配制的混凝土初始狀態(tài)良好、和易性包裹性良好，其它性能滿足設(shè)計要求。

表2 C50 混凝土配合比及性能

通過以上試驗機制砂代替河砂的試驗達(dá)到預(yù)期的設(shè)計要求，且比天然砂配制的混凝土強度高出 1.3MPa。在坍落度損失方面，通過對外加劑的調(diào)整來保持坍落度在 2h 以上，目前批量的應(yīng)用到生產(chǎn)中沒有發(fā)現(xiàn)問題，各項指標(biāo)完全滿足高性能混凝土質(zhì)量要求，通過以上試驗表明全部用機制砂代替河砂的方案是有效可行的。選用良好級配的機制砂來達(dá)到綠色、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的目的結(jié)果。

6 結(jié)束語

綜合所述，機制砂高性能混凝土原材料的選擇上除必須滿足高性能混凝土對強度、高耐久性、高體積穩(wěn)定性、高充填性等要求外，還必須考慮機制砂母巖的特性、表面狀態(tài)、石粉含量對混凝土性能的影響。合理的漿骨比仍是機制砂高性能混凝土需要關(guān)注的重要指標(biāo)之一。高性能混凝土的質(zhì)量控制與驗收，涉及原材料、設(shè)計、施工工藝、氣候環(huán)境等諸多因素，高性能混凝土應(yīng)重視原材料的選擇和高性能混凝土施工的質(zhì)量控制與驗收方法。