論機(jī)制砂對混凝土性能的影響

劉國章

（五臺(tái)友好混凝土有限公司，山西 忻州 035500）

隨著我國建設(shè)項(xiàng)目與日俱增，混凝土的用量越來越大，對砂的需求也越來越大。而與此同時(shí)，我國天然河砂資源越來匱乏，價(jià)格也越來越高。受此影響，筆者于15年開始使用石屑。因石屑表面比較粗糙，有尖銳棱角，針片狀顆粒較多，含有大量的石粉和大于 2.5mm的顆粒，即兩頭大中間小，單用石屑的混凝土和易性非常差，須復(fù)合使用一部分天然砂以調(diào)整砂子級(jí)配來達(dá)到滿足混凝土工作性的要求。

面對天然砂價(jià)格不斷上漲帶來的成本壓力，在資源有限和環(huán)境保護(hù)的雙重因素下，用機(jī)制砂作為細(xì)集料將是今后混疑土工程發(fā)展的主要方向。于是通過大量的試驗(yàn)，經(jīng)過混凝土各項(xiàng)測試，在試驗(yàn)結(jié)果均能滿足普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程的情況下，公司決定購置生產(chǎn)設(shè)備自己生產(chǎn)機(jī)制砂。從剛開始時(shí)的不斷調(diào)整，到如今穩(wěn)定的生產(chǎn)運(yùn)營，對機(jī)制砂有了一些了解?，F(xiàn)將一些使用心得記錄下來，供同行參考。

機(jī)制砂俗稱人工砂，巖石經(jīng)除土開采、機(jī)械破碎、篩分而成的，公稱粒徑小于 5mm 的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的顆粒。由于各地機(jī)制砂的料源、生產(chǎn)設(shè)備和工藝不盡相同，導(dǎo)致生產(chǎn)出的機(jī)制砂在化學(xué)成分、顆粒形狀、表面結(jié)構(gòu)、顆粒級(jí)配以及石粉含量等性能方面與天然河砂都大不相同。

本單位使用的機(jī)制砂是開采碎石后，經(jīng)篩分大于5mm 的顆粒二次破碎篩分制成，分為小于 5mm 且大于2.5mm 的粗顆粒和小于 2.5mm 的細(xì)顆粒，經(jīng)試驗(yàn)調(diào)整級(jí)配后細(xì)度模數(shù)在 2.8～3.0 之間，亞甲藍(lán) 0.5～0.7，石粉含量 15%。具體篩分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

經(jīng)試驗(yàn)，機(jī)制砂的各項(xiàng)指標(biāo)均符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和 JGJ/T 241—2011《人工砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》。

1 機(jī)制砂對混凝土工作性的影響

相較于天然河砂而言，機(jī)制砂是由巖石破碎而成，其顆粒表面粗糙、多棱角，且顆粒級(jí)配較差，大于2.36mm 和小于 0.15mm 的顆粒較多，而 0.3～1.18mm之間的顆粒較少。配制混凝土?xí)r，致使混凝土和易性差，不易施工，拌合時(shí)需要更多的漿體材料來包裹與填充。在不摻天然砂來調(diào)整顆粒級(jí)配的情況下，可加大機(jī)制砂的用量，提高砂率來改善混凝土的和易性。石粉含量是影響坍落度的重要指標(biāo)，石粉含量太低（小于 5%）時(shí)，混凝土的和易性、保水性較差。當(dāng)石粉含量控制在 10%～15% 時(shí)，可提高少許或不加大膠凝材料用量，配制出來的混凝土和易性等各項(xiàng)指標(biāo)也能滿足施工要求。對混凝土強(qiáng)度的影響不是很大，和易性也很好。機(jī)制砂混凝土的和易性與細(xì)骨料（砂）的級(jí)配和細(xì)度模數(shù)有關(guān)。同時(shí)，也牽涉到用水量、膠材用量、砂率等參數(shù)，還需要根據(jù)工程部位進(jìn)行區(qū)別對待。一般認(rèn)為，細(xì)度模數(shù)以控制在 2.8～3.2 之間為佳。若細(xì)度模數(shù)太大，則粗顆粒太多，級(jí)配不合理，使混凝土的和易性變差，雖然摻入粉煤灰可以彌補(bǔ)上述缺陷，但成本也會(huì)相應(yīng)提高，經(jīng)濟(jì)上不合理；若細(xì)度模數(shù)太小，則小于 0.075mm的細(xì)粉過多，需水量增大，混凝土強(qiáng)度降低，水泥用量增加。表2為混凝土的工作性能檢測結(jié)果。

表1 砂的篩分?jǐn)?shù)據(jù)

按機(jī)制砂的特點(diǎn)進(jìn)行混凝土配比設(shè)計(jì)，通過合理利用機(jī)制砂中的石粉，調(diào)整機(jī)制砂的砂率，可以配制出和易性很好、適合泵送的機(jī)制砂混凝土。

表2 混凝土工作性能

2 機(jī)制砂對混凝土的用水量和外加劑的影響

在水膠比相同的條件下，機(jī)制砂混凝土坍落度要小于河砂混凝土。由于機(jī)制砂本身具有裂隙、空隙及孔洞，表面粗糙棱角多，比表面積大，且含有 10% 左右的石粉，吸附了更多的水，坍落度減小。相同條件下，配制相同坍落度的混凝土，機(jī)制砂比天然河砂需水量增加 10～20kg/m3，有時(shí)可高達(dá) 25kg 以上。但正是由于機(jī)制砂表面粗糙，粘結(jié)力大于河砂，即使水膠比提高0.03%～0.05%，強(qiáng)度也不會(huì)低于河砂配制的混凝土。

因機(jī)制砂配制的混凝土需水量大，建議使用減水劑一定要優(yōu)選一等品，并且減水率大于 25% 的減水劑。外加劑應(yīng)選用減水率高、坍落度損失小，適量引氣，能明顯改善或提高耐久性且質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。外加劑與水泥之間應(yīng)有良好的相容性。比如聚羧酸減水劑。目前，聚羧酸減水劑是配制機(jī)制砂混凝土最好的選擇，因其減水率高，用于混凝土中混凝土的坍落度損失小，并能提高混凝土的強(qiáng)度及耐久性，減水率一般都能達(dá)到 25%以上，能大幅降低機(jī)制砂混凝土的用水量，提高混凝土的坍落度。

表3 為混凝土工作性能與用水量的關(guān)系。

表3 坍落度和用水量的關(guān)系

在使用時(shí)也要注意以下事項(xiàng)：減水劑的濃度以及攪拌時(shí)間。減水劑濃度要適中，不能太小，否則在攪拌時(shí)混凝土不易拌勻；實(shí)際用水量和外加劑偏大，在到達(dá)現(xiàn)場后會(huì)有坍落度返大、離析或者泌水的現(xiàn)象。經(jīng)過大量攪拌生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)摻量在 2.5%～2.8% 時(shí)較為合適。另外攪拌時(shí)間也不能太短，因機(jī)制砂混凝土石粉大、膠材多，攪拌時(shí)間應(yīng)較天然砂混凝土適當(dāng)延長，具體延長時(shí)間根據(jù)強(qiáng)度等級(jí)而定，讓攪拌機(jī)將混凝土充分?jǐn)嚢杈鶆颉?/p>

另外也要注意緩凝劑和保塑劑的用量。機(jī)制砂配制的混凝土保塑緩凝成分用量要比天然砂配制的保塑緩凝成分高出 20%～30%，坍落度損失也較天然砂配制的混凝土大。但是緩凝組分加多了會(huì)影響混凝土的凝結(jié)時(shí)間以及強(qiáng)度，在實(shí)際生產(chǎn)中要多做試驗(yàn)，找到適合自己的保塑緩凝組分最佳用量。不要因此產(chǎn)生不必要的質(zhì)量糾紛。

3 機(jī)制砂對混凝土強(qiáng)度的影響

前文說過，機(jī)制砂混凝土的水膠比和用水量較天然砂混凝土的水膠比和用水量都有所增加，但是強(qiáng)度卻不會(huì)降低反而還會(huì)有所提高。這是因?yàn)闄C(jī)制砂表面粗糙、多棱角且尖銳，粘結(jié)力遠(yuǎn)大于河砂。另外，機(jī)制砂中大量的石粉填充了骨料空隙，使混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，這也符合混凝土越密實(shí)，強(qiáng)度越高的理論。對于混凝土強(qiáng)度來說，也有一個(gè)最佳石粉含量，介于 10%～20%之間。超過這個(gè)值，混凝土抗壓強(qiáng)度便會(huì)降低。也就是說，常規(guī)的石粉含量（5%～20%）不會(huì)對混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。在實(shí)際使用過程中，強(qiáng)度低于C25 等級(jí)的貧混凝土用石粉大于 15% 的機(jī)制砂反而對混凝土的和易性和粘聚性有利，強(qiáng)度有所增加。大于等于 C25 小于 C45 等級(jí)的混凝土石粉含量，石粉含量宜控制在 10%～15% 之間，過低則混凝土和易性不好，容易泌水，過高則混凝土粘聚性增加，泵送和施工困難。

機(jī)制砂中含有 5%～20% 的石粉，宜作為改善普通中低強(qiáng)度特別是泵送中低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土和易性的手段，配制的混凝土強(qiáng)度等級(jí)越低，其流動(dòng)性越大，機(jī)制砂石粉含量宜控制越高。

機(jī)制砂中石粉含量在 5%～20% 之間，普通混凝土及高強(qiáng)度泵送混凝土均可采用機(jī)制砂配制，在嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量和嚴(yán)格按照配合比施工的前提下，配制的機(jī)制砂混凝土可以保證混凝土的和易性、流動(dòng)性、可泵性、強(qiáng)度等性能。

經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和比對，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度要比天然砂和混合砂的強(qiáng)度都要高，具體大約為：3d 約提高 30% 左右，7d 約提高 20% 左右，28d 約提高 10%左右，60d 和 90d 也有不同程度的提高。機(jī)制砂混凝土早期強(qiáng)度控制，在實(shí)際生產(chǎn)中 3d 約為標(biāo)準(zhǔn)抗壓值的60%～70%，7d 約為標(biāo)準(zhǔn)抗壓值的 85%～100%，28d在 120%～135% 之間。見表4。

表4 混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值 %

表5 耐久性能檢測結(jié)果

混凝土早期強(qiáng)度的提高并不影響混凝土性能，相反還能達(dá)到工程施工速度快，過早拆模帶來的一些弊端。

4 機(jī)制砂對混凝土耐久性的影響

由于原材品種和品質(zhì)的不同，應(yīng)對機(jī)制砂混凝土做耐久性試驗(yàn)，如安定性和抗?jié)B﹑抗凍的試驗(yàn)。筆者采用凈漿試餅﹑膠砂膠條和混凝土試塊相結(jié)合，對機(jī)制砂混凝土做了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果均能滿足普通混凝土有關(guān)要求。具體見表5。

以上試驗(yàn)均經(jīng)過沸水沸煮，沸煮試驗(yàn)時(shí)間不低于100 小時(shí)，浸泡時(shí)間長達(dá)10個(gè)月，均無發(fā)現(xiàn)對比試樣有明顯差異。

由于大量的石粉填充，使得混凝土的致密性進(jìn)一步提高。混凝土越密實(shí)，抗?jié)B抗凍性越好。有研究者認(rèn)為機(jī)制砂中的石粉只是惰性填充料，雖然不具有活性，但提高了混凝土的密實(shí)性，增強(qiáng)了水泥石與骨料界面粘結(jié)；而有人則認(rèn)為石灰?guī)r（主要成分為 CaCO3）石粉是具有活性的。石粉能加速 C3S 的水化，并與 C3A、C4AF反應(yīng)生成結(jié)晶水化物，能改善水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)，因此抗?jié)B性能得到提高。對于機(jī)制砂混凝土的抗凍融耐久性還缺乏系統(tǒng)的研究。綜合已有的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)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，從而改善了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，增加了混凝土的密實(shí)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)制砂與天然砂配制的混凝土一樣具有優(yōu)越的抗?jié)B性能。同時(shí)試驗(yàn)還表明，機(jī)制砂配制出的混凝土在抗凍性、抗?jié)B性、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕及抗碳化性能方面都優(yōu)于天然砂混凝土。

5 結(jié)語

走可持續(xù)發(fā)展道路，建設(shè)綠色生態(tài)環(huán)境，是我輩建設(shè)砼人為此奮斗的目標(biāo)。隨著國家基本建設(shè)的不斷深入和環(huán)境資源保護(hù)的日益加強(qiáng)，自然資源已不能滿足工程的需求，機(jī)制砂的利用和推廣是勢在必行。在本文只是對機(jī)制砂的特點(diǎn)和機(jī)制砂對混凝土拌合物性能的影響，以及硬化后混凝土的力學(xué)性能，耐久性等作了介紹，隨著機(jī)制砂應(yīng)用的不斷推廣，會(huì)對機(jī)制砂的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，會(huì)有更全面更權(quán)威的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。