蔣正武，吳建林

（ 同濟大學(xué)先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 200092）

0 前言

混凝土目前是人類最大宗的建筑結(jié)構(gòu)材料[1,2]。砂是混凝土的主要原材料之一，包括天然砂和機制砂。目前我國砂石年產(chǎn)量達20億噸以上。其中天然砂是一種地方性資源，短期內(nèi)不可再生，也不利于長距離運輸。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益發(fā)展，由于天然砂資源逐漸短缺、價格上漲，以及山區(qū)交通不便，公路建設(shè)材料運輸困難，同時出于環(huán)境保護的需要，應(yīng)用機制砂替代天然砂已成為混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種趨勢[3]。

從20世紀60年代起，因為一些建設(shè)工程的環(huán)境條件所限，我國水電、建筑部門就開始用當?shù)厥倪M行機制砂的生產(chǎn)工藝、技術(shù)性能和應(yīng)用于混凝土的研究，并開始在工程上使用。從70年代起，我國貴州省已在建筑上大規(guī)模使用機制出砂，并制定了地方標準。以后，云南、重慶、廣東、福建、浙江、河北、山西等省市都有了機制砂的生產(chǎn)線。幾十年大量的工程實踐，證明了使用機制砂在經(jīng)濟上是合理的，技術(shù)上是成熟的。國外，美、英、日等工業(yè)已達國家使用機制砂也有幾十年的歷史，將機制砂納入其國家標準的時間至少30年以上[4,5]。

貴州地區(qū)因資源與環(huán)境的限制，機制砂一直用于各類混凝土工程中[6～9]。2008年貴州頒布了《貴州省高速公路機制砂高強混凝土技術(shù)規(guī)程》（DBJ52-55-2008）地方標準，更進一步促進了機制砂在交通工程的廣泛應(yīng)用。機制砂也逐漸從普通混凝土向高強、高性能混凝土中應(yīng)用。

然而機制砂的材料特性與普通河砂有很大的區(qū)別，這也使得機制砂混凝土配合比設(shè)計、生產(chǎn)、施工等方面也存在差異。因此，本文結(jié)合貴州地區(qū)機制砂特點，分析了機制砂的品質(zhì)特點及在混凝土行業(yè)中應(yīng)用存在的問題，并提出相應(yīng)的對策建議，以期對我國機制砂的生產(chǎn)、管理及混凝土行業(yè)中應(yīng)用等方面起到借鑒與指導(dǎo)意義。

1 機制砂的品質(zhì)及其在混凝土中應(yīng)用中存在的問題

1.1 機制砂的級配

機制砂的級配一般呈現(xiàn)典型的“兩頭大中間小”的特點，其中大于4.75mm顆粒較多，一般2.36mm篩余可以高達40%，而小于0.075mm 的石粉顆?？梢愿叩?0%。如果不經(jīng)過處理，很難達到國家標準的要求。這主要是由機制砂的母巖品質(zhì)與機制砂生產(chǎn)工藝所決定的。不良級配導(dǎo)致采用機制砂配制的混凝土較為散，需要提高砂率增強粘聚性；此外，不良級配以及級配情況不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致混凝土狀態(tài)波動較大，保坍性差。機制砂優(yōu)點在于可以進行級配調(diào)整進而確保其質(zhì)量，但是增加工藝及成本導(dǎo)致在實際生產(chǎn)中很少有機制砂生產(chǎn)企業(yè)專門去調(diào)整級配。

1.2 機制砂的石粉含量

機制砂在生產(chǎn)過程中，不可避免地要產(chǎn)生一定量的石粉。機制砂中適量的石粉對混凝土是有益的，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，同時，它的摻入對完善混凝土細骨料的級配、提高混凝土密實性都有益處，此外有學(xué)者[10]提出石粉起到了晶核的作用，誘導(dǎo)水泥水化產(chǎn)物結(jié)晶，加速水化產(chǎn)物的生產(chǎn)，從而提高了強度。因此，在新國標中[11]，機制砂的石粉含量根據(jù)配制混凝土的強度等級分別定為3%、5%、7%。

實際工程中采用的機制砂，石粉含量一般是遠遠超過國標中的規(guī)定。經(jīng)過大量實驗表明，在機制砂的亞甲藍MB值滿足國標要求的情況下，石粉含量較高對混凝土沒有明顯的不利影響。對于機制砂中石粉含量應(yīng)該有個正確的認識，在亞甲藍MB值小于1.4時，可以適當放寬石粉含量的要求，沒有必要為了刻意降低石粉含量而采用水洗，導(dǎo)致大量細顆粒流失，嚴重影響混凝土的工作性及強度。如果必須采用水洗工藝，可以考慮摻入一定量的粉煤灰等摻合料以彌補機制砂細顆粒較少的不足。

標準對石粉含量要求嚴格，尤其對高強混凝土。實踐證明，適宜的石粉含量有利于混凝土的工作性與耐久性。關(guān)鍵是，在很多時候，因石粉中含泥量高導(dǎo)致混凝土拌合物性能不良，從而導(dǎo)致在很多混凝土工程中均限制石粉含量。

1.3 機制砂的含泥量

嚴格意義上來講，含泥量指標無法用來定量表征機制砂的品質(zhì)，因為在標準中，將天然砂中粒徑小于75μm的顆粒定義為泥，將機制砂中粒徑小于75μm的顆粒定義為石粉，通過亞甲藍試驗來檢測石粉中究竟是碎石破碎過程中形成的粉末還是泥土。亞甲藍試驗時，由于膨脹性粘土礦物具有極大的比表面積，很容易吸附亞甲藍染料，而細集料中的非粘土性礦物質(zhì)顆粒的比表面積相對要小得多，且并不吸收任何可見數(shù)量的染料，亞甲藍值表示用染料的單分子層覆蓋其試樣粘土部分的總表面積所需的染料量。亞甲藍值與粘土含量乘以粘土比表面的乘積成正比。因此，亞甲藍試驗可以定性的表征機制砂中含泥量的高低。

機制砂石粉中含泥量過高的話，對混凝土是有害的，不僅影響混凝土的工作性，而且還影響混凝土的強度及耐久性，應(yīng)嚴格限制其含量?？刂茩C制砂中含泥量方法大多采用水洗，但在機制砂的生產(chǎn)過程中宜把除土處理放在原料加工前進行，例如直接采用水洗后的碎石加工機制砂，加工后盡量保留和利用機制砂的石粉。

1.4 機制砂的表面形態(tài)

機制砂的表面一般較為粗糙、棱角尖銳。機制砂的表面形態(tài)導(dǎo)致在相同用水量的情況下，混凝土坍落度較低，但表面粗糙有利于加強細骨料和漿體之間的粘結(jié)，研究表明，用機制砂比天然砂水灰比放大0.05 后，配制的混凝土強度不但不降，反有提高。

機制砂的表面形態(tài)受生產(chǎn)設(shè)備與工藝的影響較大。沖擊式破碎機生產(chǎn)機制砂粒型呈圓型顆粒狀，粒型較好，并利用圓錐破碎機對機制砂產(chǎn)品細碎整形，可以改善機制砂的表面形態(tài)，提高機制砂的質(zhì)量。

1.5 機制砂與外加劑的匹配問題

機制砂在配制添加外加劑的混凝土?xí)r，對外加劑的反應(yīng)比天然砂敏感。國內(nèi)外大量研究表明，聚羧酸減水劑（PCE）對粘土非常敏感，主要是因為PCE的支鏈插入了粘土中，導(dǎo)致其在粘土表面吸附量很大，成為PCE推廣應(yīng)用過程中的難題?，F(xiàn)在的解決辦法主要是在PCE分子結(jié)構(gòu)上增加一些對粘土選擇吸附的支鏈，或者選擇加入一些高價陽離子，使得粘土吸附飽和，從而減少對PCE分子的吸附。因此，嚴格控制機制砂的含泥量可以提高機制砂與外加劑的適應(yīng)性。

2 機制砂生產(chǎn)與應(yīng)用建議

2.1 機制砂生產(chǎn)工藝

良好的機制砂品質(zhì)應(yīng)是級配良好、適宜的石粉含量、含泥量低、粒形合理。要制備出良好的機制砂應(yīng)選用合理的機制砂生產(chǎn)工藝。

機制砂制備的關(guān)鍵技術(shù)在于塊石的破碎粉磨和洗砂除粉，生產(chǎn)工藝流程可分為以下幾個階段：塊石→粗碎→中碎→細碎→篩分→除粉→機制砂[12～14]。在實際生產(chǎn)中廠家根據(jù)自己的生產(chǎn)形式對多級破碎進行調(diào)整，質(zhì)量有好有差，差別較大，機制砂的破碎環(huán)節(jié)決定了機制砂的細度模數(shù)、級配以及顆粒形狀等。此外，根據(jù)機制砂除粉的方式可以分為濕法生產(chǎn)和干法生產(chǎn)，前者是通過洗砂機水洗的辦法除掉機制砂中的泥和石粉；而干法生產(chǎn)工藝就是通過除塵器收塵或砂石粉分離機的辦法除掉機制砂中的泥和石粉，該環(huán)節(jié)對機制砂的石粉含量、含泥量以及泥塊含量，甚至級配等影響較大。目前國內(nèi)機制砂生產(chǎn)主要有3種形式[15]，一種是開礦產(chǎn)石的同時專門生產(chǎn)機制砂，質(zhì)量較好，數(shù)量少；一種是在河道里用卵石生產(chǎn)機制砂，或配以少量天然砂生產(chǎn)混合砂，質(zhì)量有好有差，差別較大，數(shù)量也少；再一種是利用各種尾礦生產(chǎn)的機制砂，其中主要是各地生產(chǎn)石灰石碎石后的石屑或石粉，經(jīng)過簡單再加工和篩分，或直接利用，質(zhì)量有好有差，差別很大，數(shù)量達近萬家。

目前，大多數(shù)機制砂生產(chǎn)工藝簡單，無法確保產(chǎn)品品質(zhì)。現(xiàn)階段對于機制砂生產(chǎn)管理水平低下，大多僅僅是將碎石破碎后的尾礦經(jīng)簡單篩分后作為機制砂，不僅沒有后續(xù)的除粉環(huán)節(jié)，而且也缺乏相關(guān)基本指標的檢測，這也導(dǎo)致《建筑用砂》標準在實際生產(chǎn)中很難執(zhí)行。加強機制砂的管理是提高其品質(zhì)的關(guān)鍵措施，各地相關(guān)部門應(yīng)該提高認識，加強生產(chǎn)管理，尤其是重要技術(shù)指標的控制。

2.2 機制砂混凝土配合比設(shè)計

按天然砂的規(guī)律進行混凝土配比設(shè)計[16]，機制砂的需水量大，和易性稍差，易產(chǎn)生泌水，特別在水泥用量少的低強度等級混凝土中表現(xiàn)明顯；因此，采用機制砂配制混凝土?xí)r，應(yīng)該適當提高砂率、增大水膠比，保證混凝土的工作性。此外，也可以將機制砂中大于4.75mm 的顆粒和部分4.75～2.36mm顆粒算作碎石組分，進行混凝土配合比設(shè)計更為妥。

另外在機制砂混凝土配合比試驗調(diào)整中，也應(yīng)充分考慮機制砂中石粉含量與含泥量等因素的影響。

2.3 加強機制砂混凝土在重大工程中應(yīng)用示范與指導(dǎo)

全面推廣應(yīng)用機制砂混凝土的關(guān)鍵在于工程應(yīng)用示范。相關(guān)科研機構(gòu)應(yīng)從工程實際需求出發(fā)，研究并制定各類混凝土工程應(yīng)用施工技術(shù)指南、應(yīng)用技術(shù)規(guī)程等技術(shù)文件。相關(guān)機構(gòu)應(yīng)在各地區(qū)的重點工程，如高速公路、橋梁、水電工程等全面推廣機制砂高性能混凝土，加強整個項目的技術(shù)指導(dǎo)與監(jiān)控，為整個混凝土行業(yè)起到很好的示范作用，從而全面提升機制砂混凝土的應(yīng)用水平。

3 結(jié)語

機制砂的推廣應(yīng)用是混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。目前，貴州地區(qū)機制砂普遍存在級配不良、石粉含量高、含泥量高等特性，根本是由機制砂的生產(chǎn)工藝所決定。在混凝土中應(yīng)用需正確認識這些材料特性對混凝土性能帶來的影響，并應(yīng)作出相應(yīng)的調(diào)整。要大力推廣機制砂，需要從各個方面加強工作：正確認識機制砂品質(zhì)特點、加強機制砂混凝土應(yīng)用相關(guān)的研究工作、提高機制砂產(chǎn)品質(zhì)量與品質(zhì)，加大機制砂宣傳與導(dǎo)向，是促進機制砂在混凝土行業(yè)中健康、持續(xù)中發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵。

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