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(jī)制砂替代是不可避免的。本文對(duì)機(jī)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(rùn)滑等，同時(shí)也是混凝土骨架的主要組成部分，所以有的行業(yè)稱(chēng)作“細(xì)集料”，有的稱(chēng)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(shuō)，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(lái)越大，天然河砂逐漸被消耗殆盡。無(wú)序的河砂采集甚至是盜采對(duì)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(lái)國(guó)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(jià)格猛漲，但砂子質(zhì)量卻很差。有媒體用“哀鴻遍野”來(lái)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(jī)制砂領(lǐng)域。

1.2 機(jī)制砂的市場(chǎng)應(yīng)用情況

由于天然河砂不可再生，使人們對(duì)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(shuō)的機(jī)制砂成了必然選擇。其實(shí)機(jī)制砂在歐美和日本以及我國(guó)的上海、深圳、重慶等地早有應(yīng)用，關(guān)中地區(qū)起步相對(duì)較晚一些。

我國(guó)在上個(gè)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(lái)配制混凝土，許多交通、橋梁工程也用了機(jī)制砂，如重慶嘉陵江黃花園大橋。但是，由于前期機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝和性能控制不夠規(guī)范，大多采用機(jī)制砂和天然河砂搭配來(lái)完成。后期經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)，機(jī)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(duì)能否全用機(jī)制砂配制高性能混凝土仍有一些顧慮。

2 機(jī)制砂的特性分析

2.1 機(jī)制砂的特點(diǎn)

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(zhǎng)期受到水流沖刷，基本上呈球形，具有顆粒表面比較圓潤(rùn)的特點(diǎn)，在相同條件下，相對(duì)于機(jī)制砂混凝土，用符合質(zhì)量要求的河砂配制的混凝土流動(dòng)性比較好。機(jī)制砂屬于人工砂，是采用機(jī)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(jī)制砂由于機(jī)械的強(qiáng)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(jī)制砂由于加工過(guò)程中有整形環(huán)節(jié)，所以，它與采石場(chǎng)加工碎石時(shí)通過(guò)篩分留下來(lái)的石屑是不同的。機(jī)制砂雖然相比天然河砂有許多缺點(diǎn)，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(jī)制砂有利的一面。

2.2 機(jī)制砂母巖的選擇

什么樣的巖石加工的機(jī)制砂適合高性能混凝土生產(chǎn)？機(jī)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(yè)巖的。不同的巖石種類(lèi)制成的機(jī)制砂強(qiáng)度有很大的差異。目前經(jīng)常見(jiàn)到的機(jī)制砂種類(lèi)主要有花崗巖機(jī)制砂和石灰?guī)r機(jī)制砂，兩者相比較，使用石灰?guī)r的機(jī)制砂更普遍一些。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r的機(jī)制砂由于母巖的硬度較花崗巖小，破碎后的顆粒在長(zhǎng)、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(jī)制砂的棱角性過(guò)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(dòng)性更差，同比外加劑的摻量也更大。專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)，石灰石機(jī)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(qiáng)混凝土的強(qiáng)度?？梢允褂檬沂鄞娌糠謸胶狭蟻?lái)改善混凝土的密實(shí)性及和易性。當(dāng)然，關(guān)于機(jī)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(jī)制砂普遍存在的問(wèn)題

（1）粒形不好，片狀顆粒過(guò)多。（2）細(xì)度模數(shù)偏大。有一個(gè)砂場(chǎng)給送的機(jī)制砂樣品的細(xì)度模數(shù)達(dá)到3.8。（3）級(jí)配不良，顆粒級(jí)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(jī)制砂石粉含量對(duì)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(jī)制砂里的膨脹性黏土含量超標(biāo)，對(duì)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(méi)有純用機(jī)制砂的原因之一。

2.4 高性能混凝土對(duì)機(jī)制砂的要求

高性能混凝土生產(chǎn)需要什么樣的機(jī)制砂呢？除了上面所說(shuō)傾向于用石灰?guī)r的機(jī)制砂外，主要是選擇機(jī)制砂粒形良好、針片狀含量低、自然級(jí)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(qiáng)度等級(jí)在 C40 以上的混凝土石粉含量控制在10% 以下，強(qiáng)度等級(jí)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(jī)制砂與水泥石粘結(jié)力強(qiáng)、石粉能利用的特點(diǎn)。這樣，性能優(yōu)良的機(jī)制砂拌制的混凝土需水量小、水泥用量較少，混凝土密實(shí)性好、工作性能好，不僅強(qiáng)度高而且耐久性好，可以節(jié)約成本，也具有一定的社會(huì)效益。有的砂石企業(yè)認(rèn)為自己的機(jī)制砂產(chǎn)品能夠滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，就是質(zhì)量最好的砂子，其實(shí)眾所周知，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)只是最低要求，要想生產(chǎn)精品機(jī)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(lái)的機(jī)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(jī)制砂中的石粉對(duì)高性能混凝土的影響

對(duì)于機(jī)制砂中石粉對(duì)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(gè)共同的看法是：機(jī)制砂中的石粉比例含量存在一個(gè)最佳值，在這個(gè)值以下時(shí)，石粉含量越高，混凝土工作性能越好；超過(guò)這個(gè)值，石粉就會(huì)對(duì)混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響。當(dāng)然，不同品種的機(jī)制砂在不同的強(qiáng)度等級(jí)混凝土中這個(gè)值是不同的。

在配制低強(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)度富余系數(shù)過(guò)高的現(xiàn)象，如果利用機(jī)制砂中的石粉就可以補(bǔ)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(jī)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(shí)，對(duì)混凝土的抗?jié)B性和耐久性均有增強(qiáng)的作用。混凝土的單位密度隨著石粉含量（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(shí)可降低混凝土的開(kāi)裂幾率。

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

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

1.4≤MB≤2.0 時(shí)，說(shuō)明石粉中含有較多的粘土顆粒，對(duì)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(guò)調(diào)整減水劑用量等方法來(lái)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(qiáng)度等級(jí)混凝土中膠凝材料用量較少導(dǎo)致的使和易性差的問(wèn)題，使強(qiáng)度和耐久性滿足要求。如果 MB 值超過(guò)2.0，說(shuō)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(jiǎn)稱(chēng) 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(jì)上，為了適應(yīng)高耐久、高強(qiáng)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(dòng)性好、易振搗密實(shí)、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(qiáng)度和后期強(qiáng)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(jì)性等。總之，具有良好的綜合技術(shù)性能，能滿足各種工程結(jié)構(gòu)的使用要求。

4 機(jī)制砂高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)思路及配合比優(yōu)化

4.1 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)需遵循的基本定則

高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)仍然需要遵循傳統(tǒng)預(yù)拌混凝土配合比設(shè)計(jì)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(shí)度定則，通過(guò)調(diào)整砂石級(jí)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(shí)度；最小用水量定則，在滿足拌合物流動(dòng)性和水泥水化要求的前提下，用水量宜控制在 180kg/m3以?xún)?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(guò)試驗(yàn)確定外加劑的合理用量，最后通過(guò)試拌，反復(fù)驗(yàn)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(jì)的方法

截至目前，在國(guó)際、國(guó)家層面，仍沒(méi)有統(tǒng)一的機(jī)制砂高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)規(guī)程，本人在多年的混凝土工作、實(shí)踐中摸索出自己的一套機(jī)制砂高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，與同行一起分享。

在高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)中，有一個(gè)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(qiáng)度等級(jí)，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(jì)算出摻合料對(duì)膠凝材料的強(qiáng)度貢獻(xiàn)系數(shù)，計(jì)算出水膠比；然后再計(jì)算出膠凝材料漿體的平均密度，根據(jù)強(qiáng)度等級(jí)和經(jīng)驗(yàn)假定該強(qiáng)度等級(jí)所需要的合理的漿體體積，計(jì)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(jì)算法設(shè)計(jì)配合比中關(guān)于砂率的計(jì)算方法，求出砂石用量（注：該方法有個(gè)瑕疵，沒(méi)考慮砂子的表面狀態(tài)及細(xì)度模數(shù)對(duì)砂率的影響）。設(shè)計(jì)混凝土的初步配合比，根據(jù)日常試驗(yàn)結(jié)果，初步確定外加劑的摻量，通過(guò)流動(dòng)性的試驗(yàn)調(diào)整，確定基準(zhǔn)配合比，再經(jīng)過(guò)強(qiáng)度與耐久性試驗(yàn)調(diào)整，確定試驗(yàn)室理論配合比，最后通過(guò)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(jī)制砂在高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

機(jī)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(duì)于工程特點(diǎn)和使用環(huán)境具有很強(qiáng)的針對(duì)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(guò)程控制和整個(gè)規(guī)范的施工過(guò)程來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。作為預(yù)拌混凝土企業(yè)，前兩項(xiàng)是必須控制的重點(diǎn)。機(jī)制砂高性能混凝土在施工過(guò)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(qiáng)度滿足要求，具有高抗?jié)B能力，使用壽命長(zhǎng)；對(duì)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(jī)制砂高性能混凝土的主要目的。在機(jī)制砂實(shí)際應(yīng)用中，由于機(jī)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(jī)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(jí)配合理的砂子，操作也比較靈活簡(jiǎn)單，能保證混凝土質(zhì)量的穩(wěn)定性。但是如果對(duì)機(jī)制砂的加工工藝嚴(yán)格控制，符合上述要求的機(jī)制砂完全可以不用添加天然砂?？紤]到機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)、表面狀態(tài)和石粉含量，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)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(jī)制砂混凝土的砂率比河砂高 2%～3%。關(guān)于機(jī)制砂混凝土水膠比計(jì)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(méi)有提供，但根據(jù)同濟(jì)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(dòng)度狀態(tài)下，機(jī)制砂混凝土強(qiáng)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(duì)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(jī)制砂高性能混凝土的生產(chǎn)應(yīng)用

試驗(yàn)采用的機(jī)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(jī)制砂的顆粒形狀有所不同外，其他指標(biāo)檢測(cè)與天然砂無(wú)太大區(qū)別。表 1 為機(jī)制砂的篩分結(jié)果。

表1 機(jī)制砂篩分結(jié)果

試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為 C50，設(shè)計(jì)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(jì)要求。

表2 C50 混凝土配合比及性能

通過(guò)以上試驗(yàn)機(jī)制砂代替河砂的試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，且比天然砂配制的混凝土強(qiáng)度高出 1.3MPa。在坍落度損失方面，通過(guò)對(duì)外加劑的調(diào)整來(lái)保持坍落度在 2h 以上，目前批量的應(yīng)用到生產(chǎn)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足高性能混凝土質(zhì)量要求，通過(guò)以上試驗(yàn)表明全部用機(jī)制砂代替河砂的方案是有效可行的。選用良好級(jí)配的機(jī)制砂來(lái)達(dá)到綠色、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的目的結(jié)果。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜合所述，機(jī)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(duì)強(qiáng)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(jī)制砂母巖的特性、表面狀態(tài)、石粉含量對(duì)混凝土性能的影響。合理的漿骨比仍是機(jī)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(yàn)收，涉及原材料、設(shè)計(jì)、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(yàn)收方法。