中铁五局集团第二工程有限责任公司
摘要：当前阶段，由于我国社会经济日新月异的飞速发展，加之城市化进程的脚步持续加快，使得我国加大了对各项基础设施建设的力度，在经过一系列的努力中，当前我国的各项基础设施建设得以持续的完善，在这个建设过程中，将会应用到大量的建筑砂，据统计，我国每一年使用建筑砂的数量在世界上均位于前几名，据不完全统计，每年大约消耗量为50亿m3。而作为一种非再生资源，天然砂在我国呈现不均匀的分布，而且在实际进行开采时，若缺乏一定严格的管理，则将会严重的破坏到自然环境。若要实现对环境、资源、自然的良好保护，并能够有效降低施工成本，提高使用性能，则最佳的途径就是最大程度的降低对天然砂的应用，则可以通过使用机制砂来代替天然砂作为主要的施工原材料，这样，才可以切实实施可持续的发展。为此，本文对高性能混凝土中机制砂的有效应用进行了研究，旨在能够为相关业界人士提供一定有价值的参考。
关键词：机制砂；高性能混凝土；应用
一、前言
过去建设中通常都会大量的应用天然砂，而在我国天然砂作为一种非可再生资源，具有分布不均匀的特点，若过度开采天然砂的同时而没有严格的管理，就会使自然环境遭受到严重的破坏，想要实现对我国自然环境的保护以及节约有限的能源和资源，用机制砂作为主要骨料，取代对天然砂的利用，不仅可提高混凝土其性能，同时也降低了施工成本，最终为实现可持续发展奠定基础。
二、工程概况
新建云南杨柳至宣威高速1标段起点里程为K25+820。路线由北向南布置，沿线设路基段及可渡河特大桥、毛家地大桥、天生洞大桥、贺堡田大桥、吕家冲大桥，于毛家地设省界主线收费站及可渡互通（连接宣可公路），沿安那河东侧山体布置，经吕家冲（设隧道）、白草坪（设1#、2#、3#号大桥），终点位于黄泥地，终点里程为K33+400，主线路全长7519m。由于地理位置的偏远，全管段根本找不到河砂，根据现场实际情况决定施工时只能采用机制砂为代替河砂。
三、机制砂概述
机制砂经除土开采、机械破碎、筛分制成的岩石颗粒，通常粒径都小于4.75 mm的中粗砂，其作为一种集料是从岩石、鹅卵石、尾矿中提炼出来的，并通过磨研而制作成砂料。在生产机制砂时，通常应用的鹅卵石都是来源于河道，因此就可能会携带大量的泥沙和天然砂，从而导致磨制出来的机制砂质量也有很大的不同。通过尾矿生产机制砂主要是加工其中的生石灰和碎石块，通过一定的筛分处理，会使得机制砂的质量差异较大，通常有较大的颗粒并且会含有很多的石粉，和天然砂相比表面缺乏细腻。但由于天然砂的资源缺乏，运距较远，增大运输费用，很多地方在配制混凝土时，需要加入适量的机制砂，特别是性能高的混凝土更需要加入，因为该类混凝土的柔韧度、强度、耐久性、稳定性都很好，所以，和天然砂配制的混凝土相比较，还具有经济实惠的优点。
（一）机制砂的外观
通过对天然砂和机制砂的比对试验，我们可以看出，天然砂有较为圆润的颗粒，主要是由于其是通过自然环境而形成的，机制砂却是通过机械研磨形成，因此是较为尖锐的颗粒，并且棱角十分明显，通常其外形是多角或三角体，此外，另一部分机制砂也会呈现出相应的片状颗粒。我们还知道，在同水泥用量、同坍落度的条件下，天然砂与机制砂在对混凝土进行配制时，混凝土强度比天然砂高。利用天然砂和花岗岩机制砂对混凝土进行配制的时候，我们可以发现，配合比相同的条件下，想要实现相同的坍落度，利用棱角比较明显的花岗岩机制砂进行配制过程中需要使用更多的减水剂，而且各龄期的抗压强度还有力学性能都比天然砂各方面都有更多的优势。
（二）机制砂粒径
一般而言，机制砂的粒径都小于4.75mm内的颗粒，粒径在 75μm 内并且与母岩有相同的组成成分，则就可以叫做石粉。一般状况下，其颗粒的粒径在150μm 以内和 2.36mm 以上的居多，在中间的颗粒就很少。另外，在磨制时最科学合理的方式就是尽可能把机制砂的细度模数控制在2.6 ~ 3.7 之间。一旦细度模数过低，就会导致石粉含量太高或颗粒太多，一旦细度模数偏高就会导致混凝土缺乏一定的黏聚性。
（三）机制砂中的石粉
我们知道，机制砂是母岩通过一定的工序破碎后形成的，因此，里面会包含相当量的石粉，若加入的比例合适则有利于混凝土性能的提升。另外，石粉还具备相应的微滚珠作用，因此，在骨料中发挥着减轻摩擦的作用，使得混凝土的坍落度极大的降低，并使混凝土的工作性能加以提升。经过水化反应，石粉也能够发挥出一定的微集料填充与晶核作用，在一定程度上利于水化产物的结晶，并能够有效填充混凝土施工中出现的孔隙，从而使混凝土密实度极大获得提升，在降低有害孔隙出现概率的同时，也可以提高混凝土的抗渗性能和强度，改变混凝土结构。通过相关实验可知，当机制砂的MB值低于1.4时，就可以使其中的石粉含量到达10.5%，并且同一范围内制备的机制砂混凝土的抗渗性能、弹性模量、强度均明显优于天然砂。
（四）机制砂使用现状
和天然砂相比，机制砂的优势更明显，机制砂消费量趋势图如下图4-1，因含有少量的有害杂质，且清洁没有淤泥，完全符合生态标准，具有质量好、成分稳定、级配好等优点，对它的需求量呈现逐年增加的趋势，另外，可以通过生产工艺来控制细度模数，并且需要结合用户需要对机制砂组织生产。当前因为基础设施建设中在广泛的应用着机制砂，不仅用机制砂砂配制了从C10到C100的普通混凝土，而且用机制砂配制了高性能泵送混凝土。强度为C100的机制砂混凝土在90天内具有较高的实际强度，其强度在实际应用中可达155MPa，比别的其他工程的要求更高。通常机制砂生产均会应用自产自用的方式，并一般会在偏远地区的公路、铁路及水利工程使用机制砂。由于机制砂具有一定优良特性，有很好的稳定性，并可控性好。而应用的河砂细度模数和含泥量无法保证其长期稳定，应用机制砂可以更好地控制混凝土质量，降低施工成本，为此目前使用机制砂代替天然河砂是发展的必然性。
图4-1 机制砂消费量趋势图
（五）机制砂生产过程中存在的问题
机制砂的应用在质量和数量上，取代天然砂的比例较小。尽管最近一些年来，机制砂行业发展较为迅速，但是在市场份额中，机制砂的比重远不如其他材料大。在传统观念的影响和制约下，使机制砂的开发和应用受到了严重的影响，并进一步使得机制砂的推广备受影响。所以，不管数量亦或是质量上，机制砂代替天然砂的比例都不为看好；对石粉影响机制砂的作用未充分认识清楚。因为机制砂在推广使用中也会受到机制砂石粉含量的影响，多数人就石粉方面对机制砂发挥的作用未进行充分认识，加之机制砂的生产工艺，在生产中也会受到诸多因素的影响，致使最终的生产工艺较低。当前的生产方式会导致环境污染，不但有粉尘污染，同时也会产生一定的噪声污染。机制砂在高性能混凝土中的应用与普通砂相比还有明显不足，但机制砂在普通混凝土中的应用大于高性能混凝土，且有很大的差别，因这个行业的进入门槛很低。大部分机制砂生产企业多数都是由中小型无规模企业生产的，产品质量好坏参差不齐，整体不理想，行业集中度较低，专业性不强，加之行业布局缺乏一定的合理性，最终使得机制砂的应用、发展备受限制。由于机制砂颗粒级配不佳，特别是大于2.5mm与小于0.08mm的颗粒显著高于天然砂，加之级配波动大，同时混凝土和易性常发生不同的改变，无法进行掌控；另外，混凝土外观质量也易发生缺陷。应用机制砂单独配置水泥混凝土会在一定程度上增加水泥用量，将无法掌控成本。如果机制砂中含有大量的石粉则会严重的影响到和混凝土的弹性模量和强度，并且混凝土的弹性模量和强度会随着石粉含量的增加而降低。
（六）机制砂在杨宣高速公路工程中的应用
杨宣高速公路一标段因该项目以桥梁工程为主，本文着重就桥梁桩基C30高性能水下混凝土配制过程中的机制砂的使用情况进行简要分析说明。
1.原材料情况
（1）水泥：曲靖市宣峰水泥有限责任公司（P.O42.5水泥）；
（2）砂：杨柳镇青石坡石场（机制砂）；
（3）碎石：杨柳镇青石坡石场（5～31.5mm连续级配碎石，采用三级（5-10mm25%：10-20mm40%：16-31.5mm35%）掺配）；
（4）粉煤灰：宣威发电粉煤灰开发有限责任公司（F类Ⅱ级）；
（5）减水剂：山西黄河新型化工有限公司（聚羧酸高性能减水剂）；
（6）拌合用水：拌和站拌和用水；
以上原材料各项性能指标均满足现行规范要求，其中，机制砂细度模数3.6，级配属I区，为I区粗砂，尖棱状偏少，粒型较好。
2.配合比试配
配合比按《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011中混凝土配合比的计算步骤进行计算，因机制砂为I区粗砂，为满足混凝土工作性要求，砂率应比使用河砂的砂率高3-5%，故初步选取0.41作为初始水胶比，45%砂率作为初始砂率进行配合比试配，同时采取上下浮动0.02个水胶比，砂率相应增减1%来优化配合比，不同水胶比配合比每方材料用量见表6-1。
根据混凝土拌合物性能及混凝土抗压强度、耐久性指标试验结果等，综合现场施工工艺，施工水平和施工成本等多方因素考虑，选定0.41水胶比混凝土配合比作为正式的施工配合比。
综上所述，在进行机制砂高性能混凝土配合比设计及试拌时，应充分考虑机制砂细度模数偏大对混凝土工作性及耐久性的影响，适当提高砂率，控制机制砂粒型是解决上述问题较好的途径。
3.结果分析与评价
从上述结果可以看出，机制砂配制的C30高性能水下混凝土，其拌合物性能，力学性能，耐久性能完全可以满足现行规范的要求，机制砂混凝土甚至可以媲美河砂的使用效果，甚至较河砂而言可以改善混凝土的性能。其对混凝土的影响机理如下：
（1）机制砂岩性为石灰岩，石灰岩的主要构成物质为碳酸钙，碳酸钙可以与水泥矿物中的C3A反应生成水化碳铝酸钙，且机制砂中的碳酸钙还可抑制水化早期形成的钙矾石在后期向单硫型硫铝酸钙的转化，有助于水泥石强度的提高。且碳酸盐含量越高，对其水泥初期水化放热促进效果越显著。
（2）机制砂中含有的少量石粉与水泥粒径粒度分布基本相同，适当的石粉有利于降低自由水所形成的孔隙率，提高混凝土的密实性和强度，且不会吸附外加剂，对混凝土的性能有促进作用。当石粉含量过高时，水泥石中或界面过渡区出现游离态石粉，则不利于集料与水泥石的粘结，降低混凝土强度。
四、机制砂高性能混凝土质量控制措施
（一）延长混凝土拌合时间
为了使混凝土搅拌更加均匀，则需要对混凝土的搅拌时间进行延长，这样才会使混凝土的和易性提升，和河砂相比较，机制砂缺乏一定的光滑和圆润，因此，一般状况下，在进行搅拌时，均要将时间延长约2.5~3分钟，从而使混凝土的和易性得以有效增加。
（二）机制砂混凝土拌合及运输
在配置混凝土时，要有效缩短运输距离，则需要对施工现场的具体环境和施工的便利条件进行充分考虑，从而做出最科学合理的运输路线选择，在进行运输时需要最大程度防止混凝土出现离析情况，对混凝土的运输时间进行良好的把控，通常最好要低于30分钟。在进行运输时，既要防止出现离析情况，另外还要防止出现泌水、漏浆和坍落度损失等情况发生，同时在向施工场地进行输送时要保证规定的坍落度。在具体操作时，需要应用少停留、快装运和少倒运的方法使混凝土的坍落度损失降低，另挖，还需要确保施工现场有准确的报检时间，要不然就可能出现因无法及时浇筑而使混凝土的耐久性和外观质量备受影响。
（三）对机制砂混凝土加强振捣和养护
和河砂相比较，机制砂缺乏一定的流动性，并且还有很大的粘聚性，则就要对其的振捣操作进行加强，从而使混凝土的均匀性和密实性更好的得以保证。在进行实际振捣时，振动器的合理选用应充分结合混凝土截面尺寸、结构形式和深度的要求进行，从而确保混凝土的振实程度更加，防止出现过振、漏振和欠振的情况。若碰见钢筋密集区，亦或存在预埋件不好实施浇筑，那么就需要提前对特殊的施工技术进行定制，从而能够有效保证振捣作业可以有效完成。因机制砂有较大的水分含量，会过快的散失，因此，在完成浇筑12小时内就需要进行洒水与覆盖养护，且要养护坚持14天及以上时间，才能够使混凝土的质量和强度得以充分的保证。
五、结语
综上所述，机制砂为中粗砂，粒径小于4.75 mm，细度模数为2.6-3.8 mm。通常从卵石、矿石和尾矿中提取，能有效提高混凝土配制过程中的稳定性、耐久性、抗压性能和柔韧性。在具体操作过程中，必须控制机制砂中石粉的含量，改进加工工艺，保证机制砂生产的质量，同时将混凝土的质检工作做好，才能最大程度使混凝土的结构实现稳定。
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论文作者:张德树
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
标签：机制论文; 混凝土论文; 强度论文; 颗粒论文; 性能论文; 水泥论文; 粒径论文; 《基层建设》2019年第8期论文;