机制砂混凝土的配比设计及应用研究

朱文平

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730050）

机砂砼的特点不仅价格便宜，而且施工也很方便，因此许多施工单位在生产中大多采用机砂砼进行配比。随着机制砂在桥梁工程中的广泛应用，尤其是大体积现浇箱形梁体系，为保证每种配料在配比时均能保证最佳配比，必须对机制砂混凝土进行反复试验，使其符合要求。由于机制砂在配比过程中的组成比较复杂，石粉含量极高会使机制砂的性能受到一定的影响，因此在对其含量的选择上一定要谨慎。采用机制砂配合天然砂制作T 型箱梁抗弯承载力试验，研究发现：两种材料制成的T 型箱梁抗弯性能指标差异不大；砂混凝土有相似的力学性质，鉴于机制砂砼具有良好的延性、抗裂性，可替代普通砂砼[1]。目前，人们对机制砂混凝土的石粉含量进行了优化研究，但是机制砂的研究成果被广泛地应用于混凝土工程，这一点也存在争议，但是，机砂混凝土能否成功应用，对于桥梁工程，尤其是大体积混凝土工程，仍有许多问题需要深入研究。

1 概述

机制砂是一种粒径小于4.75mm 的石料。机制砂与河砂完全不同，不同地区的人工砂技术性能也可能完全不同。此外，实践表明，人工砂对混凝土和易性有很大影响。为了使机制砂混凝土达到设计要求，有必要通过试验确定其对机制砂混凝土性能的影响，为机制砂混凝土的制备和施工提供参考。

2 机制砂试配情况以及突出问题

从目前的原材料形态和市场价格来看，根据本公司机制砂（干砂）的使用和实际使用情况，通过新标准，大规模生产机制砂具有以下特点：规模化生产，成本低；粉料可控，无泥，无水，混凝土状态良好，成型后强度高，有很大潜力降低粉末成本。通过对大量研究资料的分析可知，配制机制砂混凝土的工作性能和收缩变形性能与天然砂相同，其力学性能也与天然砂相当，混凝土的密封性能和碳化性能略优于市售可洗砂混凝土。因此，用机械砂（水洗或烘干）生产预拌混凝土是可行的。但是，在市场机制中拥有最终话语权的制砂企业生产规模参差不齐，有的是小作坊，缺乏统一的市场监管，追求利润最大化，产品质量标准有最终决定权。一方面，大型环保砂生产线投资较大。近年来，一些集团公司投资建设环保干法人工砂生产线，可生产出符合要求的混凝土砂。但由于市场竞争因素的影响，人工砂的质量优于水洗机制砂，但不能满足全人工砂混凝土生产的需要。因此，工程的整体施工质量难以达到预期的施工任务，因此，在一定程度上影响了工程的整体施工效率[2，3]。

3 原料特性

3.1 水泥

采用符合普通硅酸盐水泥标准。混凝土强度等级不低于P42.5，砂浆强度等级不低于50MPa。氯离子含量应控制在标准浓度的0.03%、0.6%和28%以下。C40、C40 混凝土强度宜选用质量稳定、残余系数大的水泥[2]。石粉含量小于0.075mm 的机械砂的用水量远大于河砂，需要大量的水来保证混凝土的流动性。因此，使用的水泥应具有相同的强度和其他坍落度。与其他水泥相比，单层水泥的水灰比可以更高。同一强度等级的混凝土，降低水泥用量可降低水化热，对混凝土的施工有很大的帮助。

3.2 机制砂

未用的岩土、风化层、强烈风化的岩石等在开采前必须清除。混料的含量以及混凝土强度和坍落度及崩落率损失都会受到泥浆用量的影响[4]。为了避免使用次品机械砂进行施工就必须要在开采机制砂期间注意不要混入太多的泥土。机制砂的力学性能受力学破坏影响。机械砂固结度可用压碎值来表示，而压力失效值不应超过30%。机械式砂粒与自然砂粒的最大区别在于自然砂粒较圆，其表面平滑，便于混凝土使用及加工。机器的沙子很锋利，边缘有很多棱角。粗粒面对水泥骨料有利，也会对混凝土的工作性能产生影响。实际上的生产过程,按混凝土强度等级及时调整，而细度模数则严格控制，细度模数宜在3.10～3.30。

3.3 砾石

在生产过程中，要严格控制含泥量和含泥量，特别是在雨季，雨水冲刷岩石表面时，夹带着大量的包土带状岩石，然后直接送到破碎车上。外开孔会产生大量不适合混凝土生产的土壤。浆体含量对人工砂混凝土强度有重要影响。测量值和测量值之间有很大的差别。大部分原因是砾石过多。如果产生的砂和机砂处于同一位置，则覆盖在砾石表面的石粉也应加以保护。C50 混凝土中使用的碎石应清理干净。砾石是混凝土的骨架材料，应具有良好的韧性。测定了材料中ak0+000 部分的破碎度，破碎值为6.7%～8.4%。

3.4 混合水

机械搅拌用水和固化水必须符合《混凝土水质标准》（jgj63）。高掺量的机砂粉会增加混凝土的收缩，引起裂缝。因此，机制砂混凝土浇筑脱模后应立即采取排水和养护措施，防止机制砂混凝土结构在高温下出现裂缝[5，6]。

3.5 聚羧酸系高效减水剂对石粉机理砂敏感

石粉末的粒度对加工性能影响很大。聚羧酸型砂混凝土高效减水剂的减水率不得低于20%。对C50 机制砂砼及泵送型高坍度混凝土，应使用高性能聚羧酸减水剂，确保1h 内坍落率损失小于30mm。使用减水剂要使水泥具有良好的适应性。搅拌机打磨时应避免黄浆、地板结、发黑发泡等不良反应。由于机制砂砼的孔隙率大，有很多气泡，减水减气剂应加入。萘减水剂工艺性能不如聚羧酸，建议选择性能较好的减水剂。减水率较高。掺量为1%时，各品牌水泥的减水率可达26%。

3.6 矿物掺合料

粉煤灰、矿渣粉、磷渣粉、微硅粉是机制砂混凝土的主要掺合料。通过大量的试验研究发现，当单面机工作时，混凝土中微硅粉的掺入量很小，达不到工作强度，不建议单独使用。对于总胶凝材料不超过520 kg/m3的粉煤灰混凝土，建议采用过量替代法配制。

4 机制砂混凝土配合比优化设计

4.1 严格控制大颗粒的含量

机制砂体积大于5mm 的砂数不应超过10%。如果过量的颗粒含量超过5mm，会直接影响粗骨料的级配，使混凝土混合材料容易流失和离析，导致混凝土强度不均匀，甚至容易造成泵送时堵塞。如图所示，根据优化后的配合比进行复核试验，结果见表1。

表1 每立方米混凝土的材料用量及试验结果

4.2 选择合理的砂率

选择适当的砂率，可使混凝土具有良好的流动性，并能保持良好的粘结性、保水性和抽水性。并能提高混凝土的强度。在机制砂粒度大于5 mm 的情况下，设计混凝土配合比时，应适当增加砂粒含量，砂粒比例可达45%～55%。低砂率容易造成混凝土粗糙，坍落度小，不容易混料，不容易浇注，不容易振动；交通运输中易发生脱水事故，妨碍正常抽水；水泥容易出现蜂窝、麻点及外观质量较差等现象。

4.3 水灰比范围

水灰比对混凝土强度的影响显著，如水泥砂浆强度剩余系数较低、水泥混合比由15%提高到20%，以及混凝土抗折抗压强度不能满足要求；尤其是高水灰比时，收缩和蠕变增大，这是机制砂混凝土机理中一个十分重要的问题。机制砂高强混凝土的水灰比宜控制在0.32～0.38。与此同时，对混凝土强度、长期性能和耐久性都有好处，也符合工程的实际要求。

4.4 石粉含量

在施工过程中，石粉含量不宜超过10%，一定要通过反复实验，石粉含量的适当增加对混凝土强度影响不大，但是，它能有效地改善混凝土的粘结性、持水性和流动性，提高其运输、倾倒和振动时的工作性能，保证混凝土品质。最高石粉含量不得超过12%，反之，混凝土表面会产生收缩裂缝，使强度和弹性模量降低。

4.5 用水量

为了能够保证混凝土正常的浇筑和达到一定的强度，在使用过程中必须要进行反复的实验。通过实验得出结论，在使用混凝土的过程中，如果它强度相同并且水泥和水灰比以及砂率都平均分配的情况下机制砂的流动性较好，而且容易分离，坍落的几率小。为了确保机制砂混凝土具有良好的加工性能，与河砂混凝土相比，在机制砂混凝土中加入混合物，可使用量提高8%左右。

4.6 采用合理的生产工艺与品质管理

水泥砂浆的质量决定混凝土的性能，它直接影响建筑质量。机砂外观及圆度由生产设备及工艺决定：机械砂磨机加工的机砂为圆粒型，具有较好的圆度，采用圆锥破碎机进行细磨，使机砂与石粉分离，提高机砂产品质量，有效提高机砂质量。制定科学的工艺流程，采用先进的生产工艺和合适的设备，可以生产出优质的机制砂。目前机制砂生产企业所面临的最大问题就是生产设备的落后。机械式砂有别于天然砂，在其生产设备及工艺上达到要求后，可对其进行质量控制。

4.7 加强机制砂混凝土的振捣和养护

砂砼结合强度大，流动性能差，施工时应加强振捣操作，以保证混凝土的密实性和均匀性。振捣时应充分考虑混凝土截面尺寸、结构形式、混凝土厚度等方面的要求，选择合适的振捣设备，保证振捣质量。避免发生漏振和过振现象。浇注时遇钢筋非常密集区或出现不合格预埋件时，特别建造过程应预先定制。从而为振捣工作的顺利完成提供了保证。机械砂含水较高，分散较快，因此浇筑后12h 内应及时洒水保湿养护，为了保证强度和混凝土质量，至少要坚持14d。

5 机制砂混凝土在现浇箱梁中的应用研究

高速公路现浇箱梁基底段跨度30m，高速公路结构为预应力，标准断面宽25m，跨径3 孔，主梁为4 室单箱结构。按现浇箱梁混凝土强度等级的要求，现浇箱梁板采用C50 水泥砂浆，采用正交试验法确定机制砂混凝土的配比。生产和浇注机制砂混凝土，严格按照规定进行。

（1）检查机械砂混凝土的质量。对现浇箱梁机制砂混凝土的强度通过钻芯法来进行测试。就拿一个3 跨的现浇单箱梁来说，中跨钻芯和试块的强度差在5%以内。实验证明，该人工砂混凝土制备设备达到了设计要求。

（2）在预应力体系中机械混凝土和普通混凝土进行对比实验。为了保证实验的精确度特选用了三组10%左右的普通机制砂接头块进行实验。通过实验表明，由于机械砂混凝土结构不够平整，但边缘清晰，所在机械砂混凝土和钢铰线的结合力要好。因此，机制砂混凝土比普通砂混凝土的稳定性要好，并且流速有效预应力好，强度大。

5 结语

通过机制砂替代河砂来配制混凝土，既节省成本，又提高混凝土的工作性能。除了严格控制原料质量外，在机制砂混凝土设计、生产、施工、养护过程中，要科学管理规范运作，认真做好总结和各项细节工作，在每个环节严格控制机制砂混凝土的质量，以保证机制砂混凝土构筑物的质量满足规范和使用要求。