浅析灰岩加工机制砂质量控制及在高性能混凝土中的应用

浅析灰岩加工机制砂质量控制及在高性能混凝土中的应用

张平

中铁二局第四工程有限公四川610300

摘要：随着机制砂应用越来越广泛，机制砂拌制混凝土所需胶凝材料较河砂多、优质洁净的母岩、机械设备选用和生产工艺控制对机制砂质量的影响、最佳石粉含量使机制砂混凝土物理与化学性能达到最佳状态以及在机制砂应用过程中出现的一些问题也越来越受到关注。本文通过对机制砂的特性分析，从母料、生产设备、生产工艺的选取与施工实践中总结了灰岩加工机制砂的质量控制，分析了石粉含量对机制砂混凝土的影响，并提出了确保机制砂的最佳石粉含量的机制砂掺配法。

关键词：机制砂，加工生产，石粉，质量，高性能混凝土，掺配法

1．前言

我国每年砂石使用量大约在50亿吨，是所有产品中重量最大的产品。一方面，天然砂的大量使用，说明经济发展快、在建项目多，从而造成资源的急剧减少，甚至到了枯竭的程度，另一方面也要考虑环境保护的需要和经济效益。

由于贵州地处山区受地域限制，河砂资源缺乏，若从外地调运，每方砂的运费就高达数百元。但因沿路隧道所占线路比例较大，开挖隧道产生大量优质弃碴，为节约成本、保证绿色施工，因地制宜采用开挖的弃碴为石料加工成机制砂。此举既保障了施工的原材料砂石的供应，又大大降低了成本、节约投资。

2工程概况

贵阳至广州铁路是时速达300km/h的客运专线，中铁二局四公司承建贵阳至广州铁路GGTJ-1标DK92+396~DK106+220段。该管段目前施工的包括隧道四座，双线特大桥一座，中桥两座。隧道衬砌、仰拱、仰拱填充、中心水沟槽身、初期支护以及桥梁桩基、墩台以及其他附属工程等均采用机制砂高性能混凝土，机制砂使用量高达500000吨以上，其中隧道的仰拱、二衬和桥梁的高墩施工所使用机制砂必须严格控制好颗粒级配、石粉含量和含泥量等。

3机制砂的特性

机制砂（译为Machine-madesandorArificialsand），是由机械破碎，筛分制成的粒径小于5.0mm的岩石颗粒，但不包含软质岩、风化岩的颗粒。通常情况下，机制砂的颗粒级配波动较大、具有棱角、表面粗糙且大于2.5mm的颗粒与小于0.08mm的石粉含量较高的问题，给配合比设计与优化、混凝土生产、现场施工带来了相当的困难。所以对机制砂的研究为保证混凝土的质量与配合比设计、优化提供了技术保障。

3.1在实际运用中，我们发现机制砂有如下优点：(1)原料取材较丰富；(2)可控性强，可提高混凝土强度；(3)有降低混凝土水化热和提高和易性的作用；(4)机制砂表面粗糙、棱角丰富、易于粘结，在混凝土中起到填充、传递应力、骨架作用，有利于混凝土提高强度、抗收缩、防开裂。

3.2机制砂的缺陷

3.2.1机制砂的颗粒级配较差

通常机制砂大于2.5mm偏多与小于0.08mm的颗粒偏少，并且级配波动较大导致了混凝土的和易性有一定的变差，若未控制好将导致混凝土坍落度过低或者离析，结构物蜂窝麻面、开裂等现象。

3.2.2机制砂混凝土较天然砂混凝土需耗更多胶凝材料

与椭圆形的天然砂相比，机制砂表面粗糙、棱角丰富、比表面积大，若要达到同样的和易性，则机制砂混凝土对胶凝材料消耗更多，否则细骨料沉淀，混凝土泌水，结构物表面无光泽、蜂窝麻面严重。

3.2.3机制砂吸水率大

机制砂是通过岩石机械加工而来，颗粒表面棱角多、比表面积大，坚固性受到破坏，与长期浸泡在水中打磨光滑的河砂相比骨料的吸水率增大，混凝土在塑性状态下水分部份被吸收，导致混凝土保塑性差、坍落度损失快，不利于大流动度混凝土浇筑与远距离施工。并且吸水率大导致混凝土表面干涩，但振捣时水分容易释放，若控制不好就会出现泌水现象。

3.2.4母材影响大

在隧道施工中，围岩常会在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级等不断的变化使母岩的结晶程度和强度发生变化，随着母材的变化导致每方混凝土胶凝材料用量、机制砂细度模数、颗粒级配、粒型、机械生产能耗、生产工艺也受到很大影响。

3.2.5容易受到污染

因为有的围岩中间夹杂泥层，有的溶洞出现涌水涌泥现象，洞碴需要经过爆破、机车转运、再倒至料场的过程，料场未硬化等，如果控制不好母材的清洁度，很可能导致机制砂中含泥量与有机物含量超标，不但降低混凝土的强度与耐久性，而且可能会造成混凝土外观不光滑、颜色不统一，甚至出现龟裂。

4．机制砂质量的控制

机制砂的级配是机制砂质量的关键，而母材的质量、生产工艺、加工的机械器具以及石粉含量直接影响了机制砂的级配。因此，为生产出优质的机制砂、节省能源，就必须从严密的各个机制砂生产流程环节中加以控制。

4.1须选用优质母材

因不同类别的岩石生产出的机制砂其本质有较大的区别，如花岗岩、石灰岩等这类强度较高的岩石与其他一些强度较低的岩石的晶体结构不同，所产机制砂的粒形、石粉含量、颗粒级配也有明显差异。所以我们对承建的胡家寨隧道，团寨隧道，翁档隧道以及斗篷山隧道进口、斜井、出口等各隧道母岩进行了对比。

由上表可得虽然团寨隧道母岩吸水率小、软化系数大并且不含碱活性物质，但是它的强度太大，机械耗损大；斜井的岩石吸水率较大，拌制混凝土的坍落度损失大不利于施工，并且该岩石强度较高、易脱层风化；斗篷山隧道出口的母岩吸水率较大，并且母岩中含有活性二氧化硅。故而选择胡家寨隧道出口与斗篷山隧道进口的岩石作为机制砂母材。

4.2保证母材清洁

由于母材经隧道内爆破，机械转运出来倒在砂石料场，在这个过程中需要控制好砂石料的清洁度，避免混入泥土、草根树叶与软弱岩石造成机制砂含泥量、有机物含量、轻物质含量等超标。

4.3精心选取制砂设备

4.3.1破碎机选取

对于优质的岩石，若无合适的机械设备，也生产不出优质的机制砂，故对颚式破碎机、锤式破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机、反击式破碎机等几种破碎方式进行了对比。

由相关资料可知颚破式破碎机具有破碎比大、产品粒度均匀、结构简单、工作可靠、维修简便、运营费用经济等特点，是一级破碎的首选设备。反击式破碎机也具有破碎比大，可达到50%以上；产品颗粒好，反击式破碎机在冲击作用下使被破碎物料沿着其最脆弱层面碎裂的选择性破碎法所产机制砂颗粒含立方体形态的概率较高；相同母料的情况下，反击式破碎机生产的碎石针片状百分比含量可比颚式、圆锥和辊式等破碎机生产的针片状百分比含量低l0％等的优点。因此胡家寨隧道与斗篷山隧道进口砂石厂采用鄂破式破碎机进行一级破碎，然后再用反击破式机再次破碎的破碎方式，并且在输送带最后增加了一根输送带将不合格碎石再次输入反击式破碎达到节约资源、保障绿色施工的效果。

4.3.2筛子的选取

通过对方孔筛与圆孔筛的试验比较，在其他设备与母料不变的情况下，使用圆孔筛时所产碎石针片状颗粒含量较方孔筛可减少10%，并且圆孔筛有利于各粒径椭圆形颗粒的筛取，所以砂石厂使用各粒径的圆孔筛，能更有效地控制机制砂颗粒级配。

通过机制砂设备的选取，选用合理的制砂设备与生产工艺基本上能够使机制砂级配与粒形达到比较理想的状态，但小于0.08mm的石粉含量对混凝土的和易性与胶凝材料的使用量也有很大的影响。所以需对一个最佳的石粉含量进行研究，以达到在用最少胶凝材料的同时使混凝土和易性与强度达到最佳。

4.4石粉含量控制

机制砂的石粉含量问题，一直被关注。石粉是机制砂生产过程中不可避免的伴生物质，是指加工前经除土处理，加工后形成粒径小于0.08mm，其矿物组成和化学成分与被加工母岩相同的物质。由于铁路标准对机制砂混凝土石粉含量规定较严格，而大多数机制砂石粉含量超标，所以要求机制砂必须通过水洗后方可使用，造成石粉和微细颗粒被洗净。实践证明，水洗后的机制砂级配非常差，经水洗后的机制砂石粉含量只有2-3%，配制的混凝土和易性较差，不能满足工艺要求，而未水洗的机制砂石粉含量则达到15%以上，会降低混凝土的耐久性与强度，结构内在质量与外观不同程度存在问题，为杜绝结构外观缺陷及内在质量通病，降低机械维修成本，维护生产线正常运行，须对机制砂混凝土的物理性能及力学性能经行试验研究。

4.4.1混凝土原材料制备。

按高铁标准，全面鉴定各种原材料，特别是鉴定一个标准机制砂样品，并且筛取0.08mm以下颗粒备用。

4.4.2确定基准配合比。

将胡家寨建材厂砂石二衬混凝土配合比作为对比试验的基准配合比。

表4胡家寨隧道二衬混凝土基准配合比（Kg/m3）

4.4.3确定不同石粉含量配合比。

基准配合比石粉含量设定为4%，测定石粉含量为2%、6%、8%、10%、12%、14%、16%时的混凝土性能。

4.4.4混凝土拌合物性能对比。

可知，机制砂并非水洗的越干净越好，当石粉含量在8~10%时混凝土的物理性能、力学性能以及耐久性能达到最佳。

但鉴于铁路标准对机制砂混凝土石粉含量规定最高上限为10%。经多次试验最终提出机制砂掺配法，有效的解决机制砂石粉含量超标及在配制高性能混凝土时应用的问题。

机制砂掺配法就是分别测定非水洗砂与水洗砂的石粉含量，然后根据两种砂的石粉含量按一定的比例掺配得到最佳石粉含量的方法。即假设非水洗砂石粉含量为a、掺量为x，水洗砂石粉含量为b、掺量为y，欲配制机制砂石粉含量为c，则可推出非水洗砂掺量x=（c-b）/(a-b)，水洗砂掺量y=（c-a）/(b-a)或y=1-x。如非水洗砂石粉含量a=15%，水洗砂石粉含量b=2%，欲配制石粉含量为9%的机砂即c=9%，则由公式可得非水洗砂掺量x=（9%-2%）/(15%-2%)=46%，水洗砂掺量y=1-46%=54%，即在拌合站四料仓中设两个砂仓，其中非水洗砂仓掺配所需机制砂46%，水洗砂仓掺配所需砂量54%。在此值得注意的是掺配比例是按理论用量计算，所以实际施工过程中，需对两种砂的含水率分别测定，并转换为施工用量。

5．结束语

采用机制砂既保障了施工的原材料砂的供应，又能大大降低了成本、节约投资、保证绿色施工。可见机制砂在混凝土中的重要性越来越明显，加强机制砂质量的控制与应用在现在建筑中势在必行，但就现在对机制砂的研究还有许多问题值得去注意与研究：

（1）机制砂石粉含量在8%~10%时，混凝土的物理性能、力学性能与耐久性能够达到最佳，但本文仅仅对石粉含量对混凝土的影响做了简单的研究，石粉对混凝土在微观以及到底能够替代多少胶凝材料等方面还缺少深入的研究。

（2）用河砂与机制砂拌制一方相同和易性的混凝土，使用河砂时能够节约4-10Kg胶凝材料，但同时也需要考虑河砂价格与地理位置所产生的运费等，综合考虑能够使混凝土成本降到最低。

（3）现在机制砂应用标准较多，具体使用时应综合考虑国家标准、行业标准以及地方标准。各种标准存在差异，目前高性能混凝土主要应用的是铁道部颁发的行业标准。希望通过共同研究，能够出台较全面的、与实际应用相符的标准，这也是研究机制砂的目的之一。

参考文献：

[1]苏斌；《浅谈机制砂的研究与应用》；山西建筑；第33卷第4期；2007年2月；

[2]刘文萍；<<机制砂的浅析与质量控制>>；山西交通科技；第三期（总第192期）；2008年6月；

[3]DB50/5030-2004，<<机制砂,混合砂混凝土应用技术规程>>；重庆市地方标准；