机制砂在高性能混凝土中的应用

机制砂在高性能混凝土中的应用

丁世昌

中铁十五局集团第五工程有限公司 天津 300131

摘要：我国河砂资源十分丰富，但是由于早期的无限制开采，导致众多地区河砂资源面临枯竭，出于环境保护要求，全国各地已经出台了多项河砂禁采政策，为保证工程建设项目的顺利开展，机制砂的使用已经成为一个必然趋势。通过试验并结合实际使用情况，阐述了机制砂在高性能混凝土中应用现状、作用机理。

关键词：机制砂；高性能混凝土；混凝土应用

1工程概况

某项目工程共4个泄水洞。于某隧道线路中心左侧新增泄水洞一座，全长1494m（集水廊道4个，长120m）。于隧道进口至D1K596+300段，左线线路前进方向右侧45m新增1#泄水洞，全长2390m（集水廊道11个，长330m）；于隧道D1K596+275～D1K597+100段，左线线路前进方向左侧约40m新增2#泄水洞，全长823m（集水廊道3个，长90m）；于隧道D1K597+657~D1K601+350段，左线线路前进方向左侧约40m新增3#泄水洞，全长3695m（集水廊道17个，长510m）。

2机制砂类型

2.1按化学成分机制砂分为三类

①白云岩质CaMg（CO3）2；②石灰岩质CaCO3；③硅质SiO2。采用岩相法对机制砂的母材进行结构分析：镜下鉴定：矿物成份与百分比；方解石：95～97%；泥质：3～5%；构与构造：不等粒结构，块状构造。岩石的组成：岩石主要由方解石组成。方解石为不规则粒状，根据粒径分为微晶方解石和细晶方解石。其中微晶方解石占方解石的60～65%，其直径通常小于0.01mm，与泥质在一起分布、鮞体大小不等。大者达到3.1mm，小者一般为0.02～0.6mm之间。另一种是细-中方解石，其粒径一般为0.02～0.2mm，最大粒径为0.4mm，是岩石的基质。泥质为微小的粘土矿物，其直径小于0.005mm，与微晶方解石分布在一起，不透明矿物主要呈细脉产出，脉宽0.01～0.06mm。鉴定结论：该岩石为鮞状微晶灰岩。

2.2按生产工艺机制砂分为二类

2.2.1自然山砂

这是从山场上可用锄镐采掘下来经过筛分分级使用的砂。自然山砂因粒度细，粘土等杂质含量大，压碎值指标高，质量很不稳定，多用于粉刷或蒸压灰砂砖，一般不能作钢筋混凝土使用。

2.2.2机制砂

即在自然山砂挖掘之后的坚实基层上，或在坚实的岩石山爆破开采，用机械粉碎加以筛分而得。

3机制砂在混凝土中的应用

3.1配合比方面

根据机制砂基本物理性能来看，其与天然河砂还是存在一定的差别，将其应用于混凝土制备中，若是照搬天然砂石配合比设计方法，将会出现需水量大、和易性差等问题，通过相关试验与实践情况发现，当混凝土强度等级越低时，此类问题的表现就越加显著。对此，必须严格根据机制砂情况，合理调整混凝土配合比设计。根据相关经验总结，最适合配制混凝土的机制砂细度模数为2.6～3.0，级配为2区。工程实践中可根据实际情况进行综合分析，做好配合比设计优化调整工作。

3.2石粉含量方面

从贵州机制砂多年使用情况来看，其在配制高强度等级、高性能混凝土方面优势显著，这主要是源于石粉的合理应用。机制砂在制备过程中，会产生一定量的石粉，合理控制石粉掺量可起到较好的填充作用，增强混凝土强度，不同强度的机制砂混凝土石粉掺量均有所差异，根据相关研究显示，适量石粉可改善混凝土抗冻性、抗磨性等，也有研究提出，建议高强机制砂混凝土配制是将石粉含量放宽至7%。

3.3工作性能方面

根据现代工程建设需要，对混凝土工作性能、泵送性能提出更高要求，由于机制砂细度模数较大、表面粗糙，在进行混凝土配制时，集料与水泥黏结性十分好，但是也会影响混凝土工作性能^[1]。对此，必须采取有效措施调整机制砂混凝土工作性能，主要包括掺合料技术与高性能减水剂的应用，根据相关研究显示，机制砂石粉含量、粉煤灰掺量分别为6%、30%时，掺加降黏性高性能减水剂，混凝土坍落度、扩展度显著增大，工作性、可泵性均显著改善。

4机制砂混凝土工作性及耐久性试验

采用C35高性能混凝土（配合比：C:F:S:G:Q:W=291:97:892:966:3.88:163）、C20高性能混凝土（配合比:C:F:S:G:Q:W=249:83:880:1075:3.32:160）分别用不同石粉含量的机制砂进行对比试验。试验结果显示，由于机制砂在加工的过程中有多少破碎面，对水泥等胶凝材料与机制砂的粘结非常有利、有效提高混凝土的强度。而且石灰岩质母岩生产的机制砂属碳酸盐类，即在常温的水中也有融解而又结硬的性质，如自然界钟乳石的效应一样^[2]。而水泥混凝土的碱性溶液中，且在水泥水化时的一定温度下，溶解性能更为显著，实际上这是碳酸盐类砂在低温下的活性，它在混凝土凝结硬化过程中同样能提高混凝土的强度。从混凝土配合比试配过程可以发现采用机制砂配制的混凝土很容易出现保水性、和易性较差的现象，这就要求机制砂必须具有适量的石粉含量，从而改善机制砂混凝土的保水性及和易性。当机制砂中的石粉与母材的特性完全一致时，是相当于在混凝土中增加了一部分矿粉，由于其细度小，可以填充混凝土中的微小空隙，同时增加了集料与胶凝材料的接触面积，适当增加水泥砂浆的稠度，减小了骨料之间相对运动时产生的摩擦力，提高了混凝土的保水性及和易性

^[3]。由于机制砂中的石粉具有一定的吸水性，所以当石粉含量过大时会影响水泥的水化，使混凝土拌和物变得干稠，流动性变差，严重时会使硬化后的混凝土出现开裂等影响结构物耐久性的病害。试验表明由于机制砂细度模数普度偏大，在配制大流动度低强度（C30以下）混凝土时，会造成混凝土离析、泌水等现象，影响混凝土工作性，石粉含量在7%～10%时综合试验结果最佳；配制塑性或大流动度高强度（C30～C45）混凝土时，石粉含量在3%～7%时最佳。

5石粉对水泥性能的影响

在水泥中采用等量替代法掺入不同比例的与母岩成分基本相同的石粉进行水泥的物理性能试验，通过试验结果发现少量（小于3%）的石粉取代水泥后对水泥的物理性能基本没有影响，同时力学性能有所提高^[4]。随着石粉含量的不断提高，水泥凝结时间逐渐变长，水泥强度有所下降，当石粉的替代量大于10%时，水泥的3d胶砂强度下降明显，后期强度增长缓慢，已无法满足规范的要求。在试验过程中采用的石粉必须保证与骨料采用的母岩成分基本相同，即亚甲蓝MB值小于1.4。

结束语：

由于国内大量基础设施建设，使天然砂资源越来越少，再加上像贵州这样的地区本身没就有多少资源，所以采用机制砂配制普通混凝土乃至高性能混凝土已成为一个必然的发展趋势，而如何更好的解决施工中存在的技术难题，在保证工程质量的同时使人们更加全面的了解机制砂的优良性能已成为所有工程技术人员必有面对的问题。通过我项目工地试验室对机制砂的物理性能及其对混凝土性能的影响等作了大量的试验，试验表明合理控制机制砂的级配与石粉含量都可以配制C50以下各种强度等级的配合比，混凝土的工作性及耐久性等同于天然砂。

参考文献：

[1]陈建荣.高速公路工程中机制砂高性能混凝土的应用[J].西部交通科技,2019(11):10-12.

[2]赵优俊,孙惊涛.机制砂高性能混凝土配合比设计研究[J].居舍,2019(31):30.

[3]颜义,田应兵,杨兵.高性能外加剂在贵州机制砂自密实混凝土中的应用[J].当代化工研究,2019(08):158-159.

[4]李军超.聚羧酸高性能减水剂对机制砂混凝土性能的影响[J].商品混凝土,2019(06):43-45+39.