機制砂在水泥混凝土中的應用

孟玲吉++安平++范金國

摘 要：介紹機制砂使用于水泥混凝土中的性質及應用性能。

關鍵詞：機制砂；混凝土；技術性能

Mechanisms of sand in cement concrete

Meng Ling-ji 1，An Ping 2，Fan Jin-guo3

（1 Rizhao Port Group Co.， Ltd.； 2 Rizhao City Roads Agency；

3 Rizhao City East Highway Administration， Shandong Rizhao 276826）

Abstract： The mechanism of the nature and application performance using sand cement concrete.

Keywords： Mechanism of sand； technical performance； concrete

1.前言

國內外應用機制砂的情況在美、英、日等工業發達國家使用人工砂（機制砂）作為混凝土細骨料已有30多年歷史，在各種建筑工程中應用比較普遍，關于機制砂的材料與試驗、使用標準已相當完善。而我國在建筑方面采用機制砂從20世紀60年代已經起步，但河砂、江砂等天然砂的使用還比較普遍，1973年國家建委在貴州省召開了機制砂在混凝土中應用的論證會，通過建材業和建筑業的經驗交流，肯定了研究成果，并制定了《機制砂混凝土技術規程》。自此，機制砂的應用范圍得以擴大，由建筑行業擴大到公路、鐵路、水電、冶金等系統，由擋護工程擴大到橋梁、隧道及水工工程，從砌筑砂漿發展到普通混凝土、鋼筋混凝土，預應力混凝土、泵送混凝土、氣密性混凝土及噴錨支護等工程。但是由于試驗標準與技術規范的不完善及試驗材料的滯后，我國建筑業對天然砂還存在較強的依賴性，在許多重要結構中對機制砂的使用還存在限制條件。

2.機制砂特性分析

機制砂（譯為manufactured sand）是“巖石經出土開采、機械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75mm以下的巖石顆粒，但不包括軟質巖、風化巖的顆粒”。

2.1機制砂總體性能

機制砂顆粒由于具有棱角和表面較粗糙，因而拌制的混凝土和易性較差，可引起混凝土的較大泌水率，但機制砂中通常含有石粉可以部分改善混凝土的工作性能。通常在同一工地，機制砂與碎石是同一種母巖制成，熱學性能一致，對大體積混凝土技術效果尤為顯著。

2.2機制砂的規格

粒度級配良好的一種砂子，一個細度模數只對應一個級配，同時它的細度模數和單篩的篩余量成線性關系，對于一種砂子，先通過試驗建立關系式后，只要測定一個單篩的篩余量即可快速求出細度模數。機制砂中石粉含量的變化是隨細度模數變化而發生變化的，細度模數越小，石粉含量就越高；反之，細度模數越大，石粉含量越低。機制砂按細度模數分為中砂和粗砂（一般3.1-3.9為粗砂；2.3-3.0為中砂）兩種規格。機制砂小于0.075mm的顆粒（即石粉），按其性質和在混凝土中的作用，都不能等同于天然砂中的泥含量。

3.機制砂混凝土與天然砂混凝土的比較

因為機制砂由機械破碎、篩分制成，顆粒形狀粗糙尖銳、多棱角，通常用它來配制混凝土砂率比天然河砂混凝土大；并且機制砂顆粒內部微裂紋多、空隙率大、開口相互貫通的空隙多、比表面積大，加上石粉含量高等特點，與天然河砂混凝土相比，有其自身的特點，主要表現為以下2個方面：

3.1堅固性與耐久性試驗；機制砂的堅固性能比河砂稍差，但仍然達到GB/T 141684293標準的優等品指標，在普通混凝土中使用不存在問題。但在經常遭受摩擦沖擊的混凝土構件中使用，除必須摻用外加劑，還應控制混凝土的灰砂比和砂的壓碎指標與石粉含量。

3.2機制砂石粉含量對水泥拌合物性能的影響；通過水泥的試驗、砂漿試驗、混凝土試驗用機制砂配制混凝土與天然砂無大的區別，一般來講，同坍落度的前提下，機制砂的用水量要稍大些，但要根據施工條件及結構物和運輸等因素考慮。但對混凝土的強度基本不變；用機制砂配制泵送混凝土等特種混凝土時注意砂率不宜過高，防止降低混凝土強度和耐久性等工程質量。

4.混凝土試驗

結果表明：在水灰比相同的條件下，機制砂中小于75μm 的砂粉含量在30%以下時除高等級混凝土的抗壓強度略低于中砂（河砂）混凝土外，其他的抗折、抗拉、抗壓強度以及鋼筋的粘結力都高于河砂混凝土，參照有關國外文獻資料的結論相符。

4.1混凝土強度

強度是混凝土作為結構材料的一個重要依據。因而機制砂對混凝土的強度影響也是混凝土工作者最關心的一個問題。據資料顯示，在同等條件下，用機制砂配制的混凝土比天然河砂配制出的混凝土強度略高。杜慶蟾等人認為：由石灰石破碎而成的機制砂，其成分是碳酸鈣，處于高濃度氫氧化鈣中，其表面會發生微弱化學反應，天然河砂成分中二氧化硅含量高，不能發生類似反應；且機制砂質地堅硬，有新鮮界面，表面能高；機制砂表面粗糙、棱角多，有助于提高界面的黏結。

4.2混凝土彈性模量

機制砂粗糙多棱角的顆粒在砂漿中起著骨架作用，限制了水泥石的變形及骨料顆粒之間的滑動；機制砂與水泥石間有良好的黏結界面，使得界面孔隙少，減少了應力集中；機制砂密度大，空隙率小，有利于提高混凝土抗壓彈模的受壓徐變強度。研究結果均表明在保持相同水灰比和水泥用量的條件下，機制砂混凝土的彈性模量高于普通混凝土。

4.3混凝土干縮性能

研究結果顯示：與常規細骨料（石粉含量3%）相比，石粉含量為16%和12%的混凝土干縮率分別增大12.8%和4.8%.其中，石粉含量在12%以下時，干縮率增大緩慢，石粉含量大于12%時，干縮率迅速增大。并認為干縮率隨石粉含量增加而增大，這是由于石粉中小于0.08mm的極細顆粒隨石粉含量的增加而增多，這種極細顆粒在混凝土拌和物中起到增加水泥漿含量的作用，混凝土的干縮正是來源于水泥漿的干縮，顯然，單位體積水泥漿多，導致干縮率增大。

4.4混凝土抗滲性

由于混凝土的抗滲性主要與其孔結構有關，因此大多數人認為機制砂中的石粉是其提高抗滲性的主要原因。混凝土的研究者認為：機制砂中的石粉只是一種有效的填料，雖然不具有活性，但提高了混凝土的密實性，增強了水泥石與骨料界面黏結；而有人則認為石粉能加速C3S的水化，并與C3A、C4FA反應生成結晶水化物，并能改善水泥石的孔隙結構，因此抗滲性能得到提高。

4.5混凝土抗凍性

張映全等在配制C40混凝土時采用50%的石屑替代河砂以提高混凝土的抗凍性，并得到較好的結果，其中采用石屑替代的經200次凍融循環后比未替代的強度少損失9.96%。認為主要是石粉在一定程度上改善了混凝土的毛細孔結構，提高了混凝土的抗凍融性。

4.6混凝土耐久性試驗

根據GBJ 82285普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準；混凝土抗壓疲勞強度試驗荷載采用受壓穩定脈沖荷載試驗荷載循環次數為200萬次，下限應力與上限應力的比值稱為荷載循環特征系數（P），為0.15。在此條件能承受200萬次反復荷載不破壞，即可在橋梁等混凝土結構物使用。試驗結果表明，機制砂混凝土能夠滿足這方面的要求，在自然條件的外力作用下影響混凝土建筑物壽命的諸多因素，一般認為凍融交替是主要環節，機制砂混凝土能夠滿足技術規范要求。

綜合上述研究結果，可以看出機制砂混凝土在工作性、強度、抗滲性、抗凍性、耐久性等方面表現出一定的優越性，尤其是在低標號混凝土中，石粉具有一定的微集料填充效果，改善混凝土的孔隙結構，使得其強度、抗滲性、抗凍性都較天然河砂混凝土好。

機制砂混凝土摻合料使用，能夠滿足混凝土拌和物性能、力學性能、變形性能和耐久性能等要求。眾所周知，隨著人口的逐年增長，經濟的飛速發展，能源危機日益逼近。建材產業作為耗能大戶，更應響應兩會的“樹立科學發展觀，構建和諧社會”的號召，社會的發展，科技的進步，實現混凝土的綠色化，高性能化，是時代賦于我們試驗人員的歷史使命，在保證質量的前提下盡量降低混凝土的原材料成本，適量地節約水泥而不影響混凝土的質量，可節約能源、節約水泥就是節約了能源，自然就使能源消耗減少。機制砂混凝土的成功應用，為機制砂在混凝土中的推廣應用提供理論和實踐依據。

參考文獻

[1] JTG E30-2005.公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程.人民交通出版社

[2] 劉長俊.遼寧科學技術出版社.混凝土配合比設計計算手冊，1993.7