機制砂在預制梁混凝土中的應用研究

石會星

文章從外觀和巖性方面對比了天然砂和機制砂各自的特點，分析了機制砂混凝土的耐久性能及石粉作用原理，并以廣西賀巴高速公路（都巴段）工程為例，通過混凝土抗壓度試驗，證明了機制砂應用于預制梁混凝土施工所具有的優良性能。

機制砂;混凝土;施工;研究

U416.216-A-11-033-3

0?引言

相對于天然砂而言，機制砂通常具有統一的巖性，通過科學、合理的制砂過程，使機制砂能夠滿足不同混凝土工程的施工需要，提高了混凝土的抗壓度和工程施工效率。為詳細分析機制砂在預制梁混凝土中的應用效果，應首先了解機制砂和天然砂的特性，包括外觀和巖性方面的差異，還應分析機制砂的制備流程，如礦山的選取等。為進一步驗證機制砂在預制梁混凝土施工中對于抗壓度的影響程度，本文結合實際工程案例進行討論，研究內容具有一定的推廣意義[1]。

1?天然砂與機制砂特點對比分析

1.1?外觀對比

從外觀顏色上來看，由同一母巖加工而成的機制砂顏色多數統一，且顏色隨母巖的不同而不同，例如石灰巖加工出的機制砂呈現灰白色。而天然砂成分一般較復雜，由不同的巖石顆粒共同構成，且多數天然砂含有大量的泥粉，因此，天然砂外觀一般呈黃色。

從外觀形狀上來看，機制砂多呈尖銳狀，如棱角形等不規則形狀，這是因為機制砂是母巖經機械碾碎而成的，機制砂外形十分不對稱，而天然砂外形多數較為均勻[2]。

1.2?巖性對比

機制砂母巖在地層中統一開采，其巖性較為統一，一般無其他混雜的石料。而天然砂則是經過長期的風化或地質構造而形成，并經常伴有河水的沖刷、侵蝕，因此，天然砂的巖性具有多樣化的特點，相對于機制砂其成分要復雜很多，包括不利于建筑施工的成分[3]。天然砂與機制砂的特點對比分析如下頁表1所示。

2?機制砂混凝土特性研究

2.1?機制砂制備流程

機制砂的生產主要有兩種方法：（1）巖石反擊式破碎;（2）巖石沖擊式破碎。第一種方法所制備的機制砂外觀多呈棱角狀，但其級配符合施工標準。第二種方法則與第一種相反，其顆粒狀很好，棱角較少，但級配較差。

以顎式（沖擊式）破碎機為例，具有如下幾方面特點：

（1）機械構造獨特、運轉平衡、低功耗、高效率;

（2）設備體積小、重量輕;

（3）安裝、操作、維護簡便;

（4）產品質量好、堆積密度大。

顎式破碎機屬于碎石工廠加工流程的一個環節，為滿足不同顆粒度機制砂的工程需要，碎石工廠還配備有其他相關設備，如喂料機、振動篩、反擊破碎機和制砂機等。碎石工廠的機制砂加工流程如圖1所示。

2.2?機制砂混凝土耐久性

為滿足一些高標準工程施工中混凝土性能的特殊要求，應嚴格控制砂石的質量，例如其骨料應具備一定的穩定性和強度，且級配和顆粒度也應滿足工程需要。研究表明，在機制砂中添加一定量的石粉，能夠提高混凝土的耐久性能（密實度、抗凍級別、離子滲透性等）[4]。

2.3?石粉作用原理

石粉的含量對機制砂最終的性能具有直接的影響，即石粉具有一定的填充活性，對混凝土的結構力學性能有一定的影響。添加一定劑量的石粉，能夠增加混凝土中的水泥漿體含量，減小混凝土孔隙并增加混凝土密度，且在石粉、水泥、機制砂攪拌和振搗過程中，拌和物中的孔隙被逐步填滿，其中石粉的作用尤為突出，最終使混凝土達到最佳的堆積狀態，進而提高了混凝土的工程性能[5]。

3?工程案例應用研究

3.1?工程概況

賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）位于巴馬縣，以巖溶峰叢洼地地貌和剝蝕侵蝕低山丘陵地貌為主，巖溶峰叢谷地地貌、河流階地地貌呈條帶狀穿插其中。剝蝕侵蝕低山丘陵地貌主要出現在巴馬縣南部的大部分區域。山體寬大，連綿起伏，巖石豐富。都巴高速公路五分部全長25.34 km，橋梁共計16座，其中中橋4座、大橋10座、互通匝道橋1座、跨線橋1座。所有橋梁上構均為預制箱梁，形式分別為：20 m后張法預應力混凝土小箱梁;30 m后張法預應力混凝土小箱梁;40 m后張法預應力混凝土小箱梁。其中20 m箱梁217片、30 m箱梁548片、40 m箱梁124片，共計889片。為準確獲得機制砂在都巴高速公路預制梁混凝土施工中的應用效果，擬采用C50箱梁混凝土來開展C50混凝土試驗，以此為后續廣西境內的同類混凝土工程提供項目經驗。

3.2?礦山選取與機制砂生產

礦山在選取過程中應充分考慮機制砂母巖的優劣及開采成本因素，在開采前對礦山進行詳細調研和勘測，分析勘測數據報告，優選附近居民少、離施工現場近以及母巖成分好的礦山。在分析母巖性質時，對于厚覆蓋層的母巖或是片狀、風化狀的母巖應予以排除。工程前期開采項目部經過詳細勘測和分析后，確定使用本段設吉石場作為機制砂制備的母巖礦山，距離機制砂加工現場僅0.3 km，此處地域空曠、人跡罕至，既節省了運輸成本，又保障了開采和制砂工作的安全。經過進一步取樣勘測后可知，該處巖體尚未發現可能的堿集料活性，巖體抗壓度>90 MPa，各項參數指標均符合現場的施工需求。在確定了開采礦山之后應及時設置隔離區，使用機械化設備清除巖體表面的覆蓋層以及軟弱風化層，依據方案嚴格進行開采[6]。

將開采出的石塊經過傳輸帶送至制砂機，由不同類型的破碎機生產出各種規格的機制砂。通常情況下粗砂使用沖擊式破碎機來生產，細砂則使用反擊式破碎機來生產。應注意的問題是，由于全過程為機械化制砂，所涉及的機械制砂設備會有不同程度的磨損，因此，應適時進行制砂設備的維護和保養工作，及時更換已磨損的零部件，使制砂設備處于最佳的運行工況，提高制砂過程的質量和效率。另外，進入制砂機的石塊顆粒度應在20 mm左右，可通過調節振動篩孔尺寸及角度來完成。

3.3?混凝土抗壓度試驗

在進行混凝土抗壓度試驗之前，對機制砂混凝土進行拌制，使用DC05-026加強型混凝攪拌機、DC05-028型坍落筒、DC05-040型電子秤和DC05-050型電子天平，坍落度設定為200～230 mm，混凝土拌和體積為30 L，該當量的機制砂混凝土配比數據如表2所示。

拌制工序完成后進行人工成型工序。每次將70 mm的混凝土放置于模具中，倒入水均勻拌和，按從邊緣到中心的螺旋式方向進行搗固，充分攪拌底層的混凝土，使整個模具中的混凝土攪拌均勻。然后進行混凝土的養護，當模具中的混凝土成型后，將浸濕的土工布覆蓋到混凝土的表面，然后靜置1～2 d，注意環境溫度應控制在15 ℃～20 ℃，相對濕度>50%，拆模后將試塊進行編號，并再次將試塊放到20 ℃左右的環境中養護，注意此時的濕度應>95%，全過程嚴防劇烈撞擊。將各樣本制成6個邊長為150 mm的立方體置于養護室中進行養護，而后進行1～4周的抗壓度試驗。

3.4?試驗結果分析

機制砂混凝土1周抗壓度試驗數據如表3所示。

機制砂混凝土4周抗壓度試驗數據如表4所示。

由表3、表4中數據可知，當用水量和減水劑不變時，水膠比的變小會引起混凝土抗壓度增大，而且混凝土固化的速度也非常快，樣本B和樣本C經過1周的時間便可達到指標規范要求的59.9 MPa，同時，A、B、C三種樣本4周的抗壓度均符合技術指標要求。

定義為混凝土抗壓度的變化率，當水膠比增加時，求出1周時間的抗壓度變化率：

1=（61.9-58.3）/58.3=0.062

2=（62.7-61.9）/61.9=0.013

同樣，求出4周時間的抗壓度變化率：

1=（66.6-63.7）/63.7=0.046

2=（68.7-66.6）/66.6=0.032

由上式可知，水膠比的減小使得C50機制砂混凝土的抗壓度增加，但對比1周和4周時混凝土抗壓度的變化率可知，均呈減小趨勢。由試驗數據可以判定，水膠比的減小使C50機制砂混凝土的抗壓度值增加逐漸趨于平緩，直至最終停止，因此，機制砂對于預制梁混凝土的固化起到了積極的促進作用。

4?結語

由于機制砂具有良好的工程特性，因此在目前國內混凝土預制件施工中的使用較為常見。機制砂應用于混凝土預制件的施工，提高了混凝土的抗壓度，對于工程整體的施工效率而言也具有一定意義。本文以實際的預制梁混凝土工程為例，通過混凝土抗壓度試驗來證明機制砂在預制件混凝土施工中的具體性能。試驗結果表明，機制砂對于提高預制件混凝土的抗壓度效果明顯，能夠滿足國內多數同類型工程施工的需要。

[1]王稷良. 機制砂對高強混凝土體積穩定性的影響[J]. 武漢理工大學學報，2007（10）：18-24.

[2]李興貴. 高石粉含量的人工砂在混凝土中的應用研究[J]. 建筑材料學報，2004（3）：66-71.

[3]范?晴.云南部分地區機制砂混凝土性能研究[D]. 重慶：重慶交通大學，2010.

[4]徐大禎. 高性能機制砂混凝土耐久性的研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[5]余?川. 機制砂在巴南高速公路中的應用研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[6]成?立，黃緒泉，王小萍. C50機制砂高性能混凝土在構皮灘烏江大橋中的應用[J]. 混凝土，2007（1）：55-58.