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　　混凝土建筑工程離不開砂，然而在環(huán)保意識日益重視的今天，天然砂作為一種不可再生資源，已經(jīng)越來越不能滿足日益增長的需要。2002年我國就曾出臺禁采或限采天然砂的法規(guī)，工程用砂供需矛盾日益突出。與之對應(yīng)的是，機制砂的推廣和應(yīng)用在我國已經(jīng)有幾十年的歷史，國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在河砂難得的情況下可以采用機制砂配制混凝土，然而，工程上對能否采用機制砂配制混凝土仍心存疑慮。為此，特對機制砂混凝土若干問題與砼友進(jìn)行一番探討。

一、機制砂特性
　　國標(biāo)GB/T14684—2011《建筑用砂》中，對機制砂作了如下定義：機制砂是由機械破碎、篩分制成的，粒徑<4.75mm的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖石的顆粒，用專門的制砂機生產(chǎn)，多數(shù)呈灰白色或黑色，一般含有10%～15%的石粉（粒徑<75μm的巖石顆粒）。
　1.1 機制砂特點
　　與天然砂相比，機制砂具有以下優(yōu)點。
　　（1）機制砂質(zhì)量可控。機制砂選擇性大，適合大規(guī)模工廠化生產(chǎn)，通過改進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備、改善生產(chǎn)工藝、調(diào)整工藝參數(shù)生產(chǎn)出符合要求的砂，機制砂的級配、細(xì)度模數(shù)、石粉含量等指標(biāo)在一定范圍內(nèi)均可控。然而河砂選擇性小，其級配、細(xì)度模數(shù)等指標(biāo)天然形成，無法控制。
　　（2）機制砂顆粒形狀不規(guī)則，多棱角，針片狀過多，其表面較粗糙，粗糙度基本在17.0～21.1S，且壓碎值偏大，而河砂的粗糙度為14.8～15.5S。
　　（3）機制砂顆粒內(nèi)部微裂紋多、孔隙率大、開口的相互貫通的孔隙多、比表面積大。
　　（4）機制砂有一定的石粉含量，這是正常的，也是機制砂與天然砂最明顯的區(qū)別之一。
　　（5）對于河砂缺乏的山區(qū)，采用機制砂配制混凝土具有明顯的經(jīng)濟性。
　1.2 機制砂技術(shù)要求
　　機制砂按技術(shù)要求分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級。Ⅰ級宜用于強度等級≥C65的混凝土；Ⅱ級宜用于強度等級C35～C60及抗凍、抗?jié)B或其他要求的混凝土；Ⅲ級宜用于強度等級≤C30的混凝土。我國建工標(biāo)準(zhǔn)JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對各個級別的機制砂泥塊和石粉含量作了規(guī)定，見表1，壓碎指標(biāo)見表2。


　　同時機制砂的表觀密度、堆積密度、空隙率應(yīng)符合如下規(guī)定：表觀密度>2500kg/m3、松散堆積密度>1350kg/m3、空隙率<47%。

二、機制砂混凝土配制參數(shù)選擇
　　由于機制砂具有不同于天然砂的特性，其配比參數(shù)也與天然砂不同。進(jìn)行配合比設(shè)計時，必須針對機制砂的特點，在滿足用砂性能指標(biāo)的前提下，通過調(diào)整用水量、石粉含量、砂率等進(jìn)行配合比設(shè)計與性能優(yōu)化。這樣才能配制出滿足要求的混凝土，達(dá)到既滿足施工質(zhì)量要求，又能有效控制生產(chǎn)成本的目的。
　2.1石粉含量
　　未經(jīng)處理的機制砂一般含有10%～15％的石粉。在機制砂的使用過程中，存在著不接受石粉的現(xiàn)象。首先是把石粉與泥粉混為—談，其次是對石粉認(rèn)識不足，10％石粉摻量的機制砂看上去石粉很多。為了能夠達(dá)到表1規(guī)定的石粉含量要求，機制砂生產(chǎn)均增加了水洗工藝，不僅增加生產(chǎn)成本、造成水資源浪費，而且水洗石粉排放造成了河道水質(zhì)或風(fēng)沙氣候等環(huán)境污染，不利于生產(chǎn)地域的環(huán)境保護。盲目地洗走石粉，帶出了不少粒徑>75μm的顆粒，又破壞了機制砂的自然級配。同時，機制砂中適量的石粉對混凝土是有利的，有適量石粉的存在，彌補了機制砂配制混凝土和易性差的缺陷。同時，它的摻入對完善混凝土細(xì)集料的級配、提高混凝土密實性都是有益處，進(jìn)而起到提高混凝土綜合性能的作用。
　2.2級配與細(xì)度模數(shù)
　　機制砂富有棱角，同樣細(xì)度模數(shù)下的顆粒級配劣于天然砂，通過降低細(xì)度模數(shù)可以改善其級配，而且達(dá)到中砂范疇的機制砂的級配接近級配2區(qū)的要求。所以，配制混凝土?xí)r機制砂宜選用專門機組生產(chǎn)的質(zhì)地均勻堅硬、級配合理的中、粗砂，其細(xì)度模數(shù)宜在2.6～3.1之間且級配連續(xù)；機制砂宜使用Ⅱ級及以上級別的機制砂，壓碎指標(biāo)≤25%。
　2.3砂率
　　機制砂混凝土的砂率不宜按天然砂混凝土砂率的取值方法直接選取，而應(yīng)根據(jù)機制砂自身細(xì)度模數(shù)、顆粒級配、石粉含量，并按所選水膠比及碎石最大粒徑來確定。機制砂混凝土的砂率一般較天然砂混凝土高3%～6%，試驗時宜按“五點法”進(jìn)行砂率優(yōu)選，即在砂率35%～43%范圍內(nèi)每間隔2%選取一個砂率進(jìn)行混凝土拌和物和易性試驗，以混凝土的和易性達(dá)到最佳為合理砂率。機制砂細(xì)度模數(shù)越小、級配越好、石粉含量越大，合理砂率越小。在保證混凝土的強度、工作性和耐久性都滿足要求的前提下，應(yīng)盡可能選取較小的砂率，以保證配合比的經(jīng)濟性。

三、機制砂混凝土性能
　3.1工作性
　　對于機制砂混凝土應(yīng)采用強制式攪拌機攪拌，拌和時間比常規(guī)適當(dāng)延長30～60s，借以改善機制砂混凝土的和易性，提高保水性和黏聚性。機制砂混凝土比天然砂混凝土易于液化，因此應(yīng)減小振搗時間，避免過振，以克服機制砂混凝土的泌水現(xiàn)象，防止出現(xiàn)蜂窩、麻面及表面形成疏松層。一般振搗成型時間應(yīng)比天然砂混凝土縮短15～30s，以混凝土表面泛漿、氣泡不再上升為宜。祁峰等人認(rèn)為隨石粉含量的增加，拌和物的和易性得到改善。楊記芳認(rèn)為機制砂中的石粉含量增加了拌合物中固體顆粒的比表面積，增加了拌合物的黏聚性和保水性，減弱了離析泌水，從而使混凝土易于成型振搗。李鳳蘭等人認(rèn)為石粉含量在5％～13％范圍內(nèi)時，混凝土拌合物具有綜合良好的工作性，易于振搗成型。
　　機制砂中石粉的存在對混凝土的工作性有兩方面的影響，一方面，適量的石粉能改善混凝土的和易性，石粉的存在彌補了機制砂表面粗糙的缺點，有利于減少機制砂與碎石之間的摩擦，因而有利于改善拌合物的坍落度；另一方面，石粉的存在也使混凝土的總比表面增加，從而增加集料對自由水的吸附，這在石粉含量較高時表現(xiàn)較明顯。
　3.2力學(xué)性能
　　李美麗用20%、40%的機制砂代替部分河砂配制混凝土，發(fā)現(xiàn)其抗壓強度、劈裂抗拉強度和斷裂能均比河砂混凝土的要高。Prakash等等人用含有石粉的機制砂分別制作了長1350mm、寬120mm、高150mm的素混凝土梁和鋼筋混凝土梁，并與河砂混凝土梁作對比。結(jié)果表明：在素混凝土中，機制砂混凝土梁比河砂混凝土梁抗壓強度高17%、抗折強度高20%、劈裂抗拉強度高7%；在鋼筋混凝土中，機制砂混凝土梁的屈服強度與河砂混凝土梁相差不大。
柯國炬等人認(rèn)為同等水灰比和水泥用量下，機制砂混凝土的強度和耐磨性明顯好于河砂。機制砂混凝土的抗壓強度在石粉含量10％時達(dá)到最大值，之后隨石粉含量增大緩慢降低；抗折強度逐步增大，石粉摻量>10％時增量趨小。Ahmed等在固定坍落度時研究了石粉含量介于10%～20%的機制砂對混凝土抗壓強度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著石粉含量的增加，混凝土的抗壓強度呈線性下降，這是由于為了獲得相同坍落度需水量增加的趨勢。水灰比為0.53時，抗壓強度對石粉含量的變化不敏感；對于以0.40水灰比配制的混凝土，石粉含量10%時強度上升到最高，之后強度隨著石粉含量增加而降低；石粉含量20%時降到與天然砂混凝土相同。
　　段瑞斌等人認(rèn)為機制砂混凝土的強度發(fā)展，隨混凝土齡期的增長呈持續(xù)增長的趨勢，并且高于同齡期的天然中砂混凝土。楊記芳研究表明，機制砂混凝土的抗壓試驗強度完全滿足設(shè)計強度要求，在相同條件下，采用機制砂配制的混凝土強度值普遍高于天然砂混凝土的強度值。
　　李北星等人認(rèn)為混凝土抗壓強度與機制砂的粗糙度正相關(guān)，粗糙度越大，抗壓強度越高；混凝土抗折強度與機制砂的壓碎值負(fù)相關(guān)，壓碎值越小，抗折強度越大。混凝土抗壓強度與機制砂壓碎值、混凝土耐磨性與機制砂中SiO2含量之間沒有明顯的相關(guān)性。粗糙度越大、壓碎值越小的機制砂混凝土耐磨性越好。在壓碎值≤17.3％的情況下，完全可用石灰?guī)r機制砂配制路面混凝土，不論是抗折強度，還是耐磨性均優(yōu)于河砂混凝土。
由于機制砂表面粗糙，棱角尖銳，形體呈不規(guī)則，所以機制砂較河砂更具有握裹力，而機制砂中的石粉又起到微集料效應(yīng)，填充了混凝土中孔隙，這樣混凝土就更加密實，強度也就更高。同時機制砂的新鮮界面，有利于強化水泥石同細(xì)集料的粘結(jié)效應(yīng)；機制砂棱角分明，能更好地發(fā)揮嵌固作用，利于強度的發(fā)展，故混凝土抗壓強度、抗折強度有所提高。
　3.3收縮變形性能
　　祁峰等人認(rèn)為機制砂混凝土在1d、3d早齡期的干縮值，隨石粉含量的增大而增大，7d及7d以上齡期的干縮值隨石粉含量的增大而呈減小趨勢。當(dāng)石粉含量>10％時，機制砂混凝土7d的干縮率達(dá)到28d時的57％～68％，比河砂高出8％～19％。段瑞斌等人[23]通過測定機制砂混凝土和河砂混凝土在90d齡期的自由收縮，結(jié)果表明，全機砂混凝土的收縮變形性能與天然中砂混凝土相當(dāng)。
　　李興貴的研究結(jié)果顯示，石粉含量在12%以下時（這里指粒徑<0.16mm的細(xì)粉），機制砂混凝土的干縮率增大緩慢，石粉含量>12%時，干縮率顯著增大，且高石粉機制砂混凝土早期干縮>常規(guī)機制砂混凝土，并認(rèn)為主要是由于<75μm的石粉顆粒在混凝土拌合物中起到增加水泥漿含量的作用，單位體積水泥漿多，導(dǎo)致干縮率增大。
　　機制砂中適量的石粉可以加速水泥的早期水化，使水泥石漿體中自由水消耗過快，導(dǎo)致水泥石自干燥現(xiàn)象加劇；由于與水泥相比，石粉表面比較光滑，需水量較低，當(dāng)石粉含量超過一定值時，可以使相同水灰比條件下的水泥石漿體中保留相對較多的自由水，同時，石粉的微集料效應(yīng)，填充了水泥石內(nèi)部的孔隙，并且改善了孔結(jié)構(gòu)，從而降低收縮。
　3.4抗?jié)B性能
　　祁峰等人認(rèn)為隨著石粉含量的增加，機制砂混凝土的氯離子擴散系數(shù)都略有增加，然而最大值只有224×10-14m2/s，滿足混凝土對氯離子擴散系數(shù)≤300×10-14m2/s的要求，表明其具有較好的抗氯離子滲透性能。
　　段瑞斌等人認(rèn)為機制砂中含有一定量的石粉可以起到一定的填充作用，能使混凝土較天然中砂混凝土密實，配制的混凝土的抗?jié)B性能略好于天然中砂混凝土。楊善順[19]研究表明，隨著石粉含量的增加，機制砂混凝土的抗?jié)B性會逐漸變差；但存在一個最優(yōu)值（12％），此時機制砂混凝土的抗?jié)B性最好。趙娟娟認(rèn)為機制砂混凝土比天然砂混凝土具有優(yōu)越的抗?jié)B透能力，這是因為機制砂混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實,混凝土內(nèi)部孔隙小,外界腐蝕物質(zhì)不易侵入。
　　李光偉等人認(rèn)為在調(diào)整砂率和用水量的情況下，采用石粉含量為16.8％～33.8％的大理巖機制砂作為拱壩混凝土的細(xì)集料，可以配制出抗凍等級>F300、抗?jié)B等級>W15，其力學(xué)性能滿足設(shè)計要求的拱壩混凝土。因此，機制砂中的石粉可使混凝土具有很好的黏聚性和保水性，改善了離析泌水現(xiàn)象，有利于水泥石結(jié)構(gòu)和界面的粘結(jié)，阻斷了可能形成的滲透通路，使混凝土的抗?jié)B性得到改善。

四、結(jié)論
　　機制砂具有表面粗糙、多棱角、顆粒形狀不規(guī)則，一般含有10%～15%石粉（粒徑<75μm的巖石顆粒）等特點。由于具有不同于天然砂的特點，所以用機制砂配制混凝土也與天然砂不同。配制混凝土?xí)r機制砂宜選用中砂，級配接近級配2區(qū)的要求，細(xì)度模數(shù)宜在2.6～3.1之間；宜使用二級及以上級別的機制砂，壓碎指標(biāo)≤25%；機制砂混凝土的砂率一般較天然砂混凝土高3%～6%，即在砂率35%～43%；石粉含量宜在5％～13％范圍內(nèi)。配制的機制砂混凝土的工作性、力學(xué)性能、收縮變形性能、抗?jié)B性等與河砂混凝土相差不大，甚至有的優(yōu)于河砂混凝土。因此，使用機制砂替代河砂來生產(chǎn)混凝土是完全可行的。

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