中铁二十四局集团浙江工程有限公司 浙江省杭州市 310009
摘要：由于环保压力和成本压力的持续加剧，传统混凝土的生产和使用技术走到了需要大幅度改良的关口。新理念、新方法、新材料在混凝土中的应用已成为一种趋势。其中，在混凝土中使用机制砂对天然砂进行替代，是一个持续升温的关注点。而且，国内部分省市已经对此形成了地方性规范。鉴于此，本文主要分析机制砂对混凝土性能影响因素。
关键词：机制砂；天然砂；混凝土性能
1、引言
本文以G85彭大高速公路试验段PDSYSG-9标段临时机制砂厂所生产的机制砂为研究对象。随着甘肃省基础建设的快速发展，混凝土需求量越来越大，而配制混凝土所需的河砂却越来越稀缺，采砂带来的环境保护压力与交通建设发展矛盾日益突出，混凝土中用机制砂代替河砂势在必行。机制砂作为一种来源广、质量稳定的砂源，部分指标甚至优于河砂，机制砂混凝土的推广应用可减少对河道的滥采滥挖，有效保护环境，具有长远的社会及环境效益。结合实际情况及机制砂对混凝土的影响情况，在确保工程实体强度及混凝土耐久性的前提下，建立了临时机制砂厂，经过环保验收组查阅资料、查看现场等方式，最终通过验收，并正式启动了临时机制砂厂。
2、机制砂与天然砂的差异
从混凝土材料构成的角度，机制砂配混凝土与普通混凝土之间的差别，仅为细集料的不同而已。在现有的机制砂配混凝土研究中，通常是将机制砂作为天然砂的替代品的角度，或者是采用机制砂模拟天然砂的属性角度入手。
2.1、机制砂与天然砂的颗粒形貌不同
本项目的机制砂厂所生产的机制砂是以天然鹅卵石为母材，机械破碎加工而成的，而天然砂是自然风化的结果。机械破碎属于物理分解，自然风化属于“物理+化学+生物”分解，两者具有完全不同的表面特征。天然砂经过长期的自然风化，颗粒表面光滑，能够在混凝土中稳定存在，易填充，而机制砂是瞬间破碎产生的，颗粒较为尖锐，多棱角，表面粗糙。
2.2、机制砂与天然砂的颗粒级配的不同
经过两个月的对机制砂和天然砂的筛分试验，机制砂的颗粒级配较差，细度模数较高，而天然砂的级配较好，细度模数较低，如表1、表2。
表1 天然砂筛分试验结果
通过表1、表2可以看出，天然砂细度模数在2.5~2.8之间，机制砂细度模数能够保持在2.8~3.0之间，均属于中砂，2区级配范围。但是机制砂的粗颗粒较多，级配不如天然砂的级配，4.75mm、2.36mm这两档的分计筛余量较大，而1.18mm、0.60mm、0.30mm三档的分计筛余量较小，＜0.15mm的分计筛余量较多，可以分析出由于机制砂＜0.15mm这档石粉含量较多，导致这档分计筛余较多。机制砂的级配出现了“两头多中间少的”的现象。级配易受生产工艺的影响，因此，需要加强对机制砂生产工艺参数的把控，避免出现级配不符合规范的情况。
3.3、机制砂与天然砂的密度和空隙率
本项目的机制砂厂所生产的机制砂的表观密度试验，表观密度在2600kg/m3~
2700kg/m3，松散堆积密度在1500kg/m3~1600kg/m3，空隙率在38%~43%，机制砂的表观密度一般情况大于天然砂的表观密度，而孔隙率稍小于天然砂的空隙率，由于所生产的机制砂的颗粒较为尖锐，多棱角，颗粒集配粒径在4.75mm、2.36mm这两档料粒径筛余量较大，0.30mm以下的粒径筛余较多，石粉含量多，易填充到骨料的孔隙中，导致机制砂空隙率较小。
3.4、机制砂的石粉含量与天然砂的含泥量
机制砂的洁净程度可以通过亚甲蓝试验，来测试机制砂的MB值和石粉含量，而天然砂的洁净程度用含泥量来表示。通过对本项目的机制砂厂所生产的机制砂MB值和石粉含量进行测试，测试可知，生产的机制砂的MB值大于1.4g/Kg，石粉含量在2.2%~2.8%之间，含量低于3.0%，符合C30~C55混凝土标准要求。
4、机制砂对混凝土性能的影响
由于本标段主要工程有隧道工程（特长隧道3969m）、涵洞工程（一座）和路基工程（200m）。本工程隧道按山岭区高速公路分离式断面设计，双向四车道，设计行车速度80km/h，隧道二次衬砌设计强度为C30钢筋混凝土，抗渗等级要求大于P8。现以隧道二衬C30配合比（水灰比：0.42，砂率为44%，采用三级配碎石）为研究对象，采用置换的方法，机制砂和天然砂进行对比，选用机制砂和天然砂细度模数大致相同的情况下，探究机制砂对混凝土性能的影响。
4.1、机制砂对混凝土和易性的影响
为了探究机制砂对混凝土拌合物和易性的影响，采用的是坍落度试验法。坍落度试验虽然只能能定性粗略的衡量混凝土的和易性，但是坍落度试验可以侧面反映混凝土的流动性、黏聚性和保水性。本项目隧道二次衬砌的C30配合比坍落度设计要求为180mm±20mm，通过多次拌和30L的混凝土，对其性能进行测试，机制砂混凝土的坍落度值为170mm~180mm，而天然砂混凝土的坍落度为175mm~
190mm，机制砂混凝土流动性相对于天然砂混凝土较低；机制砂混凝土在提起坍落度筒时，锥体四周逐渐下沉，坍落后混凝土流动速度相对于天然砂混凝土较慢，但能够以各个方向分布较均匀的扩散，砂子、水泥浆也能较好的包裹住石子，属于正常型，相对于天然砂混凝土的黏聚性，机制砂的黏聚性一般；由于石粉的影响，机制砂混凝相较于天然砂混凝土的保水性，机制砂的保水性较好。总体来看，天然砂混凝土和易性性能优于机制砂混凝土和易性性能，由于机制砂的颗粒形貌和颗粒级配的原因，机制砂颗粒较为尖锐，多棱角，表面粗糙，级配出现“两头多中间少”的现象，但机制砂配混凝土的和易性也能符合规范要求。
4.2、机制砂对混凝土抗压强度的影响
同样的配合比，分为机制砂混凝土，天然砂混凝土，同一天制作试件，各五组试件（尺寸为150mmX150mmX150mm），通过试压不同龄期（3d、7d、14d、28d、56d）的试件，对其进行分析，由表3可以看出，机制砂混凝土强度比天然砂混凝土的强度稍微偏高，约高出2~3MPa。通过分析，机制砂混凝土强度偏高的原因可能由于：（1）机制砂母岩的强度。本标段机制砂厂所用的母岩为天然鹅卵石，通过试验，母岩的抗压强度大约为110MPa，机制砂母岩的强度在一定程度能够反映出机制砂的强度，母岩强度越高，相应的机制砂混凝土抗压强度也越高；（2）机制砂表观较为粗糙，多棱角，凹凸的结构能够提高骨料和水泥基体之间的结合力，有利于提高混凝土的抗压强度；（3）机制砂的石粉可以填充骨料之间空隙从而提高机制砂混凝土密实度。
表3 天然砂配砼与机制砂配砼抗压强度的对比
4.3、机制砂对混凝土的抗渗性能的影响
以隧道二次衬砌的C30配合比（抗渗等级大于P8），进行试件制作，在标准养护56天后，进行抗渗试验。C30机制砂混凝土的抗渗等级可以达到P12，而C30天然砂混凝土的抗渗等级只达到了P10，由此可以看出，机制砂混凝土的抗渗能力优于天然砂混凝土的抗渗能力，可能是由于机制砂中的石粉可以有效改善骨料的颗粒级配，降低了混凝土的空隙率，可以阻止水泥水化过程中产生的毛细孔，改善混凝土的抗渗性能；另一方面，石粉由于比表面积较大可以有效改善混凝土的保水性，提高抗离析能力，降低混凝土内部的孔洞，从而有效的提高混凝土的抗渗能力。
5、解决机制砂对混凝土施工影响的措施
5.1、合理延长拌和时间
机制砂表面比较粗糙，而且棱角较多，在混凝土配制过程中，需合理的延长拌和时间，才能确保浆料全部覆盖机制砂，从而提升粘结力，保证混凝土拌和的均匀性，有利于提升混凝土性能和强度。因此，在采用机制砂配制混凝土时，合理延长拌和时间，能从上确保混凝土的质量和稳定性，满足基础工程建设实际需求。综合机制砂配混凝土性能、用电费用等条件考虑，最终本标段拌合站在机制砂混凝土生产时，延长了20秒的混凝土搅拌时间。
5.2、严格控制生产工艺
为了充分发挥机制砂的性能，确保混凝土质量，必须严格把控机制砂的生产工艺。因此本机制砂厂制定了严格的规章制度和操作规程，并要求机制砂在生产前，生产工作人员需要对安全生产条件和生产参数进行检查，包括：临时用电、防护措施、破碎机的运转情况、筛子直径要求、循环水等。试验室对所生产的机制砂质量进行严格把控，各项指标（颗粒级配、细度模数、石粉含量、泥块含量等）都需要符合规范要求。每次调整生产工艺参数或者更换母岩来源，都需要对生产的机制砂进行试验。本标段机制砂厂所生产的砂的主要原材料为天然鹅卵石，母材货源较为稳定，母材强度较高、较为洁净，母材的强度和洁净程度在一定程度上确保了所生产机制砂的质量。机制砂在生产过程中要严格控制石粉的含量，石粉含量过高可能会影响混凝土的性能。
5.3、合理控制混凝土拌和和运输
由于本标段主要工程为隧道工程（特长隧道3969m），两个作业队，分为隧道出口、隧道进口，同时进行开挖。结合工程特性和施工规模，本标段合理布置了混凝土拌和站的位置，为隧道进口1#拌合站、隧道出口2#拌合站。隧道进口1#拌合站位置离隧道洞口直线大约500米，而机制砂厂的位置离隧道进口1#拌合站约1000米，混凝土运输距离大概在800m~2500m，运输距离较短，避免发生混凝土离析现象。从混凝土拌和站运输到施工地点时确保了混凝土的坍落度符合要求，在运输过程中，尽量减少停留次数，对最大限度上降低混凝土的坍落度经时变化量，避免影响混凝土的最佳浇筑时间，从而保证混凝土的浇筑质量和耐久性均能满足设计要求。拌合站已按要求对自动计量系统进行计量检定，并定期用标准砝码对计量系统进行周校、月校，确保了混凝土生产时计量准确。
6、结论
由于机制砂与天然砂之间材料性能的差异性，决定了其对混凝土性能的影响，具体表现为机制砂的颗粒形貌、级配、细度模数、石粉含量的不同。通过对机制砂和其所配的混凝土性能等方面的试验，发现本标段机制砂厂所生产的机制砂试验参数和所配混凝土性能指标都能满足规范要求，部分指标已优于天然砂配混凝土指标。在实际的机制砂生产中要严格把控工艺，对机制砂的各项指标需进行追踪分析，避免出现不合格的机制砂用于工程实体，生产时需要优化机制砂的颗粒级配，可以更好地提升机制砂混凝土质量。
参考文献：
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