浅谈机制砂的研究与应用

摘　要:介绍了国内外机制砂的应用情况,通过相关试验的研究,得出机制砂含量对水泥拌合物性能的影响,论述了机制砂的技术要求,通过应用实例验证了机制砂的可行性。

关键词:机制砂,使用性能,水泥拌合物

1 　机制砂应用概述

1. 1 　国内外应用机制砂的情况在美、英、日等工业发达国家使用人工砂(机制砂) 作为混凝

　　土细骨料已有30 多年历史,在各种建筑工程中应用比较普遍,关于机制砂的材料与试验、使用标准已相当完善。而我国在建筑方面采用机制砂从20 世纪60 年代已经起步,但河砂、江砂等天然砂的使用还比较普遍,1973 年国家建委在贵州省召开了机制砂在混凝土中应用的论证会,通过建材业和建筑业的经验交流,肯定了研究成果,并制定了《机制砂混凝土技术规程》。自此,机制砂的应用范围得以扩大,由建筑行业扩大到公路、铁路、水电、冶金等系统,由挡护工程扩大到桥梁、隧道及水工工程,从砌筑砂浆发展到普通混凝土、钢筋混凝土,预应力混凝土、泵送混凝土、气密性混凝土及喷锚支护等工程。但是由于试验标准与技术规范的不完善及试验材料的滞后,我国建筑业对天然砂还存在较强的依赖性,在许多重要结构中对机制砂的使用还存在限制条件。采用机制砂多数是在天然砂供应不足或经济比选相差悬殊时不得已而为之的方案。

1. 2 　在建筑施工中大量应用机制砂势在必行

　　砂是混凝土组成的主要材料,随着建筑业发展和对建筑工程质量的重视,建筑市场用砂数量越来越大,质量上要求越来越高,而合格的天然砂资源却越来越少,由此引发的工程质量,破坏农田、水利资源问题日趋严重,砂生产也因资源的变化而有所改变,建筑用砂的质量和数量对建筑市场的影响日益明显。承认人工砂合格的建材地位并加以规范利用是势在必行的。

2 　使用机制砂与天然砂对比试验结果

2. 1 　坚固性与耐久性试验

　　机制砂的坚固性能比河砂稍差,但仍然达到GB/ T 141684293标准的优等品指标,在普通混凝土中使用不存在问题。但在经常遭受摩擦冲击的混凝土构件中使用,除必须掺用外加剂,还应控制混凝土的灰砂比和砂的压碎指标与石粉含量。

2. 2 　机制砂石粉含量对水泥拌合物性能的影响

2. 2. 1 　水泥的试验

　　为探明机制砂中的石粉对水泥性能的影响,按内掺法将粒径小于75μm 的石粉掺入水泥中试验。结果表明:石粉取代部分水泥后,对凝结时间和安定性均无影响。当取代量小于5 %时,水泥强度略有提高(1 %～4 %) ,其原因主要是石粉中的碳酸盐在水泥水化过程中与水泥的铝硅酸盐形成碳铝酸盐,使水泥强度得以提高;当取代量大于10 %时,随取代量的增加水泥强度呈直线下降,原因是水泥的铝成分有限,过多的石粉只能起惰性料的填充作用,反而降低水泥的活性。

2. 2. 2 　砂浆试验

　　采用两种水泥在配合比相同条件下,掺入不同比例的石粉(颗粒粒径小于75μm) 拌制砂浆,试验结果表明:

　　a. 有石粉的砂浆强度都要比无石粉者高。

　　b. 石粉能充分填充颗粒间的空隙,提高拌合物的密实度,使砂浆容重随石粉的增加而变大。

　　c. 石粉的存在加大了砂的比表面积,拌合物的需水量相应增多,故砂浆稠度随石粉增加而减少。

2. 2. 3 　混凝土试验

　　结果表明:在水灰比相同的条件下,机制砂中小于75μm 的砂粉含量在30 %以下时除高等级混凝土的抗压强度略低于中砂(河砂) 混凝土外,其他的抗折、抗拉、抗压强度以及钢筋的粘结力都高于河砂混凝土,参照有关国外文献资料的结论相符。

2. 3 　混凝土耐久性试验

　　根据GBJ 82285 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准;混凝土抗压疲劳强度试验荷载采用受压稳定脉冲荷载试验荷载循环次数为200 万次,下限应力与上限应力的比值称为荷载循环特征系数( P) ,为0. 15 。在此条件能承受200 万次反复荷载不破坏,即可在桥梁等混凝土结构物使用。试验结果表明,机制砂混凝土能够满足这方面的要求,在自然条件的外力作用下影响混凝土建筑物寿命的诸多因素,一般认为冻融交替是主要环节,机制砂混凝土能够满足技术规范要求。同时,机制砂密度大,空隙率小,有利于提高混凝土抗压弹模的受压徐变强度。机制砂的收缩率比河砂混凝土略小,主要受石粉含量的影响。根据国外有关资料介绍,混凝土的收缩率随集料小于75μm 粉尘含量的增加而变大,所以使用机制砂时(特别是高强混凝土) 除掺用外加剂,降低用水量和加强搅拌捣振、养护外,还应适当限制75μm 的粉尘用量。

3 　机制砂的技术要求

3. 1 　技术指标要求

　　GB/ T 1468422001 建筑用砂中的对机制砂的颗粒级配与天然砂的级配基本相同,只是50μm 的筛有些放宽,这主要原因是根据以往应用机制砂的经验特征所规定的。

3. 2 　亚甲蓝MB 值

　　亚甲蓝MB 值检验专门用于检测小于75 μm 的物质是纯石粉,还是泥土的一种检验方法。由于机制砂的外貌特征与天然砂不同,天然砂外观呈黄色,含泥量高低从外观上可以判定其多少。而机制砂多数呈灰白色或黑色,颗粒尖锐,看上去石粉很多。机制砂的石粉含量根据混凝土强度等级分别定为3 % ,5 % ,7 % ,比天然砂含泥量相对放宽2 %。为防止机制砂在开采加工过程中因各种因素掺入过量的泥土,在GB/ T 1484622001 建筑用砂中规定了测试机制砂石粉含量时必须先进行亚甲蓝MB 值的检验或快速检验,而且都定为砂材料出厂(场) 和施工时现场复试的必检试验项目。亚甲蓝MB 值检验检测结果,合格的机制砂石粉含量按3 % ,5 % ,7 %控制使用;亚甲蓝值的检验检测结果,不合格的机制砂的石粉含量按1 % ,3 % ,5 %(与天然砂的含泥量相同) 控制使用,这样就避免了因机制砂的石粉含量过高而给混凝土带来的负作用。

3. 3 　石粉的控制观点

　　由于石粉的存在对其拌合物的作用有有利的方面也有不利的方面,因此可以对石粉进行控制使用。国际上对机制砂石粉的要求有所不同。美国耐磨混凝土小于5 % ,用于普通混凝土小于7 % ,用于砂浆小于10 %;英国对于重载混凝土的机制砂石粉含量要求小于8 % ,对于用普通混凝土机制砂石粉含量15 %;日本对用于混凝土机制砂石粉含量要求是小于7 %。由于我国建筑业应用机制砂处于起步阶段,而我国地域广阔,矿产复杂,各地生产和使用机制砂的水平相差很大,因此国标在对石粉的控制要求偏于亚甲蓝,但根据多次使用机制砂及株六铁路复线、四川高县惠泽水库施工中针对石粉对混凝土性能影响展开的大量试验数据可以证明,对机制砂石粉含量可以放宽标准使用,可参照以下标准进行试验后确定控制含量:配制强度等级大于C30 的混凝土机制砂石粉含量小于10 % ,配制强度等级为C20～C30 的混凝土机制砂的石粉含量小于15 %。配制强度等级小于C20 的混凝土机制砂的石粉含量小于20 %。

　　用机制砂配制混凝土与天然砂无大的区别,一般来讲,同坍落度的前提下,机制砂的用水量要稍大些,但要根据施工条件及结构物和运输等因素考虑。但对混凝土的强度基本不变;用机制砂配制泵送混凝土等特种混凝土时注意砂率不宜过高,防止降低混凝土强度和耐久性等工程质量。

4 　应用实例

　　四川省宜宾市高县惠泽水库枢纽工程,是一座以灌溉为主。中铁十五局集团承建的主要任务为拦河大坝,坝顶高程482 m ,最大填高60. 2 m ,坝顶轴线长226 m ,坝体采用C15 混凝土砌条石重力坝。水库枢纽工程浇筑C15 ,C25 ,C30 混凝土101 973 m3 ,需地材188 649 m3 ,其中砂用量66 282 m3 ,按照计算对比,采用机制砂与远运天然砂价差达33 元/ m3 ,除动建砂场的费用30 万元,节约投资189 万元,该公司着手进行了机制砂应用在水工混凝土中的试验研究;在株六复线铁路建设中,由于地处贵州山区,河砂少,山砂质量保证不了混凝土的质量,如采用火车远运砂,差价达12 元/ m3 之多,仅该公司用砂8 万余m3 ,全线大多数施工单位均采用机制砂,其经济效益十分显著。

5 　结语

　　在工程建设过程中,砂石作为混凝土结构材料的重要组成部分,其质量优劣对整个工程的质量及耐久性具有举足轻重的影响。在满足用砂性能指标的前提下,选用经济可行的方案,既要满足施工质量要求,又要有效地控制生产成本,这样在天然砂资源缺乏的地区,使用优质机制砂进行混凝土施工生产不仅是可行的,其综合效益也是显著的。同时在机制砂使用中,也可以进行建筑材料学科方面的研究试验,积累经验,为学科的发展奠定基石。