浅谈机制砂替代河砂用于高标号混凝土的可行性

刘三豆，欧 宁，林 旭

(1.湖南路桥建设集团公司，湖南长沙 410004;2.湖南省吉茶高速公路建设开发有限公司，湖南吉首 416000)

1 工程概述

湖南省吉首至茶洞(简称吉茶)高速公路是国家高速公路网包头至茂名高速公路的重要组成部分，也是湖南省规划的“五纵七横”高速公路网的重要组成部分。线路起于湘西土家族苗族自治州首府吉首市，路线沿湘川公路(319国道)走向，途经吉首矮寨盘山公路，终于湘黔渝三省(市)交界处的“边城”茶洞镇。为我省典型的山区公路，全线桥梁隧道比重大，主线长65 km，项目总投资50.6亿元。

吉茶高速所处湘西自治州为我省典型的山区地形，有丰富的坚石资源，流经吉首境内的峒河河砂资源稀缺，工程用砂来自于岳阳和怀化辰溪。由于天然河砂产地远，矮寨盘山公路制约材料运输，使得工程用砂供应不足和不及时的矛盾日益突出，导致河砂价格越来越高且无法满足吉茶高速用量的要求，大幅地加大了吉茶路的建设成本，极大地制约了工程建设的持续发展。为此，吉茶公司在全省高速公路系统中率先提出用机制砂代替河砂运用于高标号混凝土的方案，吉茶公司总工室、材料部牵头，由我部吉茶高速15标对机制砂进行了大量实验，初步证明机制砂代替河砂用于高标号混凝土的方案可行，再经过设计院和有关专家的一系列实验论证，得出机制砂代替河砂运用于高标号混凝土技术指标可行，且符合吉茶路实际情况，最后此方案得以通过。梁板静载实验和桩基检测实验合格也进一步证明机制砂代替河砂运用于高标号混凝土切实可行。

2 机制砂混凝土工作性能的认识

1)石粉含量多少影响机制砂水泥砂浆的耐磨性和用水量:经试验得出破碎生产出来的机制砂石粉(粒径 ＜0.075 mm)含量在10% ～20%，石粉含量小于10%时，机制砂的耐磨性要好于天然河砂，石粉含量大于10%时，机制砂的耐磨性要差于天然河砂。混凝土的需水量随着石粉含量的增加而增加，当石粉含量介于5% ～10%时，用水量不必增加很多也可以保持工作性。要将机制砂石粉几乎除净，这会增加生产难度，提高生产成本，从混凝土耐磨性和生产成本考虑，认为机制砂石粉含量在3%～7%比较适宜，且适合用于对耐磨性要求较高的路面混凝土中，桥涵及其它结构物混凝土从耐磨性考虑对石粉含量可适当放宽要求。

2)机制砂混凝土强度:经过一系列的大量试验证明，在同一原材料配合比试配时用机制砂代替河砂能取得混凝土某些工作性能的改善。见表1，在对比试验中，明显发现同样材料的配合比，使用机制砂混凝土的坍落度明显比使用河砂的混凝土偏大，但是强度较之高了很多，而且密实效果比河砂混凝土要好。综上所述:使用机制砂代替河砂的技术不但提高混凝土的强度，加快早期强度的提升速度，为后续施工提供有利的保障，而且还可以节约成本。但值得注意的是:机制砂混凝土对混凝土结构物的外观还存在不足，如果不注意施工细节，将会产生不良的后果。

3)机制砂混凝土体积稳定性:机制砂混凝土收缩随水灰比、石粉含量增加而增大，因为石粉量越大，需水量会越大，这就增加了混凝土的收缩性。机制砂混凝土早期龄期干缩值要比天然砂混凝土大，但后龄期干缩值相差不大，为了降低混凝土收缩的不利影响，机制砂混凝土一定要注意早龄期的养生，建议掺入适当的粉煤灰可以改善机制砂混凝土的干缩性能。

4)机制砂的耐久性和抗渗性:由于机制砂颗粒形状粗糙、尖锐、多棱角、比表面积大，但机制砂中的适量的石粉填充了颗粒空隙，阻断了透水通道，使混凝土结构更为致密，它的存在对完善混凝土的细集料级配、提高混凝土密实性都有益处，比天然砂混凝土具有更好的粘聚性和抗渗性，适用于有防水、防渗要求的工程。当石粉含量大于5% ～7%时，对抗渗性影响不大。

5)如果机制砂石粉中混有过多的泥粉、杂质，则会严重降低混凝土的工作性、抗收缩开裂及抗冻性，不利于机制砂混凝土的高性能化。

表1 C50河砂和机制砂混凝土对比

3 机制砂的选用

机制砂混凝土较河砂混凝土在局部性能方面有一定的优越性，但得因地而用。

1)有合格质量河砂的地区需首选河砂配置混凝土，缺乏河砂且有合格机制砂的地区宜使用机制砂。

2)河砂是经过地质、流水等长期作用而形成，使其本身就具备了合格的强度，而机制砂是由岩石通过机械破碎而成，强度完全取决于岩石本身。经过对当地几种岩石和工程常见具有代表性的岩石抗压强度进行试验得出:页岩、泥灰岩、砂岩强度过低，不适合用于轧制机制砂，而当地弱风化灰岩岩性坚硬，沿线分布广泛，强度适中便于轧制，是很好的机制砂母岩材料，花岗岩和石英岩强度过高，开采困难，不利于机械轧制，不宜使用。见表2。

表2 当地几种岩石的抗压强度

4 机制砂混凝土施工时应注意点

机制砂混凝土在拌制、运输、浇筑、养护等施工要求与天然砂混凝土施工要求基本相同，但应注意以下几点:

1)保证机制砂的质量稳定。加强机制砂的级配、细度模数、石粉含量、石质强度的经常性检测，不同来源地机制砂应分别堆放，对于同一来源的机制砂如果细度模数、石粉含量变化范围较大，也应分别堆放，并调整配合比中的砂率后使用。

2)加强机制砂混凝土的拌合。机制砂含有较多的石粉，在拌制过程中不易搅拌均匀，应用强制式搅拌机搅拌，相比河砂应适当延长搅拌时间约60 s，使石粉和砂砾拌合均匀，充分发挥机制砂的和易性和粘聚性。

3)加强机制砂混凝土拌合物的质量控制。机制砂混凝土的工作性对用水量和减水剂以及级配、石粉含量的变化较敏感，故应定期校核计量设备，严格控制计量精度，加强机制砂的质量检查，加大坍落度的检测频率。

4)合理振捣，防止漏振、欠振和过振。特别应注意的是，在振捣作用下，机制砂混凝土比河砂混凝土易于液化，故机制砂混凝土要比同塌落度的河砂混凝土适当缩短振捣时间，避免过振，以克服机制砂混凝土的泌水现象，防止出现蜂窝、麻面及表面形成疏松层。工程实践表明机制砂混凝土较河砂易于液化主要原因是由于混凝土在过振情况下，粗集料下沉，细集料尤其是石粉浮于混凝土表面，从而破坏了混凝土集料级配分布，易出现泌水现象。

5)加强早期养生，适当延长养生时间。由于机制砂石粉含量较高，早期收缩大，一定要浇筑后及时养护，养护期9～10 d为宜。

6)机制砂的表观密度一般较天然河砂大，导致机制砂混凝土容重高，因此在采用假定容重法进行配合比设计计算时，不宜套用天然河砂的密度，而应采用实验求得的机制砂密度，机制砂混凝土的假定容重应控制约比相应的天然河砂混凝土高30～40 kg/m3。

5 机制砂混凝土的优越性

1)抗压强度、抗折强度、梁板静载实验等结果表明，机制砂混凝土能够确保高速公路工程质量。混凝土试块强度合格、表面平整、光滑，满足混凝土内在质量和外在观感。

2)由于机制砂料场分布在高速公路沿线，从而大大缩减了运输距离，降低了运输成本，基本杜绝了停工待料等因材料供应不及时的窝工现象，加快了施工进度。

3)机制砂混凝土能大大降低工程成本，以一片30 m T梁为例，混凝土方量为33.14元/m3，按配合比计算机制砂约为14.3元/m3，岳阳天然河砂到岸价为320元/m3，机制砂到岸价为80元/m3，一片C50 T梁就节省3 432元，吉茶C15标共计310片T梁，那么共计节约1 063 920元，直接经济效益非常可观。

6 结束语

机制砂替代天然河砂必将成为缺砂地区建筑用砂的重要来源，如何选择合适石粉含量的机制砂用于配置混凝土以及如何更有效地去除杂质等问题还将有待进一步研究和规范(吉茶高速公路机制砂厂去除石粉、杂质主要用水洗法，这样会大量浪费和污染水资源，同时洗掉的还有 0.015，0.3，0.6 mm 的级配颗粒，破坏机制砂的级配，导致混凝土工作性差)。

［1］GB/T14684－2001，建筑用砂［S］.