机制砂和特细砂配制混凝土的性能与应用

邓桥，邹洋，张波

(中交四航局第一工程有限公司)

0 前言

混凝土是现代土木工程建设最主要的建筑结构材料，细集料是混凝土重要组成部分，其对混凝土拌合物的工作性和硬化后的物理力学性能和耐久性等均具有重要影响。在工程建设中，一般主要采用性能良好的天然中、粗砂作细集料配制混凝土，随着建设规模的扩大，混凝土的大量应用，天然砂资源已日益短缺。在此形势之下，机制砂生产企业应运而生，机制砂的开发及应用研究也在科研院所及部分企业迅速开展起来。国内科研试验人员做了大量的关于机制砂混凝土方面的试验研究工作。

《建设用砂》GB/T 14684-2011、《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50-2011、《机制砂、混合砂混凝土应用技术规程》DB50/5030-2004等国家、行业、地方标准规定了砂的级配标准和石粉含量限值，其中对机制砂的级配要求与天然砂的相同，为了满足标准规定的石粉含量要求，机制砂中过量的石粉必须通过水洗或风选去除，必将造成细集料中缺少细颗粒，级配不良，而适量特细砂的掺入，可补充0.3mm以下颗粒含量，有效的调整机制砂的颗粒分布，改善细集料的级配，使之符合技术规范要求。

结合重庆三环高速公路建设，考虑重庆地区原材料特性和公路桥涵施工行业特点，对机制砂和特细砂混合而成的混合砂配制混凝土进行技术研究，主要考察机制砂和特细砂的掺配、混合砂混凝土的配制、混合砂混凝土的工作性能和力学性能等。

1 主要原材料

1.1 细集料

(1)特细砂。

合川临哲建材有限公司在渠河开采的特细砂。性能指标见表1。

(2)机制砂。

合川临哲建材有限公司生产的卵石机制砂。

石粉是机制砂加工后形成的粒径小于0.075mm的和母岩相同成分的颗粒，适量的石粉对配制混凝土是有利的，适量石粉的存在，能弥补机制砂混凝土和易性差的缺陷。而泥对混凝土是有害的，应该严格控制其含量。现行国家行业规范等如《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50-2011出于控制含泥量的考虑，对石粉含量也进行了严格的控制。为了达到规定的石粉含量要求，采用了经过水洗工艺的卵石机制砂，制砂用卵石源于经水洗后的涪江卵石。性能指标见表1。

(3)天然砂。

产于洞庭湖的Ⅱ类中砂(湖砂)。

天然中砂从洞庭湖船运至重庆码头，然后汽运至合川，运距1000km左右。其性能指标见表1。

表1 特细砂、机制砂、天然中砂的技术性能指标

1.2 碎石

合川虹发采石场生产的5～25mm碎石(由70％的10～20mm碎石和30％的5～10mm碎石掺配而成)。主要技术性能指标见表2。

表2 碎石主要技术性能指标

1.3 水泥

拉法基瑞安(重庆)特种水泥有限公司生产的P.O42.5R水泥。主要技术性能指标见表3。

表3 水泥主要技术性能指标

1.4 粉煤灰

广安顺胜粉煤灰有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰。主要技术性能指标见表4。

表4 粉煤灰主要技术性能指标

1.5 减水剂

重庆九乐建材有限公司生产的RH-1高效减水剂。主要技术性能指标见表5。

表5 减水剂主要技术性能指标

2 试验与结果讨论

2.1 混合砂的掺配

混合砂中特细砂与机制砂比例的确定，混合砂细度模数的计算可用重庆市地方标准《混合砂混凝土应用技术规程》DB50/5030-2004中的简易公式计算

式中:Uf(混)为混合砂的细度模数;Uf(机)为机制砂的细度模数;Uf(特)为特细砂的细度模数;A(机)为机制砂的掺配比例;A(特)为特细砂的掺配比例。

根据上述公式，按照30％的特细砂和70％的机制砂混合计算混合砂的细度模数=1.4×0.3+3.6×0.7=2.9，将特细砂和机制砂按照比例混合后进行筛分，实测混合砂细度模数为2.8，与计算值相近。混合砂筛分级配范围见表6。结果表明，除了2.36mm筛的累计筛余不在Ⅱ区砂的曲线范围外，其余筛都符合，且2.36mm筛的累计筛余超出量为1.8％，符合《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50-2011规定的人工砂可以超出的限值5％。适量的掺配比例，可以将原本不符合规范级配范围要求的特细砂和机制砂配制成符合要求的混合砂。

表6 30％特细砂和70％机制砂混合实际级配

在实际工程应用中，可以根据需要的细度模数、特细砂和机制砂的实际细度模数，通过简易公式进行反向计算，得出特细砂与机制砂的掺配比例，快速应用于工程建设。

2.2 不同细集料种类的混凝土配制与性能

配合比设计依据《普通配合比设计规程》JGJ55-2011、《机制砂、混合砂混凝土应用技术规程》DB50/5030-2004进行，混凝土的工作性及物理力学性能依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTG E40-2005进行。在混合砂混凝土的配制过程中，从初始配合比的计算到基准配合比的确定，需要经过多次的调整。在整个调整过程中，选择合适的用水量、砂率、减水剂掺量等，以达到最佳的工作性能。试验采用不同的混合砂掺配，相同的配合比，配制的混凝土的工作性能及强度结果见表7。配合比为m水泥∶m细集料∶m粗集料∶m减水剂∶m水=469∶736∶1060∶8.98∶166。

表7 不同掺配比例的混合砂配制的混凝土的工作性及强度

从混凝土的工作性能来看，混凝土坍落度随细砂掺量的增加，呈现出先增加后降低趋势。这是因为机制砂的颗粒级配不合理，颗粒不规则，棱角较多，表面粗糙。掺入部分特细砂后，可以填充原先颗粒间的空隙，在一定掺量范围内，掺量越多，颗粒级配越好。同时，天然细砂的掺入，减少了机制砂之间的内摩擦力，从而增加了混凝土的流动性。数据表明，当细砂掺量在30％～40％时，混合砂混凝土的工作性能最佳，具有最佳的颗粒级配;当细砂掺量超过40％时，由于特细砂的颗粒偏细，偏高的掺量导致需要更多的水泥浆来包裹集料，从而使需水量要增加，导致在相同用水量的条件下，混凝土的工作性能变差。

从混凝土的力学性能来看，全机制砂混凝土的强度最高，随着特细砂在混合砂中所占比例的提高，混凝土强度呈降低趋势。当特细砂掺量在0％～30％时，混合砂混凝土的28d抗压强度均略高于纯天然砂的强度。可能是由于机制砂的表面粗糙，且棱角较多，石粉的填充效应等，有利于增加混凝土中水泥石和集料的咬合作用，改善界面性能，适量特细砂的掺加，调整了原先机制砂的级配问题，提高混合砂混凝土的密实性，从而提高了混凝土的强度。

2.3 天然砂和混合砂混凝土的弹性模量和抗渗性能

对30％特细砂和70％机制砂(A3)和全天然中砂(A5)的配合比分别做弹性模量试验和抗渗性能试验，均采用28d标准养护试件。弹性模量试验取6个试件，其中3个进行轴心抗压强度试验，并取轴心抗压强度平均值的1/3作为另外3个试件的弹性模量试验的加荷标准进行试验，得到混凝土的静力抗压弹性模量。抗渗试验时，水压从0.1MPa开始，每隔8h增加水压0.1MPa，并随时观察试件表面渗水情况，直到6个试件中的3个试件表面渗水或者加压到1.2MPa并保持8h后无3个试件渗水方可停止试验。试验结果见表8。

表8 天然砂和混合砂混凝土的力学性能和抗渗性能

表8试验结果表明，相同龄期的混合砂混凝土和天然中砂混凝土相比，两者的弹性模量相近，混合砂的弹性模量略高于天然中砂。对比二者抗压强度的增长规律可以发现，相对于天然中砂混凝土，混合砂的7d抗压强度增长较快，后期强度增长较慢。可能是由于在水化前期，机制砂表面粗糙棱角较多，水泥石与骨料颗粒之间要合理较大，从而使得水泥石与骨料界面滑动困难，变形较小，特细砂又在机制砂中起到填充的作用，增加内部致密程度，降低了孔隙率，从而提高了其弹性模量。

同时，混合砂与天然中砂配制的混凝土一样，具有优越的抗渗性能，均能达到S12级。混凝土的抗渗性能越好，说明混凝土孔隙率越小，内部结构致密，腐蚀物质就越不易渗入到混凝土中，混凝土抵抗侵蚀的能力就越强，具有较高的耐久性能。

2.4 不同强度等级混合砂混凝土的性能

将上述得到的最佳比例的混合砂(30％特细砂+70％机制砂)用于不同强度等级的混凝土，再次验证特细砂和机制砂组合后配制的混凝土的工作性能和硬化后的力学性能。试验结果见表9。

表9 不同强度等级的混凝土的工作性能和力学性能

从表9可以看出，按照30％特细砂和70％机制砂掺配而成的混合砂可以应用于各不同等级混凝土中，其工作性能包括坍落度、坍落度损失、和易性等指标优异，能够满足现场施工要求，其抗压强度能满足设计及规范要求，同时对于有抗渗性要求的，也能够满足设计要求。

3 混合砂混凝土在工程中的应用

重庆三环高速公路是重庆市高速路网的重要组成部分，铜梁至合川段作为三环的一部分连接重庆市的两个重要城市，位于重庆市西北经济区，西起铜梁城北二龙碑附近，途经二坪、旧县、十塘，东止渝武高速公路合川南沙溪庙互通，是连接渝遂、渝武高速公路的重要通道。其中的第三、四标段共有包括C15、C20、C25、C30、C40、C50等各种等级的混凝土约8万余m3，其中约6万m3采用特细砂和机制砂掺配的混合砂混凝土，其混凝土拌合物工作性能良好，完全满足施工要求，硬化后结构物外观质量较好，无严重外观质量问题。所有混凝土试件标准养护强度和结构物现场回弹强度均满足设计要求。另外2万m3混凝土采用天然中砂配制，同样取得了良好的效果。

4 结论

(1)机制砂与特细砂按比例混合配制成复合砂，可以按照Uf(混)=Uf(机)*A(机)+Uf(特)*A(特)简易公式计算细度模数。混合砂的掺配，既解决了机制砂的缺点，又可机动调整复合砂细度模数以满足规范中对细集料级配的要求，还保证了混凝土的密实性，提高了混凝土的施工性能及强度

(2)机制砂与天然砂的比例存在着一个最佳掺量，在本文试验条件下，特细砂的比例为30％～40％相对最好。但是不同地方的原材料差别较大，砂的细度模数不同，机制砂的级配组成等都可能影响其最佳掺配比例，实际需要对其试验调整以达到最优性能。

(3)适量特细砂掺量的混合砂混凝土的工作性略差于天然中砂，其抗压强度和弹性模量略高于天然中砂混凝土，抗渗性能俩者相当。各种等级的混合砂混凝土的工作性能和力学性能均能够满足设计和施工要求。混合砂完全有代替天然中砂的条件，以带来较好的社会效益、经济效益和环境效益。然而在实际应用过程中，由于传统观念的影响，在较高等级的混凝土中的应用仍存在不少阻力，转变部分管理人员的过于谨慎的传统观念，仍需要一定的努力。

[1] 张建波，等.混合砂混凝土性能研究[J].重庆建筑大学学报，2002，24(3):86-90.

[2] 建设用砂(GB/T 14684-2011)[S].北京:中国标准出版社，2011.

[3] 公路桥涵施工技术规范(JTG/T F50-2011)[S].北京:人民交通出版社，2011.

[4] 机制砂、混合砂混凝土应用技术规程(DB50/5030-2004)[S].重庆:重庆大学出版社，2004.

[5] 岳海军，等.水泥混凝土用机制砂的级配探讨与试验[J].混凝土，2012，(3):91-94.