机制砂掺河砂混凝土的配制及性能研究

陈立兵 陈 攀*

(中交二航局六分公司，湖北 武汉 430017)

机制砂掺河砂混凝土的配制及性能研究

陈立兵 陈 攀*

(中交二航局六分公司，湖北 武汉 430017)

通过对中交二航局武深高速TJ-5标机制砂掺河砂混凝土的研究，阐述了机制砂与天然河砂的特点，对机制砂掺河砂混凝土的级配情况进行了分析，指出机制砂掺河砂混凝土具有更好的经济性和适用性。

机制砂，河砂，混凝土，性能，适用性

1 研究背景及意义

近年来，各类建设项目与日俱增，混凝土的需求量不断增加；砂是混凝土重要组成部分之一，其需求量也不断增加。由于优质天然砂属于不可再生资源，并且随着近年来环境保护意识的加强，一些地区天然砂的开采受到限制，优质天然砂面临供不应求的局面。为了解决天然河砂不足，项目所在地河砂级配差且偏细的矛盾，机制砂得到了越来越广泛的应用。单纯用机制砂配制混凝土其和易性较差，增加泵送难度。而机制砂掺偏细河砂混凝土不仅具有较高的经济性和适应性，且机制砂的生产受气候、季节影响小，料源稳定充足，成本低，在生产工艺上能有效控制，其品质指标相对稳定。而偏细河砂本身级配不良，很多区域不准使用，两者结合使用有利于提高工程质量，确保生产进度，降低工程成本。

2 工程概况

本项目位于咸宁市崇阳县境内，因受制于当地水文地质特点，天然河砂资源匮乏，大多从外地调运，其料源不稳定级配差且偏细，价格昂贵，随着施工进入高峰期，混凝土需求量急增，当地天然河砂远远不能满足现场施工的需求。本项目线路全长14.593 km。按双向四车道高速公路标准修建，设计速度为100 km/h。合同段内共有隧道2座，主线桥梁15座，30 m预制箱梁1 098榀；涵洞、通道共40道。混凝土方量共计约为24万m3。

3 工程面临的主要技术挑战

结合常规混凝土施工应用于本工程中，存在以下问题：1)当地河砂资源匮乏，河砂价格较高，运距远，不利于成本控制，其料源不稳定，级配差且偏细，混凝土施工难以控制；2)单一使用机制砂作为细集料用于混凝土中，混凝土坍落度损失较大，和易性较差，泵送难，在运输距离较远的情况下，不利于现场施工。为了解决以上问题，本项目根据机制砂和河砂的特点，提出使用本项目隧道中开采出来的岩石资源生产的机制砂与河砂混掺用做混凝土细集料，并进行了混凝土配合比的试验研究工作。

4 机制砂与天然河砂特点

4.1 本项目机制砂与天然河砂简介

机制砂颗粒形呈三角形或方矩体，表面粗糙，棱角尖锐，有的片状颗粒较多。本项目生产的机制砂细度模数在3.2～3.6之间，大多偏粗，级配不良，致使机制砂混凝土存在和易性差，易离析等问题，这就势必使得在配制机制砂过程中加大水泥用量，增加混凝土的成本。

因本项目地处山区受地理条件的限制，天然河砂级配较差，大多偏细，细度模数基本在1.9～2.3之间，无优质河砂资源供应。

根据机制砂和河砂的特点，机制砂普遍较粗，筛余 0.3 mm以下所占的比例较小，而当地天然河砂的粒径0.3 mm以下细颗粒所占比例较多，与机制砂复合正好可填补0.3 mm以下的累计筛余，使细骨料具有良好的级配。与此同时，天然河砂可减小机制砂之间的内摩擦力，从而使混凝土获得良好的施工性能，因此，混合砂混凝土的和易性与流动度接近优质天然中砂混凝土，甚至工作性能更好。将机制砂和天然河砂按一定比例配合而成的混合砂，用于混凝土中，不仅能节约成本，而且能大大改善混凝土的工作性能。

4.2 本项目机制砂与天然河砂级配情况

取用于本项目施工中具有代表性的机制砂和河砂进行筛分试验，其结果见表1。

表1 机制砂与河砂的筛分试验结果

由表1试验数据可见，该机制砂级配区属Ⅰ区，级配不良，细度模数Mx=3.4，为粗砂，而天然河砂细度模数Mx=2.3，为中砂且偏细。因此，在机制砂中掺入一定比例的天然河砂调整机制砂的颗粒级配，以达到Ⅱ区中砂的级配要求。结合机制砂、河砂原材料价格，通过试验计算分析可得出，当混合砂中机制砂与河砂掺配比例为60%∶40%时，其所配得混合砂的细度模数为2.9，级配区间为Ⅱ区，且具有较好的经济性，因此本研究优选机制砂与河砂掺配比例60%∶40%。混合砂合成试验数据见表2。

表2 60%机制砂与40%河砂的合成试验数据

5 机制砂掺河砂混凝土配合比的研究

结合本项目原材料特点，通过试验分析确定了混合砂的掺配比例，然后进行机制砂配合比、河砂配合比和混合砂配合比的设计与试配比对试验，并对其力学性能和工作性能进行研究分析。

5.1 原材料的选择

细集料为武汉鸿业成建筑工程有限公司生产的机制砂(细度模数3.4)和崇阳县肖岭公路局生产的天然河砂(细度模数2.3)；粗集料为崇阳县昌盛采石场碎石5 mm～20 mm∶16 mm～31.5 mm=60%∶40%比例掺配，合成5 mm～31.5 mm连续级配；水泥为华新牌P.O42.5；粉煤灰为岳电厂F类Ⅱ级；减水剂为中交二航武汉港湾新材料有限公司生产的LS-SP聚羧酸系高效减水剂，减水率29%。

5.2 机制砂掺河砂混凝土配合比的研究与分析

本项目的混凝土设计等级为C15～C50六个等级，本试验以C30墩柱混凝土为研究对象，进行单一砂和混合砂混凝土配合比的设计与试配研究，并对其影响因素进行分析探讨。C30墩柱混凝土设计要求：坍落度160 mm～200 mm。

5.2.1 配合比设计

按照常规配合比设计方法，根据设计文件和JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程要求对单一河砂混凝土配合比进行室内设计工作，混凝土配合比的计算采用质量法。得出其配合比见表3。

表3 C30河砂混凝土配合比表

5.2.2 配合比试配比对试验成果

在得出河砂混凝土配合比后，为了使试验具有可比性，在配合比设计时保证混凝土设计容重、水胶比、胶材用量不变及混凝土工作性能接近的情况下，按规范要求依次对混合砂混凝土和机制砂混凝土进行配比设计与试拌试验，因本项目采用偏细河砂和机制砂混掺制得中砂，以满足混凝土用砂的要求，提高混凝土性能。根据JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范第6.3.4条中关于Ⅱ区中砂级配要求，高性能、高强度、泵送混凝土用砂宜选用细度模数为2.6～2.9的中砂，结合机制砂和河砂的颗粒级配情况和前期试验结果，同时考虑到机制砂供给充足，生产成本低且质量可以人为控制，提高机制砂的掺配比例符合技术经济指标要求，因此本项目混合砂混凝土选用 60%的机制砂与 40%的河砂作为研究对象来配制混凝土。根据配合比设计要求和试验可得出表4，表5的试验结果，通过大量对河砂混凝土(A组)，机制砂混凝土(B组)，混合砂混凝土(C组)配合比的试配比对试验可以得出机制砂与河砂混凝土具有如下特点：

1)因机制砂的形状粗糙尖锐不规则，多棱角，颗粒之间的咬合作用导致新拌混凝土流动阻力大，工作性能差，容易离析。

2)机制砂混凝土与河砂混凝土相比，在相同水胶比和同样的胶材用量时，要满足混凝土良好的工作性，机制砂采用的砂率比河砂明显要大，这是因机制砂表面粗糙，多棱角，粗颗粒较多，故机制砂混凝土的砂率不宜按天然河砂混凝土砂率选取的方法直接选取，而应根据机制砂的细度模数，颗粒级配，石粉含量等特点进行混凝土配合比设计，通过合理利用机制砂的特点，调整机制砂的砂率，可以配制出工作性良好的混凝土。在配制混凝土过程中砂率过大会使混凝土变得粘稠而达不到预期的流动性；砂率过小会使混凝土变得干硬易于离析。因此根据机制砂的特点选取合适的砂率，以保证混凝土拌合物具有良好的和易性与较高的抗压强度是非常重要的。

3)机制砂的生产必然会产生石粉，而石粉对机制砂混凝土各方面都有着十分显著的影响，过多的石粉对混凝土的流动性和强度等有不利的影响，但是机制砂中含有适量的石粉却能弥补机制砂混凝土工作性差的缺点，起到填充颗粒间空隙的作用，能提高混凝土密实度，混凝土的粘聚性和保水性有所改善。同时细分散的石粉对C3S的水化起明显的晶核作用，早期能与水泥熟料中的C3A和C4AF发生一系列的化学反应，生成具有一定强度的结晶水化物，且石粉具有填充作用，使混凝土更加密实，机械强度提高[1]。因此在生产中应加强机制砂石粉含量的控制。

表5 C30混凝土工作性能与力学性能

5.2.3 工作性能分析

由试拌结果和表4，表5中所得数据可知，A组混凝土保水性较差，B组混凝土的坍落度损失较大，在混凝土试配强度都满足要求的前提下，混合砂混凝土(C组)其出机状态比河砂混凝土(A组)、机制砂混凝土(B组)明显要好，坍落度损失较小。

因本项目地处山区，混凝土运输时间较长，对混凝土的坍落度控制及坍落度损失要求较高，针对本项目细集料研究分析，机制砂过粗容易造成混凝土和易性差，其形状粗糙尖锐不规则，多棱角，颗粒之间的咬合作用导致新拌混凝土流动阻力大，易离析，不利于泵送，其中过多的石粉含量也会引起混凝土坍落度损失较快；河砂级配差且偏细，配得混凝土流动性、保水性差，细砂的比表面积较大会加大水分的吸收，相同用水量的情况下，坍落度偏小。对混合砂进行级配合成后，能有效的利用河砂中的细颗粒来减小机制砂之间的摩擦阻力，能配出良好级配，减小因细集料级配不良而造成混凝土工作性差，坍落度损失过大等问题，使混合砂混凝土具有较好的流动性和保坍性。

6 结语

通过本项目试验研究，使用机制砂掺河砂配制混凝土，不仅解决了单一砂配制混凝土工作性和适用性差的问题，而且也解决了项目所在地河砂供不应求级配差、成本高的问题，利用本项目隧道中开采出来的岩石资源生产机制砂，不仅节约了成本，也保护了环境。因此，在今后项目混凝土施工过程中，施工单位可因地制宜，采用经济性和适用性的混凝土配制方案，结合对该项技术进一步的推广使用，必将取得良好的经济和环保效益。

[1] 王稷良,牛开民,刘 英，等.机制砂中石粉对混凝土性能影响的研究现状[J].公路交通科技,2008,25(9)：303.

Research on preparation for sand river of machine-made sand and its performance

Chen Libing Chen Pan*

(SixthBranchofNo.2HarborBureauofCCCC,Wuhan430017,China)

According to the research on the TJ-5 sand river of machine-made sand along Wuhan-Shenzhen Expressway by No.2 Harbor Bureau, the paper illustrates the concrete is bitterly economical and applicable, illustrates its features with the comparison of natural river sand, and analyzes the grading circumstances of the sand.

machine-made sand, river sand, concrete, performance, applicability

2015-02-06

陈立兵(1981- )，男，工程师

陈 攀(1987- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)11-0109-02

TU528

A