论机制砂对混凝土性能的影响

刘国章

（五台友好混凝土有限公司，山西 忻州 035500）

随着我国建设项目与日俱增，混凝土的用量越来越大，对砂的需求也越来越大。而与此同时，我国天然河砂资源越来匮乏，价格也越来越高。受此影响，笔者于15年开始使用石屑。因石屑表面比较粗糙，有尖锐棱角，针片状颗粒较多，含有大量的石粉和大于 2.5mm的颗粒，即两头大中间小，单用石屑的混凝土和易性非常差，须复合使用一部分天然砂以调整砂子级配来达到满足混凝土工作性的要求。

面对天然砂价格不断上涨带来的成本压力，在资源有限和环境保护的双重因素下，用机制砂作为细集料将是今后混疑土工程发展的主要方向。于是通过大量的试验，经过混凝土各项测试，在试验结果均能满足普通混凝土设计规程的情况下，公司决定购置生产设备自己生产机制砂。从刚开始时的不断调整，到如今稳定的生产运营，对机制砂有了一些了解。现将一些使用心得记录下来，供同行参考。

机制砂俗称人工砂，岩石经除土开采、机械破碎、筛分而成的，公称粒径小于 5mm 的岩石颗粒，但不包括软质、风化的颗粒。由于各地机制砂的料源、生产设备和工艺不尽相同，导致生产出的机制砂在化学成分、颗粒形状、表面结构、颗粒级配以及石粉含量等性能方面与天然河砂都大不相同。

本单位使用的机制砂是开采碎石后，经筛分大于5mm 的颗粒二次破碎筛分制成，分为小于 5mm 且大于2.5mm 的粗颗粒和小于 2.5mm 的细颗粒，经试验调整级配后细度模数在 2.8～3.0 之间，亚甲蓝 0.5～0.7，石粉含量 15%。具体筛分数据见表1。

经试验，机制砂的各项指标均符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》和 JGJ/T 241—2011《人工砂混凝土应用技术规范》。

1 机制砂对混凝土工作性的影响

相较于天然河砂而言，机制砂是由岩石破碎而成，其颗粒表面粗糙、多棱角，且颗粒级配较差，大于2.36mm 和小于 0.15mm 的颗粒较多，而 0.3～1.18mm之间的颗粒较少。配制混凝土时，致使混凝土和易性差，不易施工，拌合时需要更多的浆体材料来包裹与填充。在不掺天然砂来调整颗粒级配的情况下，可加大机制砂的用量，提高砂率来改善混凝土的和易性。石粉含量是影响坍落度的重要指标，石粉含量太低（小于 5%）时，混凝土的和易性、保水性较差。当石粉含量控制在 10%～15% 时，可提高少许或不加大胶凝材料用量，配制出来的混凝土和易性等各项指标也能满足施工要求。对混凝土强度的影响不是很大，和易性也很好。机制砂混凝土的和易性与细骨料（砂）的级配和细度模数有关。同时，也牵涉到用水量、胶材用量、砂率等参数，还需要根据工程部位进行区别对待。一般认为，细度模数以控制在 2.8～3.2 之间为佳。若细度模数太大，则粗颗粒太多，级配不合理，使混凝土的和易性变差，虽然掺入粉煤灰可以弥补上述缺陷，但成本也会相应提高，经济上不合理；若细度模数太小，则小于 0.075mm的细粉过多，需水量增大，混凝土强度降低，水泥用量增加。表2为混凝土的工作性能检测结果。

表1 砂的筛分数据

按机制砂的特点进行混凝土配比设计，通过合理利用机制砂中的石粉，调整机制砂的砂率，可以配制出和易性很好、适合泵送的机制砂混凝土。

表2 混凝土工作性能

2 机制砂对混凝土的用水量和外加剂的影响

在水胶比相同的条件下，机制砂混凝土坍落度要小于河砂混凝土。由于机制砂本身具有裂隙、空隙及孔洞，表面粗糙棱角多，比表面积大，且含有 10% 左右的石粉，吸附了更多的水，坍落度减小。相同条件下，配制相同坍落度的混凝土，机制砂比天然河砂需水量增加 10～20kg/m3，有时可高达 25kg 以上。但正是由于机制砂表面粗糙，粘结力大于河砂，即使水胶比提高0.03%～0.05%，强度也不会低于河砂配制的混凝土。

因机制砂配制的混凝土需水量大，建议使用减水剂一定要优选一等品，并且减水率大于 25% 的减水剂。外加剂应选用减水率高、坍落度损失小，适量引气，能明显改善或提高耐久性且质量稳定的产品。外加剂与水泥之间应有良好的相容性。比如聚羧酸减水剂。目前，聚羧酸减水剂是配制机制砂混凝土最好的选择，因其减水率高，用于混凝土中混凝土的坍落度损失小，并能提高混凝土的强度及耐久性，减水率一般都能达到 25%以上，能大幅降低机制砂混凝土的用水量，提高混凝土的坍落度。

表3 为混凝土工作性能与用水量的关系。

表3 坍落度和用水量的关系

在使用时也要注意以下事项：减水剂的浓度以及搅拌时间。减水剂浓度要适中，不能太小，否则在搅拌时混凝土不易拌匀；实际用水量和外加剂偏大，在到达现场后会有坍落度返大、离析或者泌水的现象。经过大量搅拌生产，发现掺量在 2.5%～2.8% 时较为合适。另外搅拌时间也不能太短，因机制砂混凝土石粉大、胶材多，搅拌时间应较天然砂混凝土适当延长，具体延长时间根据强度等级而定，让搅拌机将混凝土充分搅拌均匀。

另外也要注意缓凝剂和保塑剂的用量。机制砂配制的混凝土保塑缓凝成分用量要比天然砂配制的保塑缓凝成分高出 20%～30%，坍落度损失也较天然砂配制的混凝土大。但是缓凝组分加多了会影响混凝土的凝结时间以及强度，在实际生产中要多做试验，找到适合自己的保塑缓凝组分最佳用量。不要因此产生不必要的质量纠纷。

3 机制砂对混凝土强度的影响

前文说过，机制砂混凝土的水胶比和用水量较天然砂混凝土的水胶比和用水量都有所增加，但是强度却不会降低反而还会有所提高。这是因为机制砂表面粗糙、多棱角且尖锐，粘结力远大于河砂。另外，机制砂中大量的石粉填充了骨料空隙，使混凝土内部更加密实，这也符合混凝土越密实，强度越高的理论。对于混凝土强度来说，也有一个最佳石粉含量，介于 10%～20%之间。超过这个值，混凝土抗压强度便会降低。也就是说，常规的石粉含量（5%～20%）不会对混凝土的抗压强度产生不利影响。在实际使用过程中，强度低于C25 等级的贫混凝土用石粉大于 15% 的机制砂反而对混凝土的和易性和粘聚性有利，强度有所增加。大于等于 C25 小于 C45 等级的混凝土石粉含量，石粉含量宜控制在 10%～15% 之间，过低则混凝土和易性不好，容易泌水，过高则混凝土粘聚性增加，泵送和施工困难。

机制砂中含有 5%～20% 的石粉，宜作为改善普通中低强度特别是泵送中低强度机制砂混凝土和易性的手段，配制的混凝土强度等级越低，其流动性越大，机制砂石粉含量宜控制越高。

机制砂中石粉含量在 5%～20% 之间，普通混凝土及高强度泵送混凝土均可采用机制砂配制，在严格控制原材料质量和严格按照配合比施工的前提下，配制的机制砂混凝土可以保证混凝土的和易性、流动性、可泵性、强度等性能。

经过数据统计和比对，机制砂混凝土的强度要比天然砂和混合砂的强度都要高，具体大约为：3d 约提高 30% 左右，7d 约提高 20% 左右，28d 约提高 10%左右，60d 和 90d 也有不同程度的提高。机制砂混凝土早期强度控制，在实际生产中 3d 约为标准抗压值的60%～70%，7d 约为标准抗压值的 85%～100%，28d在 120%～135% 之间。见表4。

表4 混凝土抗压强度达到标准值 %

表5 耐久性能检测结果

混凝土早期强度的提高并不影响混凝土性能，相反还能达到工程施工速度快，过早拆模带来的一些弊端。

4 机制砂对混凝土耐久性的影响

由于原材品种和品质的不同，应对机制砂混凝土做耐久性试验，如安定性和抗渗﹑抗冻的试验。笔者采用净浆试饼﹑胶砂胶条和混凝土试块相结合，对机制砂混凝土做了相关试验。试验结果均能满足普通混凝土有关要求。具体见表5。

以上试验均经过沸水沸煮，沸煮试验时间不低于100 小时，浸泡时间长达10个月，均无发现对比试样有明显差异。

由于大量的石粉填充，使得混凝土的致密性进一步提高。混凝土越密实，抗渗抗冻性越好。有研究者认为机制砂中的石粉只是惰性填充料，虽然不具有活性，但提高了混凝土的密实性，增强了水泥石与骨料界面粘结；而有人则认为石灰岩（主要成分为 CaCO3）石粉是具有活性的。石粉能加速 C3S 的水化，并与 C3A、C4AF反应生成结晶水化物，能改善水泥石的孔隙结构，因此抗渗性能得到提高。对于机制砂混凝土的抗冻融耐久性还缺乏系统的研究。综合已有的试验结果可以发现，机制砂在一定程度上改善了混凝土的工作性能，具有一定的微集料填充效果，从而改善了混凝土的孔隙结构，增加了混凝土的密实度。试验结果表明，机制砂与天然砂配制的混凝土一样具有优越的抗渗性能。同时试验还表明，机制砂配制出的混凝土在抗冻性、抗渗性、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀及抗碳化性能方面都优于天然砂混凝土。

5 结语

走可持续发展道路，建设绿色生态环境，是我辈建设砼人为此奋斗的目标。随着国家基本建设的不断深入和环境资源保护的日益加强，自然资源已不能满足工程的需求，机制砂的利用和推广是势在必行。在本文只是对机制砂的特点和机制砂对混凝土拌合物性能的影响，以及硬化后混凝土的力学性能，耐久性等作了介绍，随着机制砂应用的不断推广，会对机制砂的优缺点进一步认识，会有更全面更权威的应用标准出台。