机制砂在预制梁混凝土中的应用研究

石会星

文章从外观和岩性方面对比了天然砂和机制砂各自的特点，分析了机制砂混凝土的耐久性能及石粉作用原理，并以广西贺巴高速公路（都巴段）工程为例，通过混凝土抗压度试验，证明了机制砂应用于预制梁混凝土施工所具有的优良性能。

机制砂;混凝土;施工;研究

U416.216-A-11-033-3

0 引言

相对于天然砂而言，机制砂通常具有统一的岩性，通过科学、合理的制砂过程，使机制砂能够满足不同混凝土工程的施工需要，提高了混凝土的抗压度和工程施工效率。为详细分析机制砂在预制梁混凝土中的应用效果，应首先了解机制砂和天然砂的特性，包括外观和岩性方面的差异，还应分析机制砂的制备流程，如矿山的选取等。为进一步验证机制砂在预制梁混凝土施工中对于抗压度的影响程度，本文结合实际工程案例进行讨论，研究内容具有一定的推广意义[1]。

1 天然砂与机制砂特点对比分析

1.1 外观对比

从外观颜色上来看，由同一母岩加工而成的机制砂颜色多数统一，且颜色随母岩的不同而不同，例如石灰岩加工出的机制砂呈现灰白色。而天然砂成分一般较复杂，由不同的岩石颗粒共同构成，且多数天然砂含有大量的泥粉，因此，天然砂外观一般呈黄色。

从外观形状上来看，机制砂多呈尖锐状，如棱角形等不规则形状，这是因为机制砂是母岩经机械碾碎而成的，机制砂外形十分不对称，而天然砂外形多数较为均匀[2]。

1.2 岩性对比

机制砂母岩在地层中统一开采，其岩性较为统一，一般无其他混杂的石料。而天然砂则是经过长期的风化或地质构造而形成，并经常伴有河水的冲刷、侵蚀，因此，天然砂的岩性具有多样化的特点，相对于机制砂其成分要复杂很多，包括不利于建筑施工的成分[3]。天然砂与机制砂的特点对比分析如下页表1所示。

2 机制砂混凝土特性研究

2.1 机制砂制备流程

机制砂的生产主要有两种方法：（1）岩石反击式破碎;（2）岩石冲击式破碎。第一种方法所制备的机制砂外观多呈棱角状，但其级配符合施工标准。第二种方法则与第一种相反，其颗粒状很好，棱角较少，但级配较差。

以颚式（冲击式）破碎机为例，具有如下几方面特点：

（1）机械构造独特、运转平衡、低功耗、高效率;

（2）设备体积小、重量轻;

（3）安装、操作、维护简便;

（4）产品质量好、堆积密度大。

颚式破碎机属于碎石工厂加工流程的一个环节，为满足不同颗粒度机制砂的工程需要，碎石工厂还配备有其他相关设备，如喂料机、振动筛、反击破碎机和制砂机等。碎石工厂的机制砂加工流程如图1所示。

2.2 机制砂混凝土耐久性

为满足一些高标准工程施工中混凝土性能的特殊要求，应严格控制砂石的质量，例如其骨料应具备一定的稳定性和强度，且级配和颗粒度也应满足工程需要。研究表明，在机制砂中添加一定量的石粉，能够提高混凝土的耐久性能（密实度、抗冻级别、离子渗透性等）[4]。

2.3 石粉作用原理

石粉的含量对机制砂最终的性能具有直接的影响，即石粉具有一定的填充活性，对混凝土的结构力学性能有一定的影响。添加一定剂量的石粉，能够增加混凝土中的水泥浆体含量，减小混凝土孔隙并增加混凝土密度，且在石粉、水泥、机制砂搅拌和振捣过程中，拌和物中的孔隙被逐步填满，其中石粉的作用尤为突出，最终使混凝土达到最佳的堆积状态，进而提高了混凝土的工程性能[5]。

3 工程案例应用研究

3.1 工程概况

贺州至巴马高速公路（都安至巴马段）位于巴马县，以岩溶峰丛洼地地貌和剥蚀侵蚀低山丘陵地貌为主，岩溶峰丛谷地地貌、河流阶地地貌呈条带状穿插其中。剥蚀侵蚀低山丘陵地貌主要出现在巴马县南部的大部分区域。山体宽大，连绵起伏，岩石丰富。都巴高速公路五分部全长25.34 km，桥梁共计16座，其中中桥4座、大桥10座、互通匝道桥1座、跨线桥1座。所有桥梁上构均为预制箱梁，形式分别为：20 m后张法预应力混凝土小箱梁;30 m后张法预应力混凝土小箱梁;40 m后张法预应力混凝土小箱梁。其中20 m箱梁217片、30 m箱梁548片、40 m箱梁124片，共计889片。为准确获得机制砂在都巴高速公路预制梁混凝土施工中的应用效果，拟采用C50箱梁混凝土来开展C50混凝土试验，以此为后续广西境内的同类混凝土工程提供项目经验。

3.2 矿山选取与机制砂生产

矿山在选取过程中应充分考虑机制砂母岩的优劣及开采成本因素，在开采前对矿山进行详细调研和勘测，分析勘测数据报告，优选附近居民少、离施工现场近以及母岩成分好的矿山。在分析母岩性质时，对于厚覆盖层的母岩或是片状、风化状的母岩应予以排除。工程前期开采项目部经过详细勘测和分析后，确定使用本段设吉石场作为机制砂制备的母岩矿山，距离机制砂加工现场仅0.3 km，此处地域空旷、人迹罕至，既节省了运输成本，又保障了开采和制砂工作的安全。经过进一步取样勘测后可知，该处岩体尚未发现可能的碱集料活性，岩体抗压度>90 MPa，各项参数指标均符合现场的施工需求。在確定了开采矿山之后应及时设置隔离区，使用机械化设备清除岩体表面的覆盖层以及软弱风化层，依据方案严格进行开采[6]。

将开采出的石块经过传输带送至制砂机，由不同类型的破碎机生产出各种规格的机制砂。通常情况下粗砂使用冲击式破碎机来生产，细砂则使用反击式破碎机来生产。应注意的问题是，由于全过程为机械化制砂，所涉及的机械制砂设备会有不同程度的磨损，因此，应适时进行制砂设备的维护和保养工作，及时更换已磨损的零部件，使制砂设备处于最佳的运行工况，提高制砂过程的质量和效率。另外，进入制砂机的石块颗粒度应在20 mm左右，可通过调节振动筛孔尺寸及角度来完成。

3.3 混凝土抗压度试验

在进行混凝土抗压度试验之前，对机制砂混凝土进行拌制，使用DC05-026加强型混凝搅拌机、DC05-028型坍落筒、DC05-040型电子秤和DC05-050型电子天平，坍落度设定为200～230 mm，混凝土拌和体积为30 L，该当量的机制砂混凝土配比数据如表2所示。

拌制工序完成后进行人工成型工序。每次将70 mm的混凝土放置于模具中，倒入水均匀拌和，按从边缘到中心的螺旋式方向进行捣固，充分搅拌底层的混凝土，使整个模具中的混凝土搅拌均匀。然后进行混凝土的养护，当模具中的混凝土成型后，将浸湿的土工布覆盖到混凝土的表面，然后静置1～2 d，注意环境温度应控制在15 ℃～20 ℃，相对湿度>50%，拆模后将试块进行编号，并再次将试块放到20 ℃左右的环境中养护，注意此时的湿度应>95%，全过程严防剧烈撞击。将各样本制成6个边长为150 mm的立方体置于养护室中进行养护，而后进行1～4周的抗压度试验。

3.4 试验结果分析

机制砂混凝土1周抗压度试验数据如表3所示。

机制砂混凝土4周抗压度试验数据如表4所示。

由表3、表4中数据可知，当用水量和减水剂不变时，水胶比的变小会引起混凝土抗压度增大，而且混凝土固化的速度也非常快，样本B和样本C经过1周的时间便可达到指标规范要求的59.9 MPa，同时，A、B、C三种样本4周的抗压度均符合技术指标要求。

定义为混凝土抗压度的变化率，当水胶比增加时，求出1周时间的抗压度变化率：

1=（61.9-58.3）/58.3=0.062

2=（62.7-61.9）/61.9=0.013

同样，求出4周时间的抗压度变化率：

1=（66.6-63.7）/63.7=0.046

2=（68.7-66.6）/66.6=0.032

由上式可知，水胶比的减小使得C50机制砂混凝土的抗压度增加，但对比1周和4周时混凝土抗压度的变化率可知，均呈减小趋势。由试验数据可以判定，水胶比的减小使C50机制砂混凝土的抗压度值增加逐渐趋于平缓，直至最终停止，因此，机制砂对于预制梁混凝土的固化起到了积极的促进作用。

4 结语

由于机制砂具有良好的工程特性，因此在目前国内混凝土预制件施工中的使用较为常见。机制砂应用于混凝土预制件的施工，提高了混凝土的抗压度，对于工程整体的施工效率而言也具有一定意义。本文以实际的预制梁混凝土工程为例，通过混凝土抗压度试验来证明机制砂在预制件混凝土施工中的具体性能。试验结果表明，机制砂对于提高预制件混凝土的抗压度效果明显，能够满足国内多数同类型工程施工的需要。

[1]王稷良. 机制砂对高强混凝土体积稳定性的影响[J]. 武汉理工大学学报，2007（10）：18-24.

[2]李兴贵. 高石粉含量的人工砂在混凝土中的应用研究[J]. 建筑材料学报，2004（3）：66-71.

[3]范 晴.云南部分地区机制砂混凝土性能研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2010.

[4]徐大禎. 高性能机制砂混凝土耐久性的研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[5]余 川. 机制砂在巴南高速公路中的应用研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[6]成 立，黄绪泉，王小萍. C50机制砂高性能混凝土在构皮滩乌江大桥中的应用[J]. 混凝土，2007（1）：55-58.