【学术分析】机制砂和细砂在高性能混凝土中的研究

摘要：针对安徽省建筑用砂的特点，采用细河砂与机制砂混掺，配制C30高性能混凝土，通过正交试验优化混凝土配合比。试验结果表明，用60％的机制砂与40％的天然细砂作为细骨料，能够满足高性能混凝土的各项技术指标要求，与天然中砂相比。其力学性能和耐久性能更为理想。

关键词：机制砂；高性能混凝土；正交试验；力学性能；耐久性

0 前言

长江和淮河两大河流横贯安徽省内，过去建筑用砂主要来自这两大河流。随着开采量的增大，河砂质量日益下降，基本以细砂为主，但高性能混凝土对建筑用砂提出了越来越高的要求，细砂已不能满足工程需求，且随着环保力度的加大，禁采范围越来越广。混凝土长期以河砂为细骨料的安徽省不得不探求砂资源的可持续发展，机制砂引起了越来越广泛的关注和研究。就全国范围来看，使用机制砂替代河砂已成为混凝土行业可持续发展的一种趋势^[1-3]。

机制砂是由机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒，由机制砂和天然砂混合制成的砂为混合砂^[4]。安徽省境内用来生产机制砂的岩石分布比较广泛，储量丰富，可缓解河砂紧张状况^[5]；且机制砂可以就近开采就地使用，节省运费，为砂资源的可持续发展提供一条道路。

本文对省内主要机制砂产区进行了考察，不同产地机制砂性能指标见表1。

从表1可以看出，省内机制砂以中粗砂为主，这与其它省份机制砂的细度模数一致^[6]。结合省内建筑用砂以细砂为主的实际情况，本文采用细砂和机制砂混掺制得中砂，以满足高性能混凝土建筑用砂的需求，提高混凝土性能。

1 原材料

水泥：P.O42.5级硅酸盐水泥。

细骨料：六安产细河砂，细度模数1.8，属III区，颗粒级配见表2；六安产中砂，细度模数2.8，属II区，颗粒级配见表3；机制砂为庐江产，细度模数3.5，属I区，颗粒级配见表4，其中石粉含量为10％。

粗骨料：巢湖散兵碎石，连续粒级5-25mm。

粉煤灰：淮南I级粉煤灰。

外加剂：合肥产中效减水剂，掺量为胶凝材料的2.3％，减水率为13.8％。

以上原材料经过试验，其性能指标均符合相应的规范、标准要求。

2 试验方法

混凝土力学性能按GBT 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，混凝土耐久性能按GBT 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，其中抗氯离子渗透试验采用RCM法进行，干缩试验采用弓形螺旋测微计测量。

3 试验结果与分析

3.1 C30高性能混凝土配合比的优选

本试验混凝土配合比的计算采用重量法，C30初步配合比如表5所示。

以C30高性能混凝土为研究对象，采用正交试验优化混凝土配合比，考察影响混凝土性能的关键因素，如表6所示。

由表6正交试验L9（3⁴）可知，C30混合砂泵送混凝土理论最优配比的主次顺序为：坍落度→C1B2A1D1；7d抗压强度→A2C2B2D2；28d抗压强度→A1C2B2D1。对混凝土和易性和7d、28d抗压强度而言，C2B2即砂率41％和外加剂掺量2.3％是该试验的最优掺量。在以往实际试验的基础上，粉煤灰掺量为15％对混凝土的和易性和长期耐久性起积极作用，因此，粉煤灰掺量确定为15％。从正交表可知，影响坍落度的顺序从主到次为：C→B→A→D，影响7d、28d抗压强度的主次顺序为：A→C→B→D。由此可以看出，因素D（细度模数）即机制砂与河砂的混合比例在四个因素中占最次要位置，考虑到机制砂砂源广，价格便宜且质量可以人为控制，将机制砂掺量由40％提高到60％，即细度模数由2.6提高到2.8。因此，C30机制砂高性能混凝土的最优配比确定为A2C2B2D3。

3.2 C30混合砂混凝土与河砂混凝土性能试验结果

以正交试验的最优配合比为基础，将混合砂用细度模数相同的河砂代替，研究两种混凝土施工性能、强度和耐久性能，为工程实际和科学研究提供参考。

• 3.2.1 工作性和强度

表7、表8分别为混合砂和河砂混凝土的配合比、工作性能与力学性能。

省内机制砂筛余0.315mm以下所占的比例较小，仅有10％左右，而天然细砂的粒径主要集中在0.315mm以下，与机制砂复合正好可填补0.315mm以下的累计筛余，使细骨料具有良好的级配。与此同时，天然砂可减小机制砂之间的内摩擦力，从而获得良好的施工性能，因此，混合砂混凝土的和易性和流动度接近天然中砂混凝土的，甚至工作性能更好。

混合砂混凝土28d抗压强度、抗折强度和劈裂强度均高于河砂混凝土，其中抗压强度提高12％，抗折强度提高10％，劈裂强度提高7％。这是因为：首先，机制砂表面结构优于天然河砂，其表面没有风化层，均是新鲜的岩面且棱角丰富，与水泥浆的咬合力增大；其次，机制砂中含泥量较小，机制砂中低强度的轻物质含量较河砂少；第三，机制砂中含有5％一15％左右的石粉，石粉弥补了机制砂中细颗粒偏少的缺陷，有效填充了细骨料间的孔隙，不但使混凝土中的毛细孔得到细化，孔隙率减小，混凝土更加密实，而且改善了水泥浆与骨料间的粘结，使机制砂混凝土的断裂能比同条件下河砂混凝土的断裂能大。同时，在中低强度等级混凝土中，石粉在水泥水化过程中起到一定的晶核作用，诱导水泥水化产物析晶，可加速水泥水化并参与水化物的形成^[7]。因此，机制砂混凝土的抗压、抗折、劈裂强度均优于河砂混凝土。

• 3.2.2 耐久性

分别对表7中的混合砂混凝土和河砂混凝土做抗渗性能和干缩性能进行试验研究。其结果见表9。

从表9可以看出，混合砂混凝土的氯离子扩散系数为1.62x10^-8cm²/s，河砂混凝土的氯离子扩散系数为1.81x10^-8cm²/s，均可满足高性能混凝土氯离子扩散系数不大于300x10^-14m²/s，（即3x10^-8cm²/s）的要求，这表明C30混合砂混凝土和河砂混凝土具有较好的抗氯离子渗透性能。混合砂混凝土的氯离子扩散系数比河砂混凝土的降低了10.5％，说明混合砂混凝土的抗渗性能比相同细度模数的河砂混凝土抗渗性能好。这可能是机制砂等量取代河砂后，机制砂中的石粉起到了分散水泥粒子的作用，使水泥水化更加均匀、一致，生成的水泥石中有害的大孔减少，封闭的小孔增多，从而改善了混凝土的孔隙结构，降低了氯离子扩散系数，提高了抗渗性能，增强了抵抗外界侵蚀环境的破坏能力。

从表9中还可以看出，除早期（即1d、3d）河砂混凝土的干缩值低于混合砂混凝土外，7d以后河砂混凝土的干缩值都高于混合砂混凝土的。这可能是C30混凝土中胶凝材料用量较少，机制砂中的石粉含量相当于增加了浆体的体积，填补了混凝土骨料之间的空隙，使新拌混凝土的工作性随石粉含量的增加逐步改善，密实度提高，对干缩的抑制能力增强。

4 结论

（1）利用正交试验对C30混合砂高性能混凝土配合比进行优化，试验结果表明：用60％的机制砂与40％的天然细砂作细骨料能配制出和易性、力学性能良好的高性能混凝土。

（2）通过正交试验得出的混合砂混凝土最优配比与细度模数相同的河砂混凝土进行耐久性能试验，结果表明，机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能和干缩性能均优于河砂混凝土，说明混合砂混凝土配合比进行合理优化后，其耐久性也优于河砂混凝土。

（3）结合实际情况，省内中粗机制砂和天然细砂按合适比例混掺后可以替代河砂配制高性能混凝土，缓解省内建筑用砂矛盾，不仅具有一定的经济性和适应性，还具有一定的环境效益和社会效益。由于机制砂的生产不受气候、季节的影响，在生产工艺上能有效控制，因而其性能指标相对稳定，对混凝土拌合物性能、力学性能及耐久性能都有明显改善，有利于提高建筑工程的质量。

参考文献：

【1】蒋正武，石连富，孙振平。用机制砂配制自密实混凝土的研究[J].建筑材料学报，2006，10（2）：154-160.

【2】陈欣声。机制砂在商品混凝土中‘的应用。工程机械，2004，35（11）：74-75.

【3】徐健，蔡基伟，王稷良，等。机制砂与机制砂混凝土的研究现状阴。国外建材科技，2004，25（3）：20-24.

【4】Zhou Mingkai，Peng Shaoming，Xu Jian，eta1.Elect of Stone Powder on Stone Chippings Concrete[J]Journal of Wuhan Univeraity of Technology，1996，Il（4）：29—34.

【5】胡晓曼，彭建和，等。水利工程建设使用人工砂的技术经济分析[J].江淮水利科技，2009，22（4）：26-27.

【6】方锐，陈卫兵，等。重庆地区机制砂的性能研究及工程应用田。交通科技与经济，201 l，63（1）：27-29.

【7】Zhou Mingimi，Peng Shaoming，XuJian，et a1.Elect of Stone Powder on StoneChippings Concrete[I] Journalof Wuhan University of Technology。1996，11（4）：29—34.