1 引言
随着预拌混凝土的推广和基础设施建设规模的扩大，河砂资源日益短缺，甚至有时会出现无砂可用的状况，使得混凝土用砂供需矛盾十分突出。因此，应用机制砂完全替代天然河砂来生产预拌混凝土，势在必行。根据机制砂的基本特性，探讨全机制砂混凝土的配制参数，并采用与天然中砂对比的试验方法研究了全机制砂混凝土的力学性能和耐久性能。
2 机制砂的基本特性
试验采集了重庆市内不同砂石厂生产的200组机制砂样品，然后对这些试样进行了物理性能测试和统计分析，并与天然砂的物理性质进行对比，以此考察重庆地区机制砂的基本特性。
2.1 颗粒形貌
由于机制砂是岩石经机械破碎而成，没有磨蚀过程，所以颗粒表面粗糙、棱角尖锐、形状不规则，还含有不少针片状颗粒，颗粒之间相互咬合，使得配制的混凝土的流动阻力增大。因此，机制砂的颗粒形貌特点不利于改善混凝土的工作性，但能够提高混凝土的力学性能。
2.2 表观密度与压碎值指标
样品机制砂表观密度在2600～2730kg/m³的范围，与天然砂的表观密度相当(长江砂的表观密度为2600kg/m³，岳阳砂的表观密度为2720kg/m³)。
机制砂的压碎值绝大部分样品都高于岳阳砂，反映了其砂粒坚固性不如天然砂，这与母岩强度有关，还可能与机制砂在生产过程中经受轧制创伤有关。
2.3 堆积密度和空隙率
样品机制砂的紧密堆积密度在1340～1520kg/m³之间，高于长江砂（1260kg/m³）和渠河砂（1290kg/m³）；紧密堆积的空隙率小于长江砂和渠河砂。这是由于石粉能填充颗粒空隙，增加机制砂的紧密堆积密度。
2.4 细度模数与级配
机制砂的细度模数的分布在2.4～3.9的范围，其中70%样品的细度模数分布在3.1以上，属于中粗砂范畴。国标《建筑用砂》GB/T14684 将砂的级配划分为3个级配区，其中级配处于2区的砂适宜于生产大流动性的泵送混凝土。对于质量优良的天然中砂的各粒级级配基本在级配2区标准值的上下限范围内，如岳阳砂(细度模数3.0级配曲线见图1)，图1中岳阳砂的级配曲线(粗线条)完全落入级配2区的范围内(细线条)，说明岳阳砂的级配良好。
图1 岳阳砂的级配曲线
图2 混合砂的级配曲线
图3 机制砂的颗粒分布范围
对于目前重庆预拌混凝土普遍使用的混合砂（细度模数2.8），从图2中可以看出，混合砂的级配曲线(粗线条)大部分落入级配2区的范围，但在0.15mm粒级，混合砂的级配曲线则超出2区砂的下限范围，说明混合砂在小于0.15mm粒级的颗粒太多，这是由于重庆地区的特细砂的颗粒太细且分布集中。
对于机制砂，采集样品的颗粒分布见图3(实线为样品机制砂的颗粒分布范围，虚线为级配2区砂的分布范围)，可以发现机制砂的颗粒分布范围两头低、中间凸起呈弓型，说明机制砂的颗粒分布是两头多中间少，即粗颗粒(2.36mm以上)和细颗粒(0.15mm以下)较多，中间颗粒(尤其是1.18～0.3mm之间)较少。因此，机制砂的级配差，无法满足《建筑用砂》中级配2区的技术指标，如果按现行配制参数生产全机制砂混凝土和易性会不好，易于离析泌水，难以满足泵送混凝土要求。
2.5 石粉含量
统计分析结果显示，机制砂的石粉含量最大值为14.8%，最小值为2.0%，平均值为7.0%，其中，80%样品的石粉含量分布在5.0%～10%之间。
3 全机制砂混凝土的配制参数
由于机制砂具有不同于天然砂和混合砂的特性，其配比参数也肯定与天然砂和混合砂不同。因此，本节通过讨论混凝土的主要配比参数对混凝土性能的影响，找出机制砂混凝土的配比参数的最佳范围。
3.1 砂率
由于机制砂表面粗糙，棱角多，且石粉含量普遍较高，从而导致机制砂混凝土和易性较易出现极端情况。砂率稍小，就容易出现离析泌水现象，砂率偏大时则表现为粘性过大，流动性显著降低，因此，砂率的选择对机制砂混凝土的重要性显得尤为重要。
图4 砂率对混凝土坍落度的影响
图5 砂率对混凝土强度的影响
试验测定了水泥浆量一定的情况下，不同砂率的机制砂混凝土的工作性和抗压强度，结果见图4和图5，可以看出随着砂率的增大，机制砂混凝土7d抗压强度基本保持在30MPa左右，28d强度保持在37.0MPa左右，说明水灰比一定的情况下，砂率对机制砂混凝土的强度影响不大。但是对于混凝土的工作性，就存在一个最佳砂率范围，即砂率在37%～43%之间工作性较好。
3.2 级配与细度模数
试验采用同一种石灰石岩石破碎成两种不同细度模数的机制砂（样品X和样品Y），其中样品X的细度模数为2.8，属于中砂，样品Y的细度模数为3.4，属于粗砂，二者的级配曲线见图6和图7。
图6 样品X的级配曲线
图7 样品Y的级配曲线
表1 不同级配的机制砂混凝土的性能
结果表明，机制砂通过降低细度模数可以改善其级配，而且达到中砂范畴的机制砂的级配接近级配2区的要求。此外，对比两种样品砂拌制的混凝土（见表1），可以发现，在同水灰比的条件下，细度模数和级配对混凝土的强度影响不大；但对混凝土的坍落度和和易性影响很大。因此，机制砂的细度模数宜控制在中砂范围。
3.3 胶凝材料用量
机制砂的级配不如中砂，要保证混凝土的和易性，具备可泵送的性能，就必须使用更多的胶凝材料来填充空隙，润滑砂石，对于低强度等级的混凝土，由于水泥用量少，胶凝材料总量偏少，因此，机制砂混凝土的胶凝材料应满足一个最低掺量，才使其具备较好的可泵性能。表2的数据显示，当机制砂混凝土的胶凝材料用量（包括粉煤灰用量）小于380kg/m3时，混凝土的粘聚性和保水性较差，难以满足泵送要求。因此，为了满足混凝土的可泵性，机制砂混凝土的胶凝材料总量不应小于380kg/m³。
3.4 石粉含量
图8 石粉含量对坍落度的影响
图9 石粉含量对强度的影响
图8和图9的结果显示，随着机制砂中石粉含量的增加，当石粉含量大于5%时，机制砂混凝土的工作性和力学性能有明显的提高，尤其是当石粉含量达到7%时，工作性能和强度达到最佳，当石粉含量超过10%时，混凝土的坍落度明显下降，由于混凝土中粉体含量过多，导致浆体中自由水量过少，混凝土拌和物和易性下降。
因此，可以通过适当提高机制砂的石粉含量来改善机制砂混凝土的工作性，石粉含量应大于5%，以石粉含量7%最佳，但不应超过10%。
4 全机制砂混凝土的性能
以C40混凝土的配合比作为基准（配合比见表3，配制材料技术参数见表4），从混凝土的工作性、力学性能、收缩性能、抗渗性和抗碳化性五个方面研究了机制砂混凝土的性能。
表3 全机制混凝土的配合比
表4 机制砂混凝土配制所用原材料技术参数
4.1 工作性
对比了机制砂、岳阳砂和混合砂(机制砂∶长江砂=4∶6)的混凝土工作性能，试验结果如表5所示。在配合比一定时，机制砂混凝土的坍落度与岳阳砂混凝土相当，扩展度稍稍低于天然中砂混凝土，坍落度和扩展度都明显高于混合砂混凝土。说明配制的全机制砂混凝土的工作性能良好，并与天然中砂混凝土的工作性能接近。
表5 机制砂混凝土的工作性
4.2 力学性能
表6 混凝土的抗压强度
机制砂混凝土的强度发展（见表6），随混凝土龄期的增长呈持续增长的趋势，并且高于同龄期的天然中砂混凝土。造成这种现象的原因有四个方面，其一，机制砂的主要成分是碳酸钙，处于高浓度氢氧化钙中，其表面会发生微弱化学反应，而天然砂成分中二氧化硅含量高，不能发生类似反应；其二，机制砂质地坚硬，有新鲜界面，表面能高，机制砂表面粗糙、棱角多，有助于提高界面的粘结；其三，机制砂中的石粉在水泥水化中起到了晶核的作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化并参加水泥的水化反应；其四，机制砂中石粉的颗粒粒径小，在混凝土中发挥与粉煤灰类似的“形态效应”，填充了混凝土的微细孔隙，使混凝土变得更密实而提高强度。
4.3 收缩变形性能
试验测定了机制砂混凝土和岳阳砂混凝土90d龄期的自由收缩（结果见图10）。比较机制砂混凝土和岳阳砂混凝土的收缩曲线，配制的全机制砂混凝土的自由收缩稍大于岳阳砂混凝土，但差距并不明显。说明全机砂混凝土的收缩变形性能与天然中砂混凝土相当。
图10 混凝土的收缩率
4.4 抗渗性能
混凝土的抗渗性是混凝土耐久性最重要的指标。表7的试验结果显示，同配比的机制砂混凝土与岳阳砂混凝土都达到P12的抗渗等级，只是机制砂混凝土的平均渗水高度略低。分析原因为：机制砂中含有一定量的石粉可以起到一定的填充作用，能使混凝土较天然中砂混凝土密实。因此，说明配制的机制砂混凝土的抗渗性能略好于天然中砂混凝土。
表7 混凝土抗渗性试验结果
图11 混凝土的收缩率
5 结论
机制砂具有表面粗糙，棱角多，形状不规则，石粉含量偏高，细度模数偏大，级配差等特点。根据其特点，调整配制参数范围为：砂率37%～43%之间；细度模数宜控制在中砂范围；胶凝材料总量不应小于380kg/m³；含粉量宜在5%～10%之间。配制的全机制砂混凝土的工作性、收缩变形性能与同配比天然中砂混凝土的工作性相差不大；混凝土力学性能、抗渗性能和抗碳化性能略优于天然中砂混凝土。因此，使用机制砂全部替代天然砂来生产预拌混凝土是完全可行的。
（本文不代表中国砂石协会观点，仅供学术交流！）
< 完 >
