1. 1 引言
國內外應用機制砂的情況在美、英、日等工業發達國家使用人工砂(機制砂) 作為混凝土細骨料已有30 多年歷史,在各種建筑工程中應用比較普遍,關于機制砂的材料與試驗、使用標準已相當完善。而我國在建筑方面采用機制砂從20 世紀60 年代已經起步,但河砂、江砂等天然砂的使用還比較普遍,1973 年國家建委在貴州省召開了機制砂在混凝土中應用的論證會,通過建材業和建筑業的經驗交流,肯定了研究成果,并制定了《機制砂混凝土技術規程》。自此,機制砂的應用范圍得以擴大,由建筑行業擴大到公路、鐵路、水電、冶金等系統,由擋護工程擴大到橋梁、隧道及水工工程,從砌筑砂漿發展到普通混凝土、鋼筋混凝土,預應力混凝土、泵送混凝土、氣密性混凝土及噴錨支護等工程。但是由于試驗標準與技術規范的不完善及試驗材料的滯后,我國建筑業對天然砂還存在較強的依賴性,在許多重要結構中對機制砂的使用還存在限制條件。采用機制砂多數是在天然砂供應不足或經濟比選相差懸殊時不得已而為之的方案。
1. 2 在建筑施工中大量應用機制砂勢在必行
砂是混凝土組成的主要材料,隨著建筑業發展和對建筑工程質量的重視,建筑市場用砂數量越來越大,質量上要求越來越高,而合格的天然砂資源卻越來越少,由此引發的工程質量,破壞農田、水利資源問題日趨嚴重,砂生產也因資源的變化而有所改變,建筑用砂的質量和數量對建筑市場的影響日益明顯。承認人工砂合格的建材地位并加以規范利用是勢在必行的。
2 使用機制砂與天然砂對比試驗結果
2. 1 堅固性與耐久性試驗
機制砂的堅固性能比河砂稍差,但仍然達到GB/ T 141684293標準的優等品指標,在普通混凝土中使用不存在問題。但在經常遭受摩擦沖擊的混凝土構件中使用,除必須摻用外加劑,還應控制混凝土的灰砂比和砂的壓碎指標與石粉含量。
2. 2 機制砂石粉含量對水泥拌合物性能的影響
2. 2. 1 水泥的試驗
為探明機制砂中的石粉對水泥性能的影響,按內摻法將粒徑小于75μm 的石粉摻入水泥中試驗。結果表明:石粉取代部分水泥后,對凝結時間和安定性均無影響。當取代量小于5 %時,水泥強度略有提高(1 %～4 %) ,其原因主要是石粉中的碳酸鹽在水泥水化過程中與水泥的鋁硅酸鹽形成碳鋁酸鹽,使水泥強度得以提高;當取代量大于10 %時,隨取代量的增加水泥強度呈直線下降,原因是水泥的鋁成分有限,過多的石粉只能起惰性料的填充作用,反而降低水泥的活性。
2. 2. 2 砂漿試驗
采用兩種水泥在配合比相同條件下,摻入不同比例的石粉(顆粒粒徑小于75μm) 拌制砂漿,試驗結果表明:
a. 有石粉的砂漿強度都要比無石粉者高。
b. 石粉能充分填充顆粒間的空隙,提高拌合物的密實度,使砂漿容重隨石粉的增加而變大。
c. 石粉的存在加大了砂的比表面積,拌合物的需水量相應增多,故砂漿稠度隨石粉增加而減少。
2. 2. 3 混凝土試驗
結果表明:在水灰比相同的條件下,機制砂中小于75μm 的砂粉含量在30 %以下時除高等級混凝土的抗壓強度略低于中砂(河砂) 混凝土外,其他的抗折、抗拉、抗壓強度以及鋼筋的粘結力都高于河砂混凝土,參照有關國外文獻資料的結論相符。
2. 3 混凝土耐久性試驗
根據GBJ 82285 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準;混凝土抗壓疲勞強度試驗荷載采用受壓穩定脈沖荷載試驗荷載循環次數為200 萬次,下限應力與上限應力的比值稱為荷載循環特征系數( P) ,為0. 15 。在此條件能承受200 萬次反復荷載不破壞,即可在橋梁等混凝土結構物使用。試驗結果表明,機制砂混凝土能夠滿足這方面的要求,在自然條件的外力作用下影響混凝土建筑物壽命的諸多因素,一般認為凍融交替是主要環節,機制砂混凝土能夠滿足技術規范要求。同時,機制砂密度大,空隙率小,有利于提高混凝土抗壓彈模的受壓徐變強度。機制砂的收縮率比河砂混凝土略小,主要受石粉含量的影響。根據國外有關資料介紹,混凝土的收縮率隨集料小于75μm 粉塵含量的增加而變大,所以使用機制砂時(特別是高強混凝土) 除摻用外加劑,降低用水量和加強攪拌搗振、養護外,還應適當限制75μm 的粉塵用量。
3 機制砂的技術要求
3. 1 技術指標要求
GB/ T 1468422001 建筑用砂中的對機制砂的顆粒級配與天然砂的級配基本相同,只是50μm 的篩有些放寬,這主要原因是根據以往應用機制砂的經驗特征所規定的。
3. 2 亞甲藍MB 值
亞甲藍MB 值檢驗專門用于檢測小于75 μm 的物質是純石粉,還是泥土的一種檢驗方法。由于機制砂的外貌特征與天然砂不同,天然砂外觀呈黃色,含泥量高低從外觀上可以判定其多少。而機制砂多數呈灰白色或黑色,顆粒尖銳,看上去石粉很多。機制砂的石粉含量根據混凝土強度等級分別定為3 % ,5 % ,7 % ,比天然砂含泥量相對放寬2 %。為防止機制砂在開采加工過程中因各種因素摻入過量的泥土,在GB/ T 1484622001 建筑用砂中規定了測試機制砂石粉含量時必須先進行亞甲藍MB 值的檢驗或快速檢驗,而且都定為砂材料出廠(場) 和施工時現場復試的必檢試驗項目。亞甲藍MB 值檢驗檢測結果,合格的機制砂石粉含量按3 % ,5 % ,7 %控制使用;亞甲藍值的檢驗檢測結果,不合格的機制砂的石粉含量按1 % ,3 % ,5 %(與天然砂的含泥量相同) 控制使用,這樣就避免了因機制砂的石粉含量過高而給混凝土帶來的負作用。
3. 3 石粉的控制觀點
由于石粉的存在對其拌合物的作用有有利的方面也有不利的方面,因此可以對石粉進行控制使用。國際上對機制砂石粉的要求有所不同。美國耐磨混凝土小于5 % ,用于普通混凝土小于7 % ,用于砂漿小于10 %;英國對于重載混凝土的機制砂石粉含量要求小于8 % ,對于用普通混凝土機制砂石粉含量15 %;日本對用于混凝土機制砂石粉含量要求是小于7 %。由于我國建筑業應用機制砂處于起步階段,而我國地域廣闊,礦產復雜,各地生產和使用機制砂的水平相差很大,因此國標在對石粉的控制要求偏于亞甲藍,但根據多次使用機制砂及株六鐵路復線、四川高縣惠澤水庫施工中針對石粉對混凝土性能影響展開的大量試驗數據可以證明,對機制砂石粉含量可以放寬標準使用,可參照以下標準進行試驗后確定控制含量:配制強度等級大于C30 的混凝土機制砂石粉含量小于10 % ,配制強度等級為C20～C30 的混凝土機制砂的石粉含量小于15 %。配制強度等級小于C20 的混凝土機制砂的石粉含量小于20 %。
用機制砂配制混凝土與天然砂無大的區別,一般來講,同坍落度的前提下,機制砂的用水量要稍大些,但要根據施工條件及結構物和運輸等因素考慮。但對混凝土的強度基本不變;用機制砂配制泵送混凝土等特種混凝土時注意砂率不宜過高,防止降低混凝土強度和耐久性等工程質量。
4 結語
在工程建設過程中,砂石作為混凝土結構材料的重要組成部分,其質量優劣對整個工程的質量及耐久性具有舉足輕重的影響。在滿足用砂性能指標的前提下,選用經濟可行的方案,既要滿足施工質量要求,又要有效地控制生產成本,這樣在天然砂資源缺乏的地區,使用優質機制砂進行混凝土施工生產不僅是可行的,其綜合效益也是顯著的。同時在機制砂使用中,也可以進行建筑材料學科方面的研究試驗,積累經驗,為學科的發展奠定基石。
