机制砂特性分析及机制砂高性能混凝土配合比设计思路与应用

穆建忠

（陕西尧柏节能环保建材有限公司，陕西 西安 710061）

1 绪论

由于天然砂具有不可再生性，混凝土生产用砂最终被机制砂替代是不可避免的。本文对机制砂的特性及用于配制高性能混凝土的可行性做了相关研究。

1.1 混凝土砂石原材料的现状

众所周知，在混凝土组分中，砂子所占体积约在30% 左右，在混凝土中所起的作用有填充、包裹、润滑等，同时也是混凝土骨架的主要组成部分，所以有的行业称作“细集料”，有的称作“细骨料”。在混凝土生产中，除了极少量的透水混凝土等特种混凝土不用砂子外，可以说，预拌混凝土离不了砂子。以前，关中地区生产预拌混凝土几乎都采用天然河砂。随着混凝土产量逐渐加大，天然河砂的用量越来越大，天然河砂逐渐被消耗殆尽。无序的河砂采集甚至是盗采对水利工程设施和基本农田建设危害极大，不利于水土保持和水资源的合理利用。近两年来国家环保力度逐步加大，各混凝土企业均出现了“砂荒”，砂子的价格猛涨，但砂子质量却很差。有媒体用“哀鸿遍野”来形容当前的砂石供应局面。因此，人们把视野立马转到了机制砂领域。

1.2 机制砂的市场应用情况

由于天然河砂不可再生，使人们对混凝土用细骨料的选择发生了改变，人造砂，也就是我们常说的机制砂成了必然选择。其实机制砂在欧美和日本以及我国的上海、深圳、重庆等地早有应用，关中地区起步相对较晚一些。

我国在上个世纪的 60 年代就在不具备天然河砂供应条件的一些水利、水电工程中尝试用人工砂代替天然砂来配制混凝土，许多交通、桥梁工程也用了机制砂，如重庆嘉陵江黄花园大桥。但是，由于前期机制砂的生产工艺和性能控制不够规范，大多采用机制砂和天然河砂搭配来完成。后期经过工艺改进，机制砂的质量基本能满足混凝土的配制要求，但许多工程技术人员对能否全用机制砂配制高性能混凝土仍有一些顾虑。

2 机制砂的特性分析

2.1 机制砂的特点

河砂属于天然砂，由自然风化、水流冲刷、堆积而成，其粒径小于 4.75mm，由于河砂长期受到水流冲刷，基本上呈球形，具有颗粒表面比较圆润的特点，在相同条件下，相对于机制砂混凝土，用符合质量要求的河砂配制的混凝土流动性比较好。机制砂属于人工砂，是采用机械的方法将天然岩石破碎、磨制而成，经筛分处理加工成小于 4.75mm 的颗粒。机制砂由于机械的强制作用，产生的颗粒表面棱角多，砂中片状颗粒以及细粉含量较大。机制砂由于加工过程中有整形环节，所以，它与采石场加工碎石时通过筛分留下来的石屑是不同的。机制砂虽然相比天然河砂有许多缺点，但其表面有新鲜界面且表面粗糙，有助于与水泥石界面的粘结，这是机制砂有利的一面。

2.2 机制砂母岩的选择

什么样的岩石加工的机制砂适合高性能混凝土生产？机制砂的制砂原料目前应用最多的有石灰岩、花岗岩、玄武岩，也有使用页岩的。不同的岩石种类制成的机制砂强度有很大的差异。目前经常见到的机制砂种类主要有花岗岩机制砂和石灰岩机制砂，两者相比较，使用石灰岩的机制砂更普遍一些。经对比发现，石灰岩的机制砂由于母岩的硬度较花岗岩小，破碎后的颗粒在长、宽、高三维均匀性方面优于花岗岩的颗粒，在棱角性方面，也有相同的规律。如果机制砂的棱角性过差，意味着表面更加粗糙、空隙率大，有较大的内摩擦角，所拌制的混凝土需水量更大、流动性更差，同比外加剂的掺量也更大。专家研究发现，石灰石机制砂里一定细度的石粉，具有晶核效应，能诱导水泥水化，并且与铝酸三钙（C3A）生成水化碳铝酸钙，从而增强混凝土的强度。可以使用石灰石粉代替部分掺合料来改善混凝土的密实性及和易性。当然，关于机制砂的压碎指标值和碱活性合格是能够使用的必要前提条件。

2.3 机制砂普遍存在的问题

（1）粒形不好，片状颗粒过多。（2）细度模数偏大。有一个砂场给送的机制砂样品的细度模数达到3.8。（3）级配不良，颗粒级配“两头大、中间小”，也就是粗、细颗粒量大，中间的颗粒少。（4）石粉含量控制得不理想，忽大忽小，特别是花岗岩质机制砂石粉含量对混凝土拌合物的工作性影响较大。（5）用生产碎石的石屑加工或加工前除土不彻底，使机制砂里的膨胀性黏土含量超标，对混凝土中水和外加剂的吸附量增加。这就是目前大多数混凝土企业拌制混凝土时没有纯用机制砂的原因之一。

2.4 高性能混凝土对机制砂的要求

高性能混凝土生产需要什么样的机制砂呢？除了上面所说倾向于用石灰岩的机制砂外，主要是选择机制砂粒形良好、针片状含量低、自然级配合理、细度模数满足中粗砂标准、理想状态的细度模数在 2.6～3.2 之间、含泥量小于 3%、不含泥块、石粉含量在 8%～15%之间（强度等级在 C40 以上的混凝土石粉含量控制在10% 以下，强度等级在 C40 以下的混凝土石粉含量可以放宽在 15% 左右），并充分发挥机制砂与水泥石粘结力强、石粉能利用的特点。这样，性能优良的机制砂拌制的混凝土需水量小、水泥用量较少，混凝土密实性好、工作性能好，不仅强度高而且耐久性好，可以节约成本，也具有一定的社会效益。有的砂石企业认为自己的机制砂产品能够满足国家标准，就是质量最好的砂子，其实众所周知，国家标准只是最低要求，要想生产精品机制砂，需要在工艺技术和质量控制方面下功夫，生产出来的机制砂才受预拌混凝土企业的青睐，才能符合高性能混凝土的技术要求。

2.5 机制砂中的石粉对高性能混凝土的影响

对于机制砂中石粉对混凝土性能的影响，不同的研究人员有不同的看法。目前在预拌混凝土行业内有一个共同的看法是：机制砂中的石粉比例含量存在一个最佳值，在这个值以下时，石粉含量越高，混凝土工作性能越好；超过这个值，石粉就会对混凝土的工作性能产生不利影响。当然，不同品种的机制砂在不同的强度等级混凝土中这个值是不同的。

在配制低强度等级混凝土时，由于有工作性的要求，往往只用水泥和活性掺合料配制的混凝土存在强度富余系数过高的现象，如果利用机制砂中的石粉就可以补充混凝土中浆体填充所需的粉料颗粒的用量，即在较低的水泥用量和活性胶凝材料情况下，配制出工作性、耐久性符合要求的高性能混凝土。

机制砂中如果含有一定比例的石粉，就可以填充骨料空隙、包裹砂石表面、降低骨料间的摩擦阻力，使混凝土容易振捣密实，对混凝土的抗渗性和耐久性均有增强的作用。混凝土的单位密度随着石粉含量（在一定范围内）的增加而提高，其孔隙则随着石粉含量的增加而降低，同时可降低混凝土的开裂几率。

当人工砂 MB 值≤1.0 时，可以用在 C60 及以上混凝土中。

1.0≤MB≤1.4 时，可以用在中等强度等级（C30～C55）的混凝土中。

1.4≤MB≤2.0 时，说明石粉中含有较多的粘土颗粒，对混凝土用水量有一定的影响，但基本不影响混凝土的质量，可以通过调整减水剂用量等方法来保证正常使用，而且在用于 C25 及以下的混凝土中，还能避免低强度等级混凝土中胶凝材料用量较少导致的使和易性差的问题，使强度和耐久性满足要求。如果 MB 值超过2.0，说明石粉中含有较多的粘土颗粒，就不适合配制高性能混凝土了。

3 高性能混凝土的技术要求

高性能混凝土和传统的普通混凝土（简称 OPC）相比有以下技术要求：

（1）从原材料选择上，除了传统的水泥、水、砂、石四大组分外，高性能混凝土还必须添加一定比例的优质掺合料作为胶凝材料，以及添加与水泥相容性好的高性能外加剂作为必不缺少的重要组分。

（2）从配合比设计上，为了适应高耐久、高强的要求，要求水胶比一般不大于 0.4，拌合用水量不大于180kg/m3，适度的浆骨比；控制胶凝材料总量不宜大于550kg/m3。

（3）综合性能上，拌合物需要有良好的施工性（流动性好、易振捣密实、可泵性、均匀性等）；硬化后的混凝土需要有良好的力学性能，早期强度和后期强度均高；且符合要求的耐久性，如抗冻、抗渗、抗碱集料反应和耐腐蚀等能力，良好的尺寸稳定性；合理的适用性与经济性等。总之，具有良好的综合技术性能，能满足各种工程结构的使用要求。

4 机制砂高性能混凝土配合比设计思路及配合比优化

4.1 高性能混凝土配合比设计需遵循的基本定则

高性能混凝土的配合比设计仍然需要遵循传统预拌混凝土配合比设计中的三大定则，即水灰比定则，水灰比宜小于等于 0.4；最大密实度定则，通过调整砂石级配和胶凝材料使用比例，降低空隙率，使混凝土结构达到最大密实度；最小用水量定则，在满足拌合物流动性和水泥水化要求的前提下，用水量宜控制在 180kg/m3以内。然后确定好水胶比、浆骨比、用水量、砂率等四大参数，通过试验确定外加剂的合理用量，最后通过试拌，反复验证，才能配制出符合高性能混凝土特性要求的产品。

4.2 配合比设计的方法

截至目前，在国际、国家层面，仍没有统一的机制砂高性能混凝土的配合比设计规程，本人在多年的混凝土工作、实践中摸索出自己的一套机制砂高性能混凝土配合比设计方法，与同行一起分享。

在高性能混凝土配合比设计中，有一个参数显得比较重要，那就是“浆骨比”。步骤是先根据具体施工部位和强度等级，确定掺合料用量比例；根据粉煤灰和矿粉的活性指数计算出掺合料对胶凝材料的强度贡献系数，计算出水胶比；然后再计算出胶凝材料浆体的平均密度，根据强度等级和经验假定该强度等级所需要的合理的浆体体积，计算出胶凝材料的用量和用水量；再引用改进陈建奎教授的全计算法设计配合比中关于砂率的计算方法，求出砂石用量（注：该方法有个瑕疵，没考虑砂子的表面状态及细度模数对砂率的影响）。设计混凝土的初步配合比，根据日常试验结果，初步确定外加剂的掺量，通过流动性的试验调整，确定基准配合比，再经过强度与耐久性试验调整，确定试验室理论配合比，最后通过含水率的换算确定施工配合比。

在这里，干砂浆的体积需要填充粗骨料的空隙，干砂浆的体积等于粗骨料的空隙率。

4.3 机制砂在高性能混凝土配合比设计中的应用

机制砂高性能混凝土最关键的性能是基于耐久性提出的，对于工程特点和使用环境具有很强的针对性。高性能的体现由包括原材料的质量控制、拌合物生产过程控制和整个规范的施工过程来加以实现。作为预拌混凝土企业，前两项是必须控制的重点。机制砂高性能混凝土在施工过程中具有良好的充填性；凝结硬化后，结构致密、空隙率低，强度满足要求，具有高抗渗能力，使用寿命长；对于一些特殊工程或特殊部位，需要具有较高的耐久性和体积稳定性；混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后具有较小的收缩变形，具有良好的抗裂性。能够使混凝土结构安全可靠地工作 100 年以上，这是机制砂高性能混凝土的主要目的。在机制砂实际应用中，由于机制砂生产条件和生产技术的制约，完全满足预拌高性能混凝土要求的较少，大多都以机制砂搭配天然细砂，形成混合细骨料后再进行生产。这种混合细骨料的生产方法，能得到级配合理的砂子，操作也比较灵活简单，能保证混凝土质量的稳定性。但是如果对机制砂的加工工艺严格控制，符合上述要求的机制砂完全可以不用添加天然砂。考虑到机制砂的细度模数、表面状态和石粉含量，在实际应用中可以根据实际情况调整合适砂率。一般情况下，细度模数相同的机制砂混凝土的砂率比河砂高 2%～3%。关于机制砂混凝土水胶比计算中所涉及的回归系数，目前正规的标准规范没有提供，但根据同济大学蒋正武教授[5]和华北水利水电大学李凤兰教授[6]的研究结果显示，在相同水灰比和同等流动度状态下，机制砂混凝土强度稍高于天然砂混凝土，但相差不大。另外仍要考虑石粉的存在对用水量及粉体体积的影响，把石粉含量和增加的用水量的体积纳入浆体体积中综合考虑。

5 机制砂高性能混凝土的生产应用

试验采用的机制砂石粉含量为 15% 左右，母岩为石灰石，是非碱活性集料。除机制砂的颗粒形状有所不同外，其他指标检测与天然砂无太大区别。表 1 为机制砂的筛分结果。

表1 机制砂筛分结果

试验用其他原材料：10～25mm 碎石、5～10mm 碎石、P·O42.5 水泥、S95 矿渣粉、磨细粉煤灰。试验设计强度等级为 C50，设计坍落度为 (200±20)mm，外加剂为聚羧酸系高性能减水剂。

按表 2 配合比配制的混凝土初始状态良好、和易性包裹性良好，其它性能满足设计要求。

表2 C50 混凝土配合比及性能

通过以上试验机制砂代替河砂的试验达到预期的设计要求，且比天然砂配制的混凝土强度高出 1.3MPa。在坍落度损失方面，通过对外加剂的调整来保持坍落度在 2h 以上，目前批量的应用到生产中没有发现问题，各项指标完全满足高性能混凝土质量要求，通过以上试验表明全部用机制砂代替河砂的方案是有效可行的。选用良好级配的机制砂来达到绿色、节能、环保、经济和产品质量稳定的目的结果。

6 结束语

综合所述，机制砂高性能混凝土原材料的选择上除必须满足高性能混凝土对强度、高耐久性、高体积稳定性、高充填性等要求外，还必须考虑机制砂母岩的特性、表面状态、石粉含量对混凝土性能的影响。合理的浆骨比仍是机制砂高性能混凝土需要关注的重要指标之一。高性能混凝土的质量控制与验收，涉及原材料、设计、施工工艺、气候环境等诸多因素，高性能混凝土应重视原材料的选择和高性能混凝土施工的质量控制与验收方法。