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淺析機制砂的質量控制及規格特性分析

        石漫高速公路地處鄂西南山區，是湖北省迄今為止造價最高、施工難度最大的一條山區高速公路，全國像這樣地質條件復雜、施工條件艱險的高速公路也為數不多。因地處山區，由于受地域限制，沿線不出產天然河砂，特別是質量較好的黃砂，外地調運最遠達數百公里，每立方河砂運到工地成本高達二三百元，再者因為現在國土流域資源緊張，天然河砂資源也并不豐富，所以為降低混凝土成本必須因地制宜，湖北石漫高速公路所處地理環境料石資源豐富，用開采出來的料石生產機制砂，供應數量可以得到保證，供應途徑更加便捷，最重要的是使用機制砂生產混凝土，可以大大地降低成本、節約投資，因此機制砂發展前景廣闊。
        １機制砂特性分析
１．１機制砂的定義
機制砂（譯為Ｍａｃｈｉｎｅ－ｍａｄｅｓａｎｄ或Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｓａｎｄ）是“由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于４．７５ｍｍ的巖石顆粒，但不包括軟質巖、風化巖的顆粒”。
１．２機制砂的生產
由于機制砂是用專門的制砂機械生產，如用棒磨機制砂，可以通過進料量、料漿濃度、進料粒徑、裝棒量、棒級配等參數的調整，按工程的需要，人為地較穩定地控制機制砂的質量，故得到日益廣泛的應用。
１．３機制砂總體性能
機制砂顆粒由于具有棱角和表面較粗糙，因而拌制的混凝土和易性較差，可引起混凝土的較大泌水率，但機制砂中通常含有石粉可以部分改善混凝土的工作性能。通常在同一工地，機制砂與碎石是同一種母巖制成，熱學性能一致，對大體積混凝土技術
效果尤為顯著。
１．４機制砂的規格
粒度級配良好的一種砂子，一個細度模數只對應一個級配，同時它的細度模數和單篩的篩余量成線性關系，對于一種砂子，先通過試驗建立關系式后，只要測定一個單篩的篩余量即可快速求出細度模數。機制砂中石粉含量的變化是隨細度模數變化而發生變化的，細度模數越小，石粉含量就越高；反之，細度模數越大，石粉含量越低。機制砂細度模數應控制在合理范圍（一般３．０￣３．７）。太大，則粗顆粒太多，小于０．３ｍｍ顆粒太少，級配不合理，混凝土和易性變差。細度模數太小，則小于０．０７５ｍｍ細粉多，混凝土用水量可能增大，強度降低，收縮增大，且機制砂生產電耗上升。從砂子顆粒組成統計結果分析，
機制砂大于２．３６ｍｍ和小于０．０７５ｍｍ的顆粒明顯偏多，而中間顆粒少，級配范圍應按國家標準適當放寬。機制砂小于０．０７５ｍｍ的顆粒（即石粉），按其性質和在混凝土中的作用，都不能等同于天然砂中的泥含量。
２機制砂的質量要求
２．１顆粒級配
機制砂按６００μｍ篩孔的累計篩余量（以質量百分率計，下同）分成３個級配區（見第１７頁表１），其顆粒級配應處于表１中的任何一個區以內。機制砂的實際顆粒級配與表１中所列的累計篩余百分率相比，除４．７５ｍｍ和６００μｍ篩孔外，允許稍有超出，但超出總量一般不應大于５％，其中對于２．３６ｍｍ、３００μｍ及１５０μｍ篩孔上的累計篩余還可酌情放寬。２．３６ｍｍ篩孔的累計篩余，Ｉ區機制砂中可以放寬到５０￣５，Ⅱ區機制砂可以放寬到４０￣０，Ⅲ區機制砂可以放寬到２０￣０．３００μｍ篩孔的累計篩余，Ｉ區機制砂中可以放寬到９５￣７０，Ⅱ區機制砂可以放寬到９２￣６０，Ⅲ區機制砂可以放寬到８５￣４５．１５０μｍ篩孔的累計篩余，Ⅰ區機制砂可以放寬到１００￣８５，Ⅱ區機制砂可以放寬到１００￣８０，Ⅲ區機制砂可以放寬到１００￣７５．

表１機制砂的顆粒級配區

配制混凝土時宜優先選用Ⅱ區砂。當采用Ⅰ區砂時，應提高砂率，并保持足夠的水泥用量，以滿足混凝土的和易性；當采用Ⅲ區砂時宜適當降低砂率。對于泵送混凝土用砂，宜選用中砂。當采用機制砂的顆粒級配不符合本條的要求時，應采取相應的技術措施，經試驗證明能確保工程質量，方允許使用。
２．２泥塊含量
機制砂中的泥塊含量應符合表２的規定。

混凝土強度等級大于等于Ｃ６０Ｃ５５～Ｃ３０小于等于Ｃ２５泥塊含量（按質量計）％小于等于０．５小于等于１．０小于等于２．０對有抗凍、抗滲或其他特殊要求的小于等于Ｃ２５混凝土用砂，其泥塊含量應不大于１．０％．對于Ｃ１０和Ｃ１０以下的混凝土用砂，適量的非包裹型的泥或膠泥，經加水攪拌粉碎后可改善混凝土的和易性，其泥塊含量視水泥等級而定，一般可放寬至３％_４％．
２．３石粉含量
機制砂經試驗判定后，石粉含量應符合表３的規定。

混凝土強度等級大于等于Ｃ６０Ｃ５５～Ｃ３０小于等于Ｃ２５［１］石粉含量（按質量計）％ＭＢ＜１．４不大于５（３）不大于７（５）不大于１０（７）ＭＢ≥１．４不大于２．０（１．０）不大于３．０不大于５．０
注１：括號外的數字為行業標準的規定，括號內的數字為國家標準的規定。
注２：根據使用地區和用途，在試驗驗證的基礎上，石粉含量可由供需雙方協商確定。例如，當ＭＢ＜１．４０，配制Ｃ１０以下混凝土時，由于水泥用量少，石粉可以彌補混凝土和易性差的短處，經試驗證明能確保工程質量，石粉含量可以放寬到２０％左右。
２．４壓碎指標
機制砂的壓碎指標應符合表４的規定。表４機制砂壓碎指標
２．５有害物質
機制砂中如含有云母、輕物質、有機物、氯化物、硫化物及硫酸鹽等有害物質，其含量應符合表５的規定。

表５機制砂中的有害物質限值

有抗凍、抗滲要求的混凝土，機制砂中云母含量
不應大于１．０％．
機制砂中如發現含有顆粒狀的硫酸鹽或硫化物
雜質時，則要進行專門檢驗，確認能滿足混凝土耐久
性要求時，方能采用。
對預應力混凝土，其氯離子含量不得大于
０．０２％．
２．６表觀密度、堆積密度、空隙率
機制砂的表觀密度、堆積密度、空隙率應符合如
下規定：表觀密度大于２５００ｋｇ／ｍ３，松散堆積密度大
于１３５０ｋｇ／ｍ３，空隙率小于４９％．
２．７堿集料反應
對重要結構部位及長期處于潮濕環境的混凝土工程，應采用堿活性檢驗。經堿集料反應試驗后，由機制砂制備的試件無裂縫、酥裂、膠體外溢等現象，在規定試驗齡期的膨脹率應小于０．１％，判定為無潛在堿活性危害。反之，判定為有潛在堿活性危害。經上述檢驗判斷為有潛在堿活性危害時，應控制混凝土中的堿含量在３．０ｋｇ／ｍ３以內。對重大工程，還需進行專門的試驗論證，確認能保證混凝土的耐久性要求時，方能使用。
３機制砂混凝土與天然砂混凝土的比較

        因為機制砂由機械破碎、篩分制成，顆粒形狀粗糙尖銳、多棱角，通常用它來配制混凝土砂率比天然河砂混凝土大；并且機制砂顆粒內部微裂紋多、空隙率大、開口相互貫通的空隙多、比表面積大，加上石粉含量高等特點，與天然河砂混凝土相比，有其自身的特點，主要表現為以下２個方面。
３．１混凝土工作性比較
         機制砂與天然河砂相比，由于有一定數量的石粉，使得機制砂混凝土的和易性得到改善，可在一定程度上改善混凝土保水性、泌水性、黏聚性，使得混凝土易于成型振搗。這些作用在低標號混凝土中特別明顯，尤其是在實行水泥新標準之后，水泥強度普遍提高。配制混凝土時很難解決強度富余過大與工作性之間的矛盾，機制砂中的石粉很好地解決了這個矛盾，即在低水泥用量情況下，配制出工作性符合要求的混凝土。甚至在碾壓混凝土中要求機制砂中的石粉含量不低于１２％，以利于混凝土的碾壓成型。中國工程院譚靖夷院士還提出：“碾壓混凝土必須使用高石粉含量的砂子”。但在高標號混凝土中，對機制砂中的石粉均進行了嚴格的限制，因為在高標號混凝土中水灰比較小，石粉的存在嚴重影響了混凝土的工作性，一般人工砂中石粉含量限制在５％以下。含石粉的機制砂混凝土，其初、終凝時間比不含石粉的天然河砂混凝土有所延長，一般可延長５０～１２０ｍｉｎ，并認為主要是由于石粉沒有活性，在混凝土中只起到一種隋性摻合料的作用，分散水泥顆粒，降低了水泥的水化熱。含氣量和泌水率都減少，對混凝土的質量有利。
３．２混凝土強度比較
        強度是混凝土作為結構材料的一個重要依據。因而機制砂對混凝土的強度影響也是混凝土工作者最關心的一個問題。據資料顯示，在同等條件下，用機制砂配制的混凝土比天然河砂配制出的混凝土強度略高。杜慶蟾等人認為：由石灰石破碎而成的機制砂，其成分是碳酸鈣，處于高濃度氫氧化鈣中，其表面會發生微弱化學反應，天然河砂成分中二氧化硅含量高，不能發生類似反應；且機制砂質地堅硬，有新鮮界面，表面能高；機制砂表面粗糙、棱角多，有助于提高界面的黏結。李拖福等人認為：機制砂提高混凝土的強度是由于石粉填充了混凝土中的孔隙，且０．０８ｍｍ以下的石粉可以與水泥熟料生成水化碳鋁酸鈣。安文漢等認為機制砂增強混凝土的主要原因是由于石粉的存在可以較明顯改善混凝土的孔隙特征，改善漿—集料界面結構，并且混凝土晶相有不同程度的改變。并認為就強度而言石粉的最佳含量為５％．根據已有的研究，我們認為：石粉對水泥具有增強作用，認石粉在水泥水化反應中起晶核作用，誘導水泥的水化產物析晶，加速水泥水化并參加水泥的水化反應，生成水化碳鋁酸鈣，并阻止鈣礬石向單硫型的水化硫鋁酸鈣轉化。但李興貴認為：當石粉含量增大到２１％以上時，由于石粉含量太高，顆粒級配不合理，使混凝土密實性降低，和易性變差；粗顆粒偏少，減弱了骨架作用；非活性石粉不具有水化及膠結作用，在水泥含量不變時，過多的石粉使水泥漿強度降低，并使混凝土強度減小。并且路文典認為：機制砂中石粉含量除了微集料的填充效應，還因為其中含有大量的游離ＣａＯ，ＣａＯ與水作用，發生水化膨脹自行硬化。而且石粉中還含有較多和較高活性的無定型ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３，活性的ＳｉＯ２和Ａｌ２Ｏ３易與水泥水化釋放出的Ｃａ（ＯＨ）２反應生成穩定的硅酸鈣水化物凝膠及水化鋁酸鈣，由于消耗了Ｃａ（ＯＨ）２，又促進了水泥的水化反應；同時，由于Ｃａ（ＯＨ）２與石粉中的活性ＳｉＯ２反應，使Ｃａ（ＯＨ）２的晶體粒細化，有利于混凝土界面的黏結。
３．３混凝土彈性模量比較
        目前國內對機制砂混凝土彈性模量的研究并不十分充分，安文漢和楊德斌等的研究結果均表明在保持相同水灰比和水泥用量的條件下，機制砂混凝土的彈性模量高于普通混凝土。舒傳謙認為山砂高強混凝土的彈性模量一般高于現行規范公式ＧＢＪ１０—８９的計算值，并給出回歸曲線解析式為：ＥＣ＝（１．５５００＋０．０４４４ｆｃｕ）×１０４（Ｎ／ｍｍ２）。彈性模量提高的原因可能是：機制砂粗糙多棱角的顆粒在砂漿中起著骨架作用，限制了水泥石的變形及骨料顆粒之間的滑動；機制砂與水泥石間有良好的黏結界面，使得界面孔隙少，減少了應力集中；機制砂中的石粉提高了水化產物的結晶程度，晶膠比的提高使水泥石在外力作用下的變形減小。
３．４混凝土干縮性能比較
混凝土的干縮性能直接影響混凝土的裂縫，進而影響混凝土的耐久性。李興貴等人的研究結果顯示：與常規細骨料（石粉含量３％）相比，石粉含量為１６％和１２％的混凝土干縮率分別增大１２．８％和４．８％．其中，石粉含量在１２％以下時，干縮率增大緩慢，石粉含量大于１２％時，干縮率迅速增大。并認為干縮
率隨石粉含量增加而增大，這是由于石粉中小于０．０８ｍｍ的極細顆粒隨石粉含量的增加而增多，這種極細顆粒在混凝土拌和物中起到增加水泥漿含量的作用，混凝土的干縮正是來源于水泥漿的干縮，顯然，單位體積水泥漿多，導致干縮率增大。
３．５混凝土抗滲性比較
由于混凝土的抗滲性主要與其孔結構有關，因
此大多數人認為機制砂中的石粉是其提高抗滲性的
主要原因。混凝土的研究者認為：機制砂中的石粉只
是一種有效的填料，雖然不具有活性，但提高了混凝
土的密實性，增強了水泥石與骨料界面黏結；而有人
則認為石粉能加速Ｃ３Ｓ的水化，并與Ｃ３Ａ、Ｃ４ＡＦ反
應生成結晶水化物，并能改善水泥石的孔隙結構，因
此抗滲性能得到提高。
３．６混凝土抗凍性比較
混凝土的抗凍性在北方廣大地區是混凝土耐久性評價的一個重要指標，但對于機制砂混凝土的抗凍融耐久性并沒有系統的研究。張映全等在配制Ｃ４０混凝土時采用５０％的石屑替代河砂以提高混凝土的抗凍性，并得到較好的結果，其中采用石屑替代的經２００次凍融循環后比未替代的強度少損失９．９６％．認為主要是石粉在一定程度上改善了混凝土的毛細孔結構，提高了混凝土的抗凍融性。但張桂梅等人研究石粉對低標號混凝土影響時，發現２０％石粉含量的機制砂混凝土質量損失和強度損失均大于１２％石粉含量的，且經５０次凍融循環后２０％石粉含量的機制砂混凝土強度損失比１２％含量的高出１０．３％．綜合上述研究結果，可以看出機制砂混凝土在工作性、強度、抗滲性、抗凍性等方面表現出一定的優越性，尤其是在低標號混凝土中，石粉具有一定的微集料填充效果，改善混凝土的孔隙結構，使得其強度、抗滲性、抗凍性都較天然河砂混凝土好。
４機制砂質量中的３個問題
機制砂在應用中有３項主要指標備受關注：石粉含量、壓碎指標和細度模數。
４．１石粉含量
機制砂在生產過程中，不可避免地附帶有少量粒徑小于０．０７５ｍｍ的石粉。按天然砂質量標準，小于０．０７５ｍｍ顆粒定義為泥，而對泥的含量限制是非常嚴格的。機制砂中的石粉顯然與泥不同，大量試驗研究與工程應用實踐表明：機制砂中含有一定量的石粉對改善中低強度等級混凝土的工作性有較大的幫助，對混凝土強度幾乎沒有影響。但石粉含量較高時，對配制高強混凝土的強度有不利的影響。目前，湖北滬蓉西高速公路多數專業砂石料廠工藝配制較完善，大都配備了旋風收集石粉裝置或靜電收塵系統，有的還采用水洗除粉工藝，能有效地把機制砂石粉含量控制在５％以內。
４．２壓碎指標
是指機制砂在外力作用下抵抗破壞的能力，是間接表達機制砂堅固性的一個重要指標。壓碎指標直接影響所配制混凝土的強度，特別對于高強混凝土的影響最大。湖北滬蓉西高速公路多數專業砂石料廠生產的機制砂顆粒形狀較好，加之所采用母巖強度都較高，壓碎試驗值一般在２０％～２５％范圍內。試驗發現，當某些砂石料廠采用的母巖強度較差時，其壓碎指標值將增大，一般都大于２５％．機制砂中的針片狀含量對壓碎值最為敏感。調查發現，針片狀顆粒含量多的產品一般均為非專業砂石料廠生產碎石篩留下的石屑，試驗壓碎指標值一般都在３０％以上，有些甚至高達４０％，這種石屑在本高速公路項目是明令禁用的。大量試驗表明壓碎指標值３０％是一個比較明顯的分界線，小于３０％的機制砂幾乎全是專業砂石料廠生產，而大于３０％的砂樣大部分出自非專業或小碎石廠的石屑。
４．３細度模數
機制砂在生產過程中，為能除去大部分石粉，往往將３００μｍ以下顆粒清除了大部分，從而造成機制砂顆粒級配不好，細度模數偏大的問題，加之機制砂棱角多，表面粗糙，單獨用于配制混凝土很難滿足其工作性要求，也不符合行業標準的規定。針對這一問題，可將之和天然河砂進行摻配，以填充顆粒級配的中間部分，但這一方面目前是正在深入研究的課題，因為這雖然保證了細度模數符合規范要求，但對混凝土其他性能的影響還未探明，這里只是借此提出復合砂的概念，不在此文探究之列。
５機制砂質量控制
上面說到機制砂在應用中有３項主要指標極其重要，這些都是和機制砂在日常生產和使用中緊密相關的，生產控制得好，使用起來就放心，生產質量差，就得加強使用時質量控制檢測了，在此談談機制砂生產和使用的控制。
５．１生產質量控制
ａ）生產機制砂所用巖石要求潔凈、無泥塊及植被，質地堅硬、無軟弱顆粒及風化石，石料等級要求三級或三級以上。ｂ）統計出料口砂和成品砂的細度模數，進行顆粒分析，其試驗方法見《公路工程集料試驗規程》ＪＴＪ０５８—２０００中Ｔ０３２７—２０００．其級配應符合規范要求，見表１（第１７頁）。根據統計結果調整生產系統參數，以提高生產效率和生產質量。ｃ）檢測統計出料口和成品砂石粉含量（小于０．０７５ｍｍ的顆粒含量），根據統計結果調整生產系統參數，將石粉含量控制在７％～１６％范圍以內，對于配制Ｃ４０或Ｃ４０以上砼所用機制砂應通過水洗法或收塵法將石粉含量控制在７％以內，同時應注意避免將０．０７５～０．３ｍｍ“帶走”而造成斷檔。石粉含量試驗方法見《公路工程集料試驗規程》ＪＴＪ０５８—２０００中Ｔ０３３３—２０００．
ｄ）機制砂生產設備注意經常保養，對于磨損厲害的設備予以更換。
ｅ）機制砂儲存時高度不宜超過１０ｍ，避免混入雜質，做好防雨措施。
ｆ）對成品砂應根據條件按批量作常規物理檢測，一個工作日為一個批量。常規物理檢測項目見機制砂的質量要求。
５．２使用質量控制
ａ）供貨方應提供產品合格證及質量檢驗報告。
ｂ）應按同產地分批驗收。一般４００ｍ３或６００ｔ為一個驗收批，不足者按一驗收批論。
ｃ）在運輸、裝卸和堆放過程中，防止顆粒離析和混入雜質，按產地、種類分別堆放，堆放高度不宜超
過１０ｍ．
ｄ）按一定的取樣方法取樣，對機制砂顆粒級配、石粉含量、常規指標進行檢驗。其中機制砂的顆粒級配按規定頻率進行檢測，壓碎值、表觀密度等指標在更換生產廠家或母巖質量有所波動時按一定的取樣方法和頻率進行檢測。對重要工程或特殊工程應根據工程要求增加相應檢測項目。
ｅ）檢測結果不符規范要求的機制砂，可作混凝土試驗，試驗結果滿足技術要求的，得到監理工程師認可方使用。
６結語
        機制砂的研究雖然談不上是什么新興課題，但目前機制砂生產已經成為一個新興的產業，隨著研
究的不斷深入，其應用范圍也在逐年擴大，由最初僅限于應用生產Ｃ３０及其以下混凝土，逐步發展到Ｃ５０及以上的幾乎所有等級的混凝土。機制砂的應用不僅對混凝土工程的質量和耐久性提高起到了保證作用，同時也為社會和企業創造出巨大的經濟效益，為高速公路的建設發展，混凝土應用技術進步作出了重要貢獻。但是我們要看到傳統的觀念和習慣也嚴重影響機制砂的開發與應用，這就需要解放思想，加大宣傳力度。希望更多的工程技術人員、工程建設以及政府相關部門共同關注混凝土技術的進步，促進機制砂的進一步開發與應用。
         今后數年內，我省山區高速公路的建設規模將有更大更快的發展，施工生產技術的進步，工程質量的提高，高性能混凝土的應用，對砂石行業提出了更高更嚴的要求。目前，雖然我省高速公路工程機制砂用量還不能與天然河砂用量相比，但這種比例隨著西部建設開發也在不斷的變化中，機制砂將愈來愈多地得到應用，機制砂發展前景廣闊。
 

參考文獻：
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