王光明

(中鐵二局，四川成都610031)

砂是組成混凝土的主要材料，隨著建筑業(yè)發(fā)展和對建筑工程質(zhì)量的重視，建筑市場用砂數(shù)量越來越大，質(zhì)量上要求越來越高。而用來保證工程質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)天然砂資源卻逐漸枯竭，由此引發(fā)的工程質(zhì)量及亂撈濫采導(dǎo)致農(nóng)田、水利資源問題日趨嚴(yán)重。因此，這些傳統(tǒng)天然砂引發(fā)的建設(shè)與環(huán)境之間矛盾成為以后建筑業(yè)發(fā)展的障礙。這樣一來，工程應(yīng)用中采用天然砂的代替材料——機(jī)制砂便成為一種新的趨勢。

機(jī)制砂資源豐富，取材方便，成本低廉。但國內(nèi)很多工程界的人士對機(jī)制砂的認(rèn)識比較陌生，沒有使用機(jī)制砂的經(jīng)驗(yàn)，因此在推廣的過程中有很大的阻力。如何更好認(rèn)識和利用好機(jī)制砂是今后建筑行業(yè)值得探索的一個(gè)新領(lǐng)域。這不但對我國的基礎(chǔ)建設(shè)有重大的經(jīng)濟(jì)意義，而且有利于建筑行業(yè)今后朝資源節(jié)約，環(huán)境友好型發(fā)展。

1 機(jī)制砂的特點(diǎn)

2002年實(shí)施的(GB/T 14684－2001)《建筑用砂》中定義了機(jī)制砂:機(jī)制砂是由機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖的顆粒。機(jī)制砂這種人造建筑材料顯然與天然河砂有很多不同之處。機(jī)制砂的粒型、細(xì)度模數(shù)、級配、石粉含量等四個(gè)方面是影響其配制混凝土性能的主要因素。下面從這四個(gè)方面來闡述機(jī)制砂的特點(diǎn)。

1.1 粒型

機(jī)制砂的粒型主要為角錐型和不規(guī)則型。其顆粒形狀主要是由母巖材料的層理和巖性、制砂設(shè)備以及生產(chǎn)工藝流程不同而變化。粒型會影響集料堆積的緊密性和空隙率，從而影響填充集料空隙的凝膠材料的體積。形狀趨于方形、圓形且粒型表面光滑時(shí)，新拌混凝土有較好的流動性，反之流動度差。因此機(jī)制砂的粒型和表面特征影響混凝土的工作性能。另外，機(jī)制砂表面的粗糙增加水泥漿體骨料界面的機(jī)械咬合力，使硬化混凝土的強(qiáng)度提高。

1.2 細(xì)度模數(shù)

沒有經(jīng)過調(diào)配的機(jī)制砂一般為中粗砂，細(xì)度模數(shù)偏大，大約在3.3以上。不過機(jī)制砂是人工生產(chǎn)的，其細(xì)度模數(shù)可以人為控制。如果要實(shí)現(xiàn)機(jī)制砂完全代替天然砂，必須選擇合適的制砂設(shè)備和改進(jìn)生產(chǎn)工藝以獲取生產(chǎn)細(xì)度模數(shù)小于3.0，級配優(yōu)良的機(jī)制砂。

1.3 級配

在制備混凝土?xí)r，都趨向于使集料達(dá)到最佳級配，這就意味著通過不同大小顆粒的集料的最佳比例來獲取最緊密的堆積狀態(tài)，此時(shí)的空隙率最小，這樣可以減少凝膠材料的用量。機(jī)制砂中存在大量的石粉，因此從級配角度來講適量的石粉作為微填充物是有益的。然而，機(jī)制砂并不是級配越好配制的混凝土質(zhì)量就越高。因?yàn)闄C(jī)制砂顆粒表面多棱角，粗糙度大，級配越好，緊密程度加大，骨料之間的摩擦力也會增大，這對混凝土的工作性能會產(chǎn)生不利影響。因此，機(jī)制砂在配制混凝土?xí)r，要同時(shí)考慮凝膠材料的用量和混凝土的工作性這兩方面相協(xié)調(diào)。

1.4 石粉

石粉是機(jī)制砂中粒徑小于0.075 mm的顆粒。陳家瓏的一項(xiàng)研究表明，石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制砂中的石粉70%的顆粒分布集中在0.016 mm以上，平均粒徑為0.0369 mm，因此石粉的粒度分布決定著它不僅作為骨料之間的填充劑，還在一定程度上改善了混凝土的粘聚性和工作性[1]。石粉對混凝土的各項(xiàng)性能影響的利弊不同，因此機(jī)制砂中的石粉含量達(dá)到什么樣的水平，才能使配制的混凝土的性能達(dá)到最佳是很難確定的。經(jīng)研究表明:石粉的最佳含量受機(jī)制砂母巖的種類、粒型、粒度分布、比表面積、級配和細(xì)度模數(shù)以及混凝土的強(qiáng)度等級、種類、礦物摻合料和使用環(huán)境等多方面的因素有關(guān)。

2 機(jī)制砂替代天然砂的可行性

機(jī)制砂與河砂相比，具有級配控制相對穩(wěn)定，粒型和級配都可以根據(jù)使用要求來調(diào)整;棱角性好，與水泥漿體的粘結(jié)力較強(qiáng)，其最大粒徑和含水量均可精確控制等優(yōu)點(diǎn)。但是這些孤立的性質(zhì)并不能說明它能夠取代河砂在混凝土中發(fā)揮很好的骨料性能。因此，下面從機(jī)制砂混凝土的工作性能、強(qiáng)度、耐久性等方面來闡述機(jī)制砂代替天然砂的可行性。

2.1 機(jī)制砂混凝土的工作性

機(jī)制砂粒型的棱角性決定其配制出的混凝土具有和易性差、保水性差、泌水性高、粘聚性差等缺點(diǎn)，但是機(jī)制砂中的石粉存在填充了不規(guī)則多棱角形成的空隙，又會使空隙減少，增加了混凝土的粘聚性，改善了和易性差的缺點(diǎn)。研究表明在低水泥用量的情況下，由于石粉的作用，也可配制出工作性符合要求的混凝土。特別對于碾壓混凝土，要求機(jī)制砂中的石粉含量不低于12%，以利于混凝土的碾壓成型。從這方面來講，含有石粉的機(jī)制砂要優(yōu)于天然砂。

2.2 機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度

機(jī)制砂目前可以配制各種強(qiáng)度等級的混凝土。據(jù)有關(guān)資料介紹，在同等條件下用機(jī)制砂配制的混凝土比天然砂配制的混凝土的強(qiáng)度高，這主要因?yàn)槭蹖炷恋奶畛渥饔?，使混凝土更加密?shí)的緣故。

2.3 機(jī)制砂混凝土的耐久性

雖然機(jī)制砂的棱角粒型使其配制的混凝土骨料空隙率較大，會對機(jī)制砂的耐久性產(chǎn)生不利影響，但如果在配制機(jī)制砂混凝土?xí)r摻加一定量的石粉或天然細(xì)砂，就可以達(dá)到耐久性要求。機(jī)制砂的石粉雖然不具有活性，但是提高了混凝土的密實(shí)性，增強(qiáng)了水泥與骨料界面的粘結(jié)，改善了水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)，從而使與毛細(xì)孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)的抗?jié)B性和抗凍性得到了提高，達(dá)到耐久性好的目的。

3 機(jī)制砂的生產(chǎn)

機(jī)制砂混凝土能否達(dá)到要求，其決定因素是用于配置混凝土的機(jī)制砂的質(zhì)量。機(jī)制砂的質(zhì)量取決于制砂的生產(chǎn)工藝。優(yōu)良的生產(chǎn)工藝不僅能生產(chǎn)出滿足工程要求的機(jī)制砂，而且經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性都很高。一般來說，制作機(jī)制砂的設(shè)備中，棒磨式、錘式和沖擊式等優(yōu)于反擊式、圓錐式和旋盤式;腭式、棍式和旋回式最差。衡量其優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是制出的機(jī)制砂的粒型、細(xì)度模數(shù)、級配、石粉含量是否能達(dá)到工程要求。并且在設(shè)備選型時(shí)調(diào)配好其規(guī)格，功率必須與生產(chǎn)的客觀環(huán)境相適應(yīng)，要注意與進(jìn)料粒徑，生產(chǎn)能力，效率相匹配。另外，原料的破碎、制砂、篩分設(shè)備一定要匹配，這樣才能提高生產(chǎn)效率。

生產(chǎn)機(jī)制砂的母巖要求潔凈、無泥塊腐殖物、質(zhì)地堅(jiān)硬、無軟弱顆粒和風(fēng)化石，石質(zhì)要求三級或三級以上，這樣才能保證生產(chǎn)出的機(jī)制砂的硬度達(dá)到要求。機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)是可以在生產(chǎn)中予以控制的，由于各種設(shè)備生產(chǎn)出的機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)各不相同，差異性較大，可以用各種機(jī)制砂設(shè)備同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)，然后將各種砂按不同比例混合從而生產(chǎn)出不同細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂。這種嘗試不僅很好地滿足工程需要，還為機(jī)制砂的工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)平臺。

值得注意的是，由于機(jī)制砂中的石粉含量是影響機(jī)制砂使用的重要因素，制砂時(shí)一定要注意控制其石粉含量。目前大多數(shù)工藝生產(chǎn)出的機(jī)制砂的石粉含量在10%～20%之間[2]，這就要求一些工程對機(jī)制砂進(jìn)行除石粉?，F(xiàn)在常規(guī)的除石粉的方式有濕式水洗法和干式氣流分離法。雖說濕式制砂工藝可以達(dá)到良好的除石粉效果，但是沖水除塵，不但需要大量的水資源，礦粉資源不能充分利用，還造成浪費(fèi)和環(huán)境污染。由于濕式法的沖水量和沖水壓力不易控制，導(dǎo)致一些較細(xì)的骨料也一并除去，所以使生產(chǎn)出的機(jī)制砂的砂當(dāng)量和級配不穩(wěn)定。國外主要采用干式制砂工藝，這樣不僅節(jié)約了水資源，還生產(chǎn)出了高附加值的礦粉，有良好的經(jīng)濟(jì)效益。不過干式制砂是不可避免的會對空氣造成粉塵污染，這種工藝也有需要改進(jìn)的地方。2002年，我國實(shí)施的用砂標(biāo)準(zhǔn)，把顆粒級配、石粉含量和堅(jiān)固性檢查都定為機(jī)制砂出廠和施工現(xiàn)場復(fù)檢的重要內(nèi)容，所以必須充分考慮各種因素，使機(jī)制砂的各項(xiàng)指標(biāo)符合國標(biāo)要求，這樣的機(jī)制砂才是我們工程需要的。

4 機(jī)制砂的經(jīng)濟(jì)效益明顯

機(jī)制砂現(xiàn)場收料方式固定、穩(wěn)妥，不存在收料誤差和質(zhì)量問題。目前，天然砂在施工過程中損耗過大，特別是施工單位施工收料過程易出現(xiàn)誤差。某些工地出現(xiàn)上萬立方米的砂石虧損，其原因一是收料人員責(zé)任心不強(qiáng)，隨意性強(qiáng)，過于依靠經(jīng)驗(yàn)收料收方，或者供貨商投機(jī)取巧;二是使用過程中，浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，于是便出現(xiàn)了現(xiàn)場砂石數(shù)量虧損的現(xiàn)象。

5 機(jī)制砂環(huán)保性強(qiáng)

機(jī)制砂與天然砂在環(huán)保和揚(yáng)塵方面存在較大差異。首先，機(jī)制砂是袋裝保存，在運(yùn)輸過程中能有效減少對道路的污染，也不易造成揚(yáng)塵。其次，機(jī)制砂是袋裝保存，施工現(xiàn)場存放過程中也不易造成場地污染和施工揚(yáng)塵，能有效起到環(huán)境保護(hù)的效果。而目前我國天然砂無論在運(yùn)輸過程還是施工現(xiàn)場存放、使用都存在較大的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。比如，目前很多地區(qū)對運(yùn)輸砂石的車輛出臺了限時(shí)運(yùn)輸?shù)囊?guī)定，目的是避免污染道路和揚(yáng)塵，但造成施工單位諸多不便。此外，施工現(xiàn)場堆放天然砂石對場地條件要求較高，要防止散落、要進(jìn)行覆蓋，否則易造成浪費(fèi)和揚(yáng)塵過多。就目前情況看，很多工地在砂石的揚(yáng)塵控制方面做得不理想，不但污染環(huán)境，對施工人員身體健康危害也很大。

6 機(jī)制砂的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景

從20世紀(jì)60年代開始，我國在水利水電工程中已經(jīng)成功應(yīng)用機(jī)制砂的例子有很多，如三峽大壩的二、三期工程、龍灘水電站、湖北宣恩洞坪水利樞紐工程等大型水利水電工程都采用了機(jī)制砂，而且配制的混凝土種類繁多，包括碾壓混凝土、泵送混凝土，強(qiáng)度也達(dá)到了C70以上[3]。而且在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的C100的機(jī)制砂混凝土90 d的實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到了155 MPa。但是機(jī)制砂在交通土建工程中的應(yīng)用頗少，亟待積累經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐證明:機(jī)制砂在添加礦物摻合料和化學(xué)外加劑后，完全可以取代天然砂應(yīng)用于高強(qiáng)混凝土的高層泵送施工[4]，泵送效果好。如果純機(jī)制砂小于0.3 mm的顆粒含量較少，純天然細(xì)沙這部分的顆粒含量較多，在機(jī)制砂中摻一定比例的天然細(xì)砂可以很好的彌補(bǔ)這一缺陷。實(shí)驗(yàn)研究表明，用60%的機(jī)制砂摻加40%的天然細(xì)砂做細(xì)骨料，能滿足高性能混凝土的各項(xiàng)施工要求，并較之天然砂效果更為理想[5]。機(jī)制砂和天然砂的混合使用，使機(jī)制砂的使用范圍大大增加，這對于今后土建交通類工程機(jī)制砂的使用開辟了新的途徑。

美國、日本、英國等國家生產(chǎn)和使用機(jī)制砂已有幾十年的歷史了，如20世紀(jì)80年代日本就提出了天然集料與人工集料的配合比例大約為9∶10，90年代降為1∶2[6]。法國開發(fā)出具有隔熱、輕質(zhì)、防火、耐震等特性的機(jī)制砂。國外相繼研制出了不易變形、不受氣候影響、不易于其他建筑材料產(chǎn)生化學(xué)或生物反應(yīng)的建筑用砂，這些國家將機(jī)制砂納入其國家標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間至少30年以上。而目前我國標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)制砂的各種指標(biāo)的規(guī)定不是十分精確，特別是在石粉含量限值的規(guī)定方面爭議較大，很多學(xué)者都致力于石粉含量的實(shí)驗(yàn)研究。國標(biāo)對石粉含量嚴(yán)格限制為7%，很多研究表明在低等級的混凝土中的石粉含量高達(dá)15%～18%時(shí)，混凝土仍然具有很好的性能[7]。

目前國內(nèi)機(jī)制砂的生產(chǎn)和應(yīng)用還處于初始階段，其應(yīng)用范圍在逐年增大。以前主要應(yīng)用于水利工程中，現(xiàn)在逐漸向市政、道路、橋梁、高層建筑方面延伸。機(jī)制砂幾乎可以配制所有強(qiáng)度等級的混凝土，對質(zhì)量和耐久性都有保證。我國有大量的礦產(chǎn)資源，在采礦加工過程中伴隨著上百億噸的尾礦，既占用了大量的土地，又造成環(huán)境污染。如果經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆诌x和加工，制成質(zhì)量優(yōu)的機(jī)制砂，這樣就形成了良好的綜合效益。因此，機(jī)制砂有著巨大的應(yīng)用前景。

7 結(jié)束語

隨著天然砂短缺的形勢日益加劇，開展機(jī)制砂在混凝土中應(yīng)用的研究勢在必行。機(jī)制砂代替天然砂不僅具有一定的經(jīng)濟(jì)性和適用性，還具有一定的環(huán)境效益和社會效益，而且由于機(jī)制砂的生產(chǎn)不受氣候季節(jié)的影響，且在生產(chǎn)工藝上能得到有效控制，產(chǎn)品的質(zhì)量相對穩(wěn)定，對混凝土拌合物性能和耐久性都能明顯改善，有利于提高建筑工程的質(zhì)量。但是目前機(jī)制砂的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用研究還不能滿足各種工程的要求，特別是機(jī)制砂中的石粉問題。因此這方面的研究對今后機(jī)制砂能夠推廣有重要意義。

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