姜連甲，殷繼偉，馬永勝

（1. 哈爾濱精典新型干混建材科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150070；2. 哈爾濱佳連混凝土技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150070）

0 引言

近年來(lái)，隨著自然資源的枯竭，國(guó)家為保證生態(tài)環(huán)境，逐步開(kāi)始限制河砂的開(kāi)采，部分省市已經(jīng)完全禁止開(kāi)采。目前可開(kāi)采、利用的天然砂資源越來(lái)越少，完全不足以供應(yīng)下游企業(yè)的需要。這就導(dǎo)致許多預(yù)拌混凝土企業(yè)，生產(chǎn)所用的天然砂質(zhì)量參差不齊，許多場(chǎng)地有限的企業(yè)更會(huì)出現(xiàn)粗砂、中砂、細(xì)砂混堆的情況。混凝土日常生產(chǎn)時(shí)，質(zhì)量波動(dòng)大，不利于混凝土的質(zhì)量控制。許多企業(yè)的技術(shù)人員對(duì)機(jī)制砂嗤之以鼻，認(rèn)為機(jī)制砂的級(jí)配差、含泥量高、對(duì)外加劑吸附性大。其實(shí)機(jī)制砂的質(zhì)量?jī)?yōu)劣，與母巖的性能、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝有很大的影響。

石灰石是用來(lái)生產(chǎn)水泥的原料，礦山中部分石灰石的品質(zhì)較低并不能用于生產(chǎn)水泥，但將這些品質(zhì)較低的石灰石制成機(jī)制砂，可以在混凝土中得到良好的應(yīng)用。

本文將通過(guò)試驗(yàn)分析天然砂與石灰石尾礦砂的區(qū)別，如何利用好尾礦砂保證混凝土的質(zhì)量，同時(shí)完成降本增效的目標(biāo)。

1 原材料性能指標(biāo)

本文試驗(yàn)所用原材料性能指標(biāo)見(jiàn)表 1～6。

表 1 P·O42.5 水泥性能指標(biāo)

表 3 天然砂（河砂）性能指標(biāo)

表 4 粗骨料（碎石）性能指標(biāo)

表 5 混凝土泵送劑性能指標(biāo)

表 2 Ⅱ級(jí)粉煤灰性能指標(biāo)

表 6 機(jī)制砂性能指標(biāo)

2 機(jī)制砂中石粉對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響

篩出機(jī)制砂中 80μm 以下的顆粒。將篩出的石粉進(jìn)行充分拌勻，烘干至恒重。此次試驗(yàn)將機(jī)制砂中的石粉看作為石灰石粉，按照 JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求進(jìn)行 28d 膠凝材料強(qiáng)度試驗(yàn)。

為了對(duì)比效果明顯，石粉摻量以 5% 的整數(shù)倍進(jìn)行遞增。且保證膠砂流動(dòng)度不小于 180mm。對(duì)比 28d 膠砂強(qiáng)度差異，分析不同摻量下的石粉，對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響，詳見(jiàn)表 7。

表 7 石粉摻量對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響

依據(jù)表 7 的數(shù)據(jù)可知，膠砂強(qiáng)度隨著石粉摻量的提高，膠砂強(qiáng)度隨之降低。當(dāng)摻量為 0%～10% 范圍內(nèi)，水泥膠砂強(qiáng)度下降較緩慢，當(dāng)摻量在 10%～20% 范圍內(nèi)，膠砂強(qiáng)度急劇下降。而從膠砂流動(dòng)度來(lái)看，機(jī)制砂中的石粉摻量較低時(shí)，流動(dòng)度比較好，但當(dāng)摻量超過(guò)30% 以上時(shí)，膠砂流動(dòng)度還是有較明顯的影響。

JGJ/T 318—2014 中要求石灰石粉 28d 活性指數(shù)≥60%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，石粉的活性指數(shù)僅達(dá)到了48%。證明石灰石尾礦機(jī)制砂中的石粉，并不能完全當(dāng)作石灰石粉來(lái)用。因?yàn)槟ゼ?xì)石灰石粉的碳酸鈣含量要求不低于 75%。而機(jī)制砂中的石粉碳酸鈣含量較低，并且機(jī)制砂中的石粉沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的研磨，所以石粉的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到石灰石粉的要求。

但是通過(guò)表 7 的數(shù)據(jù)可以看到，雖然石粉的活性較低，不能被用做礦物摻合料。但當(dāng)石粉摻量在1%～10% 的范圍內(nèi)，膠砂強(qiáng)度仍有較高的活性。所以試驗(yàn)證明，在合理的摻量范圍內(nèi)，石粉可以取代少量的水泥。

嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)，雖然石粉取代了少量的水泥，但仍不能稱它為摻合料。

石粉可以取代少量的水泥，主要是因?yàn)槭圩屗嘟Y(jié)構(gòu)更密實(shí)，起到了一定改善微級(jí)配的效應(yīng)，從而提高水泥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3 機(jī)制砂對(duì)混凝土拌合物性能的影響

機(jī)制砂與天然砂有著本質(zhì)的區(qū)別，天然砂表面更光滑圓潤(rùn)，配制出的混凝土流動(dòng)性更好。

機(jī)制砂的顆粒多為棱角狀，配制混凝土所需的拌合用水量大。所以通常來(lái)說(shuō)相同條件下，機(jī)制砂所配制出的混凝土拌合物狀態(tài)要差于天然砂。

通過(guò)相同的原材料，以不同比例復(fù)配河砂與機(jī)制砂，在保證外加劑摻量、用水量和膠凝材料用量不變，的情況下，比對(duì)混凝土的坍落度及拌合物狀態(tài)。分析機(jī)制砂與天然砂，分別對(duì)混凝土拌合物流動(dòng)性、粘聚性、保水性都有哪些影響。

通過(guò)對(duì)比 30min 混凝土的坍落度變化、60min 混凝土坍落度變化，分析機(jī)制砂與天然砂對(duì)外加劑相容性影響的區(qū)別，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 8。

表 8 機(jī)制砂摻量對(duì)混凝土拌合物性能的影響

通過(guò)表 8 的數(shù)據(jù)可知，隨著機(jī)制砂的摻量提高，混凝土的粘聚性變好，主要是因?yàn)樘烊簧暗募?xì)度模數(shù)較大，級(jí)配斷檔。而機(jī)制砂中含有大量的石粉，填充了天然砂中所缺少的部分空隙。

隨著機(jī)制砂的摻量提高，混凝土的保水性變好，主要因?yàn)槲驳V砂與天然復(fù)配后，砂的比表面積更大，對(duì)拌合水的吸附及需求量增加，所以混凝土泌水現(xiàn)象有很大的改善。

隨著機(jī)制砂的摻量提高，混凝土流動(dòng)性的變化從差到優(yōu)，再?gòu)膬?yōu)到差。從差變化到優(yōu)，主要是因?yàn)樘烊簧暗募?jí)配不合理，漿體包裹不住石頭，漿體流動(dòng)石頭聚堆，所以混凝土的流動(dòng)性差。隨著尾礦砂比例的增加，使得混凝土級(jí)配更合理，漿體帶著石頭流，流動(dòng)性變好。

但當(dāng)機(jī)制砂比例超過(guò) 50% 時(shí)，混凝土的流動(dòng)性有明顯的下降，是因?yàn)榛炷林袚饺肓诉^(guò)多的石粉，使得混凝土特別粘稠，級(jí)配變得不合理，混凝土的擴(kuò)散性降低，流動(dòng)性變差。

通過(guò)表 8 的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)使用天然砂時(shí)，混凝土初始坍落度小、坍落度損失大，而隨著機(jī)制砂的比例增加，混凝土初始坍落度變大、坍落度損失變小，主要是因?yàn)樘烊簧爸泻嗔枯^高，而尾礦砂的 MB 值僅為0.5，說(shuō)明尾礦砂對(duì)外加劑的吸附能力，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于天然砂。

當(dāng)機(jī)制砂的摻量過(guò)高時(shí)，由于機(jī)制砂的表面形貌特征的問(wèn)題（圖 1），混凝土拌合用水量有很大程度的增加，且由于石粉含量的增加，混凝土變得更加的粘稠。所以在用水量不變的情況下，混凝土的初始坍落變小。

圖 1 河砂（左）和機(jī)制砂（右）在高倍放大鏡下的表面特征

圖 2 天然砂配制的混凝土

圖 3 機(jī)制砂配制的混凝土

圖 4 天然砂與機(jī)制砂復(fù)配后，配制的混凝土

所以通過(guò)試驗(yàn)得出，在考慮混凝土拌合性能的角度，天然砂與機(jī)制砂的復(fù)配比例按照 5:5 的比例最佳。

圖 2 是單獨(dú)使用天然砂配制的混凝土，混凝土粘聚性差、流動(dòng)性差、工作度滿足不了要求。混凝土坍落度損失大，外加劑摻量高。圖 3 是單獨(dú)使用機(jī)制砂配制的混凝土，混凝土特別粘稠、流動(dòng)性差不宜泵送，混凝土邊緣呈草帽狀。圖 4 為將天然砂與機(jī)制砂以 5:5 的比例復(fù)配后配制的混凝土，混凝土和易性好、擴(kuò)展度大，坍落度損失小。

4 石灰石尾礦砂對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

為保證不受其他因素對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。采用單因素變量法比對(duì)，分別以不同比例復(fù)配機(jī)制砂與天然砂。其他材料以相同廠家、相同的批次，按照相同的配合比，在相同的環(huán)境下、相同的成型方法、相同的攪拌時(shí)間、相同的試驗(yàn)人員，嚴(yán)格按照 GB/T 50081—2002中的要求，將混凝土進(jìn)行試拌成型?；炷猎嚢杌鶞?zhǔn)配合比見(jiàn)表 9。

對(duì)比混凝土 3d、7d、28d 強(qiáng)度的差異，分析機(jī)制砂與天然砂對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響（表 10）。

表 9 試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比 kg/m3

通過(guò)表 10 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，摻有機(jī)制砂的混凝土的強(qiáng)度，較天然砂混凝土有所提高，且隨著機(jī)制砂的摻量提高，混凝土的早期強(qiáng)度、后期強(qiáng)度都所有提高，但當(dāng)機(jī)制砂的摻量達(dá)到 60% 時(shí)，強(qiáng)度有所下降。

主要是因?yàn)?，石灰石尾礦機(jī)制砂中的石粉，其中含有一定量的碳酸鈣，雖然我們認(rèn)為機(jī)制砂中的石粉屬于惰性材料，但對(duì)混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)仍是有益的。

二是因?yàn)殡S著機(jī)制砂的加入，石粉填充了混凝土中的空隙，改善了微集料的級(jí)配，使得混凝土級(jí)配更加合理，混凝土更加密實(shí)，提高了混凝土的強(qiáng)度。

三是因?yàn)樘烊簧昂嗔扛叨鴻C(jī)制砂的 MB 值低，對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響不大，當(dāng)機(jī)制砂的 MB 值大于 1.4時(shí)，認(rèn)為此時(shí)機(jī)制砂的石粉性能，近似于泥粉對(duì)混凝土有降強(qiáng)的效果。所以相對(duì)于許多高含泥量的河砂，摻配MB 值低的機(jī)制砂，變相的增加混凝土強(qiáng)度。

四是因?yàn)闄C(jī)制砂的表面多為棱角狀，增加了混凝土骨料與水泥漿體的膠結(jié)能力，也就是常說(shuō)的“握裹力”更強(qiáng)。

機(jī)制砂自身的空隙率要大于天然砂，當(dāng)機(jī)制砂摻量過(guò)高時(shí)，混凝土的級(jí)配不合理空隙率更大。混凝土的強(qiáng)度會(huì)有所下降，所以通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂與天然以 3:7 的比例復(fù)配，強(qiáng)度更高。

表 10 強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

在天然砂資源日漸匱乏的今天，機(jī)制砂將成為混凝土中不可或缺的材料，機(jī)制砂與天然砂有著眾多的區(qū)別，各有優(yōu)劣。在應(yīng)用機(jī)制砂時(shí)，要調(diào)整好混凝土的級(jí)配。往往單獨(dú)的機(jī)制砂或是天然砂，品質(zhì)較低，達(dá)不到要求。通過(guò)復(fù)配等手段，可使得混凝土級(jí)配更合理，不但可以保證混凝土的質(zhì)量，而且可以降低材料的波動(dòng)性，方便質(zhì)量控制。

要利用好機(jī)制砂中石粉與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系，利用好機(jī)制砂 MB 值與外加劑相容性的關(guān)系，利用好石粉自身的少量活性，才能真正的應(yīng)用好機(jī)制砂，達(dá)到降本增效的目的。