董藏龍 肖志敏 夏京亮

(1.中交四航局第一工程有限公司， 廣州 510000； 2.中國建筑科學研究院有限公司， 北京 100013)

隨著基礎設施建設量的增加和國家環(huán)保要求的提高，河砂資源匱乏現象日益顯著，工程中機制砂代替河砂配制混凝土已經成為鐵路行業(yè)不可逆轉的趨勢[1]。機制砂是經除土處理，由機械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75 mm的巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但是不包括軟質、風化的顆粒[2]。目前國內外對于機制砂及機制砂混凝土研究愈加廣泛，包括機制砂各技術指標，級配、巖性、石粉、MB值等對混凝土性能的影響[3-6]；機制砂混凝土工作性能、力學性能、耐久性能、疲勞性能等方面[7-9]。然而對于機制砂生產工藝的研究不多[10]，尤其是濕法制砂得到的水洗砂和干法制砂得到的風吸砂摻配比例問題。本文分析水洗砂和風吸砂的差異，研究不同生產工藝機制砂摻配比例對泵送混凝土工作性能、抗壓強度、電通量和碳化性能的影響，旨在提高工程混凝土質量，推進機制砂混凝土應用。

1 試驗

1.1 試驗原材料

(1)水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能如表1所示。

表1 P·O 42.5水泥物理性能表

(2)粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，細度(45 μm方孔篩篩余)15.3%，需水量比98.3%，28 d活性指數78.5%。

(3)機制砂：兩種生產工藝機制砂，一種為水洗除粉工藝生產，一種為干法生產。

(4)粗骨料：5～10 mm和10～20 mm兩種規(guī)格，摻配比例為2∶8，摻配后碎石級配如圖1所示，表觀密度為 2 680 kg/m3，孔隙率為39%，針片狀含量4%。

圖1 碎石級配曲線圖

(5)減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率28%，含氣量2.3%，壓力泌水率比42%，28 d抗壓強度比159%。

1.2 試驗混凝土配合比

采用C35強度等級泵送混凝土進行試驗，水洗砂和風吸砂比例分別為4∶6、5∶5、6∶4、7∶3四種，具體各組代號相應的混凝土配合比如表2所示。

表2 試驗混凝土配合比表

1.3 試驗方法

混凝土工作性能按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試；抗壓強度按照GB/T 50081-2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試，試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm；電通量和碳化性能按照GB/T 50082-2009《普通混凝土耐久性和長期性能試驗方法標準》進行測試。

2 混凝土性能分析

2.1 兩種工藝機制砂對比

兩種生產工藝機制砂均采用沖擊式制砂機生產，區(qū)別在于水洗砂采用輪式吸砂機洗掉部分石粉來控制機制砂石粉含量，風吸砂采用旋風吸塵器通過風力將部分石粉吸出控制機制砂石粉含量。兩種機制砂顆粒形貌如圖2所示。從圖2可以看出，兩種機制砂顆粒粒形相近，說明制砂工藝是相同的，差別在于風吸砂顆粒表面附著石粉較多，顏色較淺。

圖2 兩種工藝機制砂顆粒形貌圖

兩種生產工藝機制砂技術指標如表3所示，級配情況如圖3所示。從表3、圖3可以看出，兩種機制砂級配相近，風吸砂略粗，水洗砂細度模數為3.27，風吸砂細度模數為3.33；水洗砂相對風吸砂相對較干凈，水洗砂MB值為0.9，而風吸砂MB值為1.2，風吸砂MB值高出33.3%；風吸砂石粉含量較低，僅為7.8%，而水洗砂為9.6%；兩種機制砂壓碎值相近，水洗砂為12.1%，風吸砂為14.5%；采用JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》試驗了兩種機制砂需水量比，該方法首先采用ISO標準砂，在水泥與標準砂比例為1∶3、水灰比為0.5的情況下測試砂漿流動度，然后再采用機制砂，在水泥和砂比例相同的前提下，通過摻加不同用量的水，調整機制砂漿流動度使其接近標準砂的砂漿流動度，以此時的用水量和標準砂漿用水量之比為機制砂需水量比，用于表征機制砂的整體性能。機制砂粒形越好、級配越佳、石粉含量越恰當，需水量比越小。從試驗結果可知，水洗砂需水量比為112%時，可達到JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》標準中特級人工砂要求，風吸砂需水量比為121%時，可達到JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》標準中Ⅰ級人工砂要求。整體來看水洗砂要優(yōu)于風吸砂。

表3 兩種工藝機制砂技術指標表

圖3 兩種工藝機制砂級配曲線圖

2.2 對泵送混凝土性能的影響

為探究濕法生產和干法生產兩種生產工藝的機制砂摻配比例對泵送混凝土工作性能的影響，試驗采用不同比例的水洗砂和風吸砂摻配配制了C35強度等級混凝土，混凝土外加劑摻量和工作性能如表4所示。

表4 兩種機制砂摻配對混凝土工作性能的影響表

由表4的試驗結果可知，隨著水洗砂摻配比例的提高，混凝土減水劑摻量呈現降低的趨勢，水洗砂/風吸砂為4/6時，減水劑摻量為5.77 kg/m3，而當水洗砂/風吸砂為7/3時，減水劑摻量為5.37 kg/m3，節(jié)約減水劑用量0.4 kg/m3。在節(jié)約了減水劑用量的情況下，提高水洗砂比例，混凝土工作性能仍然在改善。水洗砂/風吸砂為4/6時，混凝土坍落度為200 mm，擴展度為490 mm；而水洗砂/風吸砂為7/3時，混凝土坍落度為220 mm，擴展度為570 mm，坍落度提高了20 mm，擴展度提高了80 mm，混凝土流動性得到較大改善。若采用泵送施工工藝，推薦機制砂摻配比例水洗砂/風吸砂為7/3。

為控制石粉含量,水洗砂經過水洗，使得機制砂為控制石粉含量，較為干凈，MB值為0.9，而風吸砂MB值較大，為1.2，使得配制混凝土時，風吸砂對減水劑的吸附作用較為明顯，降低了混凝土流動性。兩種機制砂需水量比試驗(該試驗沒有用到減水劑)也呈現了相似的規(guī)律。

圖4 不同生產工藝機制砂摻配比例對混凝土抗壓強度的影響圖

2.3 混凝土抗壓強度

不同生產工藝機制砂摻配比例對泵送混凝土抗壓強度影響如圖4所示。從圖4可以看出，隨著水洗砂摻配比例的增加，混凝土抗壓強度逐漸增大。7 d試驗齡期時，水洗砂/風吸砂為5/5、6/4、7/3的3組混凝土抗壓強度較水洗砂/風吸砂為4/6的抗壓強度分別增加了2.1%、3.9%和6.5%；56 d試驗齡期時，水洗砂/風吸砂為5/5、6/4、7/3的3組混凝土抗壓強度較水洗砂/風吸砂為4/6的抗壓強度分別增加了4.3%、6.0%和10.2%。這主要是因為：(1)水洗砂石粉含量較高，隨著水洗砂比例的增加，整個細骨料體系中石粉含量在增加，對于混凝土而言相當于水粉比增加，增加了混凝土強度；(2)隨著機制砂石粉含量的增加，較細的石粉在水泥漿體中起到了填充作用，增加了混凝土強度；(3)由于水洗砂技術指標優(yōu)于風吸砂，水洗砂摻配比例較高的混凝土工作性能較好，混凝土成型時更加容易密實，從而提高了混凝土強度。上述三個方面的綜合作用，使得混凝土抗壓強度隨著水洗砂摻配比例的增加而提高。

2.4 電通量

不同生產工藝機制砂摻配比例對泵送混凝土電通量的影響如圖5所示。從圖5可以看出，不同生產工藝機制砂摻配比例對混凝土電通量的影響不是特別明顯，隨著水洗砂摻配比例的增加，混凝土電通量呈現降低趨勢。56 d試驗齡期時，水洗砂/風吸砂為5/5、6/4、7/3的3組混凝土電通量較水洗砂/風吸砂為4/6的電通量分別降低了4.5%、3.6%和15.3%，水洗砂/風吸砂為5/5和6/4兩組混凝土56 d的電通量基本一致。其主要原因為：(1)水洗砂石粉含量較高，隨著水洗砂摻配比例的增加，混凝土中石粉含量在增加，增加的石粉密實了混凝土；(2)水洗砂摻配比例增加，混凝土工作性能更優(yōu)，混凝土成型更加密實；(3)機制砂中石粉在水泥水化時具有一定的晶核效應，能夠提高水泥水化速率，進一步提高混凝土密實性。

圖5 不同生產工藝機制砂摻配比例對混凝土電通量的影響圖

2.5 抗碳化性能

不同生產工藝機制砂摻配比例對泵送混凝土電通量的影響如圖6所示。從圖6可以看出，混凝土碳化深度隨著水洗砂摻配比例的增加呈現明顯減小趨勢，28 d試驗齡期時，水洗砂/風吸砂為5/5、6/4、7/3的3組混凝土碳化深度較水洗砂/風吸砂為4/6的碳化深度分別減小了9.2%、12.3%和24.6%；56 d試驗齡期時，水洗砂/風吸砂為5/5、6/4、7/3的3組混凝土碳化深度較水洗砂/風吸砂為4/6的碳化深度分別減小了4.9%、12.2%和23.2%。這是由于水洗砂摻配比例增加，更加密實，使得混凝土抗碳化性能提高。

圖6 不同生產工藝機制砂摻配比例對混凝土碳化性能的影響圖

3 結論

本文分析了濕法制砂得到的水洗砂和干法制砂得到的風吸砂的差異，試驗研究了不同生產工藝機制砂摻配比例對鐵路工程泵送混凝土工作性能、抗壓強度、電通量和碳化性能的影響，得到如下結論：

(1)兩種機制砂級配相近，風吸砂略粗，水洗砂較干凈，風吸砂石粉含量較低，兩種機制砂壓碎值相近，水洗砂需水量比較低，達到特級人工砂要求。

(2)隨著水洗砂摻配比例的提高，混凝土減水劑摻量呈降低趨勢，混凝土流動性得到改善，推薦機制砂摻配比例水洗砂/風吸砂為7/3。

(3)隨著水洗砂摻配比例的增加，混凝土抗壓強度逐漸增大，混凝土電通量呈現降低趨勢，混凝土抗碳化性能提高，主要原因是水洗砂摻配比例增加，混凝土密實性得到了提高。

(4)研究工作推進了機制砂混凝土應用，提高機制砂混凝土質量。