机制砂特性及其在梁板混凝土中的应用研究

陈争 魏道凯

（山东交通职业学院，山东潍坊 261206）

0 引言

建设用砂石是构筑混凝土骨架的关键原料，是消耗自然资源众多的大宗建材产品。我国砂石年产量高达200亿t，是世界最大的砂石生产国和消费国。随着天然砂石资源约束趋紧和环境保护日益增强，机制砂石逐渐成为我国建设用砂石的主要来源。机制砂在水利水电工程和工民建领域等应用比较多，具有成熟的经验。在公路建设领域，机制砂已应用于桥梁基础和桥梁下部等一般性混凝土工程，在桥梁上部的高标号混凝土的应用上，经验较少，需要进行深入的研究。

1 机制砂的特性

1.1 机制砂与河砂的对比

由于原材料及制砂工艺的多样性，造成质量不稳定，机制砂与河砂的主要指标见表1。

表1 机制砂与河砂主要指标对比

1.2 机制砂中的石粉

（1）机制砂中的石粉颗粒粒径与水泥或粉煤灰接近，远小于黏土的比表面积。合理的石粉用量可以增强混凝土的强度，提高混凝土的和易性。不同含量的石粉，对不同标号的混凝土的抗压强度影响不同。对于C30及以下混凝土，石粉含量在10%～15%，混凝土抗压强度最高，对于C30-C60混凝土，石粉含量在10%左右时混凝土强度最高，对于大于C60标号的混凝土石粉含量超过5%会降低混凝土的抗压强度。对于I类、II类、III类机制砂，石粉的限量分别为《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）的5%、7%、10%。桥梁基础混凝土所用机制砂的石粉含量可参考值控制在10%，桥梁墩台混凝土所用机制砂的石粉含量参考值可控制在7%，桥梁上部混凝土所用机制砂的石粉含量参考值可控制在5%。

（2）机制砂石粉含量先要进行亚甲蓝（MB）值的检验，以检验小于75μm的颗粒是以石粉为主还是以泥土为主。机制砂的MB值与砂中含泥量成线性正比关系，而与石粉含量关系不大。MB值增大会显著减小混凝土的坍落度，影响混凝土的工作性能。会显著降低混凝土的抗折强度，对于桥梁上部混凝土中的机制砂，必须严格控制MB值。对于C30及以下混凝土应小于1.2，对于C60等高标号混凝土，MB值应小于0.7。机制砂MB值对高标号混凝土的抗折强度影响较大，对于以弯拉受力为主的梁板混凝土，如采用机制砂应严格控制其MB值，最佳MB值应控制在0.5～0.7g·kg-1。

2 机制砂的分类及质量标准

机制砂质量标准分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。Ⅰ级用于强度等级大于C60的混凝土或梁板混凝土；Ⅱ级用于强度等级C35-C60的混凝土或桥梁墩台混凝土，Ⅲ级用于强度等级小于等于C30的混凝土或桥梁基础混凝土。

机制砂的粗细程度按细度模数分为粗砂、中砂、细砂三种规格，具体细度模数应符合：粗砂：3.7～3.1；中砂：3.0～2.3；细砂：2.2～1.6。

机制砂宜采用开采的新鲜母岩制作，母岩岩石抗压强度宜满足表2的规定。

表2 机制砂母岩强度标准

机制砂的压碎值应满足要求，其具体指标要求见表3。

表3 机制砂的压碎值

机制砂应具有合格的级配其级配曲线应符合表4的规定。

表4 机制砂级配范围

各类机制砂的级配区见表5。

表5 I类、Ⅱ类、Ⅲ类机制砂级配类别

3 机制砂混凝土特性

机制砂混凝土配合比的设计方法与河砂混凝土的设计方法基本相同，但机制砂混凝土具有自身的特性。

（1）机制砂由于形状不规则，针片状含量高，在混凝土达到同样和易性的情况下，机制砂的砂率比采用天然砂的砂率，需增加3%～5%。

（2）机制砂中的石粉含量增加使混凝土流动性降低，在保持相同坍落度的情况下，混凝土的用水量增加。如掺加减水剂，发挥减水剂最佳效果的机制砂的石粉含量为5%～10%。

（3）相同情况下，机制砂混凝土的抗压强度和弹性模量大于天然砂混凝土的强度和弹性模量约5%。在替代率50%的情况下，混合砂混凝土的强度和弹性模量最大，是天然砂混凝土强度和弹性模量的约1.1倍。

（4）天然砂钢筋混凝土梁的抗裂能力优于机制砂混凝土梁；为防止裂缝的发生，采用机制砂配置的桥梁梁板混凝土，其目标强度应提高5%。

4 机制砂在长晋线桥梁工程中的应用

山西省省道长晋线公路桥梁上部构造物包括C50混凝土T梁和箱梁。由于当地天然砂匮乏，部分使用了机制砂，为保证梁板混凝土强度，防止梁板裂缝的发生，根据试验研究成果，为提高混凝土弹性模量，机制砂和天然砂的各自掺加比例为50%，在机制砂质量和配合比设计方面采取了如下措施：

（1）严格控制机制砂的质量，机制砂采用Ⅰ类砂，产地为晋城，其指标满足桥梁梁板的有关要求，实际检测指标见表6。

表6 机制砂物理性能检测

由表6我们可以看出，该机制砂细度模数为2.8，属于中砂，并且各项指标符合《建设用砂》（GB/T 14684—2011）中机制砂的技术指标。

天然砂产地为信阳，细度模数为2.56，属于中砂。水泥采用天脊集团水泥有限公司天脊牌P.O 52.5；减水剂采用巴斯夫化学建材（北京）有限公司RHEOPLUS25（HC）型高性能减水剂；碎石来自水东石料厂。本工程混凝土的目标强度提高一个标号，即55MPa。试配强度为64MPa。采用的配合比见表7。

本配合比砂率为42%，比采用天然砂的混凝土砂率约高4%；用水量为155kg·m-3，比采用天然砂的混凝土的用水量约高出10%。

5 结语

机制砂在水利水电工程和工民建领域、及桥梁的下部等主要以受压为主的构件上应用较多，具有成熟的经验，而在桥梁上部等以弯拉受力为主的构件上应用较少，在长晋公路桥梁上部构造物混凝土中，应用了机制砂和天然砂组成的混合砂。为防止梁体裂缝的发生，将机制砂的亚甲蓝值（MB）控制在0.7g·kg-1，将石粉含量控制在5%、将压碎指标控制在15%；同时为提高混凝土弹性模量，将机制砂和天然砂的比例控制在1：1；为降低机制砂对钢筋混凝土梁抗裂能力的不利影响，将混凝土设计强度从C50提高到了C55。由于采取了以上具有针对性的措施，长晋公路桥梁上部构造在使用过程中状况良好，无受力裂缝等问题发生。可为类似桥梁工程应用机制砂提供参考。

表7 混凝土配合比