國內(nèi)機(jī)制砂混凝土試驗研究進(jìn)展

張建業(yè)，顧淑英

（廣東紅墻新材料股份有限公司 廣東惠州516127）

砂石是第二大消耗資源，我國砂石骨料用量約占全世界的50%。在我國，為保護(hù)日益枯竭的天然砂資源，避免過度開采等對江河生態(tài)及防洪堤、航運等使用安全的影響，機(jī)制砂已逐漸替代天然砂應(yīng)用于混凝土。2002年時我國機(jī)制砂用量所占比重不足10%；而2013年時，機(jī)制砂所占比重已達(dá)76%［1］。2018年12月在上海召開的第五屆中國國際砂石骨料大會上，工業(yè)和信息化部提出我國砂石行業(yè)的現(xiàn)狀要求我國必須加快發(fā)展機(jī)制砂石，并需走高質(zhì)量的發(fā)展道路。

我國砂石骨料發(fā)展的迫切需求使得機(jī)制砂成為眾多學(xué)者的研究焦點。機(jī)制砂在顆粒形貌、級配特征、石粉含量等特性方面與天然砂存在的較大差異，使得眾多研究人員對其開展多方面、多維度的試驗研究，主要包括機(jī)制砂混凝土的配合比設(shè)計思路及方法、配制機(jī)制砂高性能混凝土及機(jī)制砂混凝土耐久性能研究等。文章對這3 個方面進(jìn)行相關(guān)總結(jié)，旨在為機(jī)制砂的研究與應(yīng)用提供理論參考。

1 機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計思路及設(shè)計方法

機(jī)制砂的形貌特征、級配特點、石粉含量等與天然砂存在差異。大量研究人員對采用天然砂設(shè)計混凝土配合比的設(shè)計思路配制機(jī)制砂混凝土的適用性問題進(jìn)行相關(guān)試驗驗證?，F(xiàn)階段優(yōu)化天然砂混凝土配合比的設(shè)計方法有調(diào)整漿骨比法、致密密實配合比方法等。其中使用較多的調(diào)整漿骨比法是指混凝土同時達(dá)到最優(yōu)的施工性與力學(xué)性能時膠凝材料的漿體量與骨料含量之間存在最佳的體積比，普通天然砂混凝土一般約為35∶65，而對于機(jī)制砂混凝土的合適取值，有研究表明可根據(jù)不同的水膠比范圍選取不同的最佳漿骨比，但受研究范圍所限，數(shù)據(jù)的普適性有待驗證。而對于假定容重法進(jìn)行配合比設(shè)計時，田建平［2］、盧明華［3］等人的研究指出機(jī)制砂表觀密度較天然砂略高，因此采用機(jī)制砂配制混凝土?xí)r的假定容重應(yīng)比相應(yīng)天然河砂的容重高30～40 kg/m3。

尹亞柳［4］通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析出機(jī)制砂混凝土配制強(qiáng)度與灰水比關(guān)系公式，并得出一定水灰比條件下機(jī)制砂的砂率取值范圍。段岳強(qiáng)［5］對中低強(qiáng)度等級機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度與灰水比的關(guān)系予以總結(jié)，通過線性回歸得出機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度與灰水比之間的線性回歸關(guān)系。余川［6］通過對C30～C50 之間不同強(qiáng)度等級的機(jī)制砂混凝土回歸分析，利用最小二乘法得出機(jī)制砂混凝土的配合比計算公式。不同研究人員的計算公式如表1 所示。由表1 可以看出，不同研究人員得出的公式參數(shù)存在較大差異，這是由于不同研究人員的試驗條件、試驗所用機(jī)制砂差異等因素引起，因此公式的普遍適用性需大量試驗驗證。

表1 不同研究人員通過線性回歸得到的配制強(qiáng)度與灰水比關(guān)系Tab.1 Relationship between Strength and Water-binder Ratio by Different Researchers

管宇晨等人［7-12］采用傳統(tǒng)配合比計算方法，通過正交試驗優(yōu)化漿骨比、水膠比、礦物摻合料、外加劑等因素從而實現(xiàn)配合比優(yōu)化。石新橋［13］、吳茂勝［14］依據(jù)致密級配混凝土配合比設(shè)計思路設(shè)計機(jī)制砂混凝土配合比，并與采用普通混凝土配合比設(shè)計思路的同強(qiáng)度等級的混凝土性能進(jìn)行比對，試驗結(jié)果認(rèn)為致密級配的配合比設(shè)計思路可行。朱榮軍［15］參照包裹骨料所需最小漿體厚度的配合比設(shè)計思路合理設(shè)計出機(jī)制砂混凝土配合比。于春輝［16］采用李固華教授提出的全機(jī)制砂配合比設(shè)計方法——粉體當(dāng)量體積法進(jìn)行試驗配比設(shè)計，試驗結(jié)果顯示配制的混凝土性能滿足要求。

綜上所述，目前雖有研究人員提出了針對機(jī)制砂的配合比計算公式，但對公式的普適性仍需大量試驗驗證。機(jī)制砂混凝土配合比的設(shè)計仍多采用傳統(tǒng)配合比計算方法計算，而后采用不同的優(yōu)化方式予以優(yōu)化確定。而針對機(jī)制砂混凝土配合比特定的設(shè)計思路及方法仍需完善。

2 機(jī)制砂高性能混凝土試驗研究

石粉是影響機(jī)制砂配制高性能混凝土的關(guān)鍵因素，眾多研究人員對不同石粉含量的機(jī)制砂如何配制高強(qiáng)高性能混凝土進(jìn)行相關(guān)試驗研究，并對石粉最佳含量范圍進(jìn)行推薦。

田建平［2］利用石粉含量大于10%的機(jī)制砂制備C60混凝土，并對其性能進(jìn)行研究，試驗結(jié)果顯示利用機(jī)制砂可以制備與天然砂性能等同的混凝土。孟亞鋒［17］等利用機(jī)制砂配制出C20～C120不同強(qiáng)度等級的混凝土，并采用粉料含量3.30%～17.67%的機(jī)制砂配制C60混凝土，試驗結(jié)果顯示機(jī)制砂具有廣泛的適用性。徐意［18］通過混凝土配比優(yōu)化的方式配制C100～C140強(qiáng)度等級的機(jī)制砂混凝土，成功應(yīng)用于四川廣安官盛渠江特大鋼管混凝土拱橋。胡曉曼［19］等采用正交試驗優(yōu)化配合比思路，采用石粉含量9%的機(jī)制砂配制C60混凝土，并與同配比的天然砂混凝土對比，機(jī)制砂混凝土的物理力學(xué)性能、耐久性能均優(yōu)于同配比的天然砂混凝土。寧晉成［20］利用石粉含量7%以下的機(jī)制砂配制出塌落度180 mm，擴(kuò)展度500 mm 以上，且耐久性能優(yōu)良的C60 機(jī)制砂混凝土。張坤等人［21］采用石灰石、卵石制成的機(jī)制砂，配制C100 強(qiáng)度等級的混凝土，并建議可將石粉含量放寬至7%。張振升［22］成功利用篩底粉量為4.55%，亞甲藍(lán)值為1.2的機(jī)制砂配制出強(qiáng)度等級C90，泵送高度300 m 以上的高強(qiáng)超高泵送混凝土。唐明英等人［23］利用石粉含量9%～12%的機(jī)制砂配制出應(yīng)用于貴州下平川特大橋的C55 泵送混凝土。

從上述研究人員的大量試驗數(shù)據(jù)及成功應(yīng)用的工程案例可以看出，利用機(jī)制砂可配制與天然砂性能等同的高強(qiáng)高性能混凝土，但對應(yīng)用于高強(qiáng)高性能混凝土的機(jī)制砂的最佳石粉含量，不同研究人員之間存在差異，通常以10%為分界點。

3 耐久性試驗研究

直接將巖石破碎制備的機(jī)制砂石粉含量最大可達(dá)20%。機(jī)制砂高石粉含量的特點，使得機(jī)制砂混凝土耐久性能與天然砂混凝土存在差異。胡蝶［24］通過干濕循環(huán)試驗與長期浸泡試驗，對機(jī)制砂配制的不同強(qiáng)度等級混凝土進(jìn)行抗氯離子滲透性能試驗，試驗結(jié)果顯示在中低強(qiáng)度等級的混凝土中，石粉含量在一定范圍內(nèi)時可增強(qiáng)抗氯離子的滲透性能；而對于高強(qiáng)混凝土則作用不明顯。喬宏霞等人［25］采用干濕循環(huán)的試驗方法對玄武巖機(jī)制砂配制的混凝土進(jìn)行硫酸鹽侵蝕試驗，試驗分析認(rèn)為玄武巖機(jī)制砂混凝土的侵蝕產(chǎn)物主要為石膏。玄武巖機(jī)制砂混凝土的外觀侵蝕與內(nèi)部裂縫較天然砂混凝土輕微，即相比于天然砂混凝土，玄武巖機(jī)制砂混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力較強(qiáng)。田建平［2］的研究結(jié)果顯示石粉含量對C60機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能影響不明顯；單對混凝土收縮性能的影響存在臨界值，為7%；試驗數(shù)據(jù)如圖1所示。謝華兵［26］通過顆粒粒形綜合指數(shù)，評判不同巖性機(jī)制砂粒形的優(yōu)良，提出相同配合比下粒形綜合指數(shù)高的石灰?guī)r機(jī)制砂制備的混凝土抗氯離子滲透性更好，抗碳化能力更優(yōu)異。王雨利［27］、趙社民［28］認(rèn)為在相同膠凝材料用量、相同水膠比及相同石粉含量情況下，機(jī)制砂母巖類別對機(jī)制砂混凝土抗凍性能基本沒有影響，試驗結(jié)果如表2 所示。蔣翊［29］分析不同水平水膠比、礦物摻合料摻量、機(jī)制砂替代率等因素對機(jī)制砂混凝土抗氯離子性能的影響，認(rèn)為礦物摻合料、水膠比是主要因素，而機(jī)制砂替代率為次要因素。

圖1 C60混凝土：不同石粉含量收縮性能隨齡期變化曲線［2］Fig.1 C60:The Curve of Shrinkage with Different Age［2］

表2 不同巖性機(jī)制砂混凝土抗凍性能比較［28］Tab.2 Comparison of Frost Resistance of Concrete with Manufactured Sand［28］

綜上所述可以看出，機(jī)制砂混凝土具備優(yōu)異的耐久性能是機(jī)制砂成功替代天然砂應(yīng)用于混凝土的關(guān)鍵。機(jī)制砂混凝土可具備良好的耐久性能，甚至在特定環(huán)境下優(yōu)于天然砂混凝土。

4 結(jié)語

隨著機(jī)制砂石骨料應(yīng)用比例的不斷提高，機(jī)制砂石骨料行業(yè)已成為產(chǎn)業(yè)體系的重要組成部分。目前，從已開展的試驗研究來看，主要存在以下問題：

⑴機(jī)制砂來源的廣泛，造成不同地域研究人員對機(jī)制砂的試驗研究具有地域性，由此機(jī)制砂標(biāo)準(zhǔn)化仍需系統(tǒng)研究；

⑵機(jī)制砂專屬的性能測定方法仍需摸索完善；

⑶適用于機(jī)制砂混凝土的特定配合比設(shè)計方法需要大量試驗驗證；

⑷機(jī)制砂混凝土耐久性問題仍需要大量試驗考察。