C60高性能机制砂混凝土的制备与应用

文摘 2025-01-30 07:02 河南

0 引言

随着全国各地的快速发展，基建规模不断扩大，各地区对砂石的需求大幅增长，而天然砂作为一种不可再生资源，过度开采会大肆破坏生态环境。同时国家推行绿色环保建设理念和措施，随着《关于推进机制砂石行业高质量发展的若干意见》、《打击非法开采海砂，强化监管和严格追责的建议》等政策的实施，机制砂在建筑用砂中所占比例越来越高。相关资料显示：在2021年的砂石市场中，机制砂占比达86%，天然砂占比仅为14%。且机制砂的比例会不断扩大，机制砂已成为最主要的细骨料来源。

本文依托2022下半年闵行新城项目，开展C60高性能机制砂混凝土的制备与应用研究。该项目中C60混凝土方量需求多且项目工期紧，而天然砂的采购供应量已经不能满足生产需求，因此机制砂成为不二的选择。但是机制砂的质量参差不齐，故必须提前对机制砂在C60混凝土中的应用进行理论设计和试验验证，从而确保C60混凝土的质量可靠性。

机制砂爆发式增长带来的材质多样性、生产工艺不同性会直接导致混凝土质量波动增大，对高性能混凝土的配制和生产施工提出了更高的要求，对此本文进行了相关的技术研究。

1原材料

1.1水泥

试验使用的水泥为铜陵海螺PⅡ52.5水泥，主要性能指标如表1所示。

1.2.矿粉

选用的矿粉级别为S95，由日照京华新型建材有限公司加工，主要性能指标如表2所示。

1.3 粉煤灰

粉煤灰选用凤台县涛海建材有限公司生产的C类Ⅱ级粉煤灰，主要性能指标如表3所示。

1.4 粗骨料

粗骨料选用池州润达矿业有限公司生产的5～25mm石子，颗粒级配符合JGJ52-2006《普通混凝土用砂，石质量及检验方法标准》的相关规定，其余主要性能指标如表4所示。

1.5外加剂

外加剂选用江苏西卡的A3泵送剂，主要性能指标如表5所示。

1.6拌合用水

拌合用水使用符合JGJ63-2006《混凝土用水标准》的要求。

2机制砂试验方案及试验结果

虽然有诸多标准规定了机制砂的质量要求，但其质量仍经常出现波动，如颗粒形貌、石粉含量等均不如天然砂稳定。相较于天然砂，机制砂混凝土的质量波动因素增多，且机制砂的坚固性和耐久性远不如天然砂,因此对于C60及以上强度等级的混凝土而言，应对其机制砂进行进一步的试验验证，以满足实际工程建设需要。根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，计算C60高性能机制砂混凝土试验用理论配合比，详见表6。

2.1 机制砂级配的选用

我司日常采购的机制砂细度模数为2.8～3.3，为了研究颗粒级配对混凝土质量的影响，将机制砂分为3组，细度模数分别为2.8～2.9（第一组）、3.0～3.1（第二组)和3.2～3.3(第三组。表7为其中一次的试验数据。经多次筛分试验发现，第三组的机制砂不符合GB/T14684—2022《建筑用砂》中“I类砂的颗粒级配需要符合Ⅱ区的规定”。通过空隙率指标初步确定机制砂的细度模数范围为2.8～3.1。

2.2 机制砂片状颗粒含量对混凝土质量的影响

颗粒形貌是机制砂与天然砂的主要区别之一，天然砂粒光滑圆润，而机制砂因其母岩和制作工艺的不同，片状颗粒含量相对较多。GB/T14684-2022《建筑用砂》中规定：I类砂片状颗粒含量小于10%。因此在2.8～3.1细度模数的机制砂中选择3组不同片状颗粒含量的机制砂进行研究，即第一组片状颗粒含量为2%，第二组片状颗粒含量为6%，第三组片状颗粒含量为10%。3组机制砂的颗粒形貌见图1。

经过日常试验数据积累发现，片状颗粒含量对机制砂的压碎值有一定的影响，而压碎值大小则对混凝土强度有较大影响，机制砂压碎值与混凝土抗压强度试验结果分别见表8和表9。

结果表明：第一组机制砂的强度最高，7d抗压强度相比第二组提升了4.6MPa，相比第三组提升了9.6MPa；28d抗压强度相比第二组提升了3.8MPa，相比第三组提升了9.9MPa，说明混凝土抗压强度随着机制砂中片状颗粒含量的降低而增大。

在同等用水量和外加剂掺量的条件下，表10为不同片状颗粒含量的机制砂对混凝土工作性能的影响。

试验结果表明，不同片状颗粒含量的机制砂对混凝土工作性能有较大影响，第一组和第二组的混凝土工作性能明显优于第三组。

C60高性能混凝土内部结构密实,若机制砂中的片状颗粒过多，将会导致混凝土内部结构松散，对混凝土的耐久性产生不良影响。因10%片状颗粒含量的机制砂所配制的混凝土质量相对较低，而2%片状颗粒含量的机制砂成本较高，故选用2%～6%片状颗粒含量的机制砂配置混凝土

2.3 机制砂絮凝剂残留量对混凝土质量的影响

在进行粒型试验时发现有一组试验数据异常,其1h后的落度损失远超正常值，经多次试验发现可能是絮凝剂偏多造成的。砂石企业为了符合循环使用水的环保要求，在制备机制砂的过程中添人絮凝剂，实现水和杂质的迅速分离，但是部分企业并未考虑絮凝剂对混凝土质量所产生的影响，导致机制砂中残留大量絮凝剂。因没有相关专业仪器，故采用400g水与800g砂搅拌后观察溶液分层的时间来粗略判断机制砂中絮凝剂的含量。本文选取2组机制砂进行试验：第一组机制砂在停止搅拌后25s内迅速分层，絮凝剂效果明显，粗略判断絮凝剂残留量较高；第二组机制砂在停止搅拌1min后也无明显分层现象,无明显絮凝表现，粗略判断无絮凝剂残留。在同等用水量和外加剂掺量的条件下，试验结果如表11所示。

试验结果发现，在初始落度基本相同的条件下，絮凝剂对混凝土的工作性能有较大的影响，首先较为明显的影响是随着絮凝剂的增多，肉眼可见混凝土变黏稠，1h后第一组落度比第二组低了60mm，且第一组几乎已无流动性。

表12给出了絮凝剂残留量对混凝土抗压强度的影响。由表12可知，第一组混凝土的7d抗压强度和28d抗压强度均低于第二组，表明随着絮凝剂的增多，混凝土的抗压强度降低。

因此，在选择机制砂时需要注意絮凝剂的残留因素，应选择无明显絮凝的机制砂

2.4石粉含量对混凝土质量的影响

与天然砂相比，机制砂在制备过程中不可避免含有一定比例的石粉，而石粉含量对混凝土拌合物的工作性能具有明显的影响。故本文选取3组石粉含量的机制砂进行试验：第一组含4%石粉，第二组含6%石粉，第三组8%石粉，试验数据如表13和表14所示。

由表13可知,第一组和第二组混凝土的落度和扩展度都相近，而第三组混凝土的工作性能有所下降，1h后的落度和扩展度差距逐步增大。

由表14可知，随着石粉含量的增大，混凝土7d、28d抗压强度下降。

试验结果表明，8%石粉含量的机制砂所配制的混凝土的工作性能和抗压强度较差，而4%石粉含量的机制砂成本较高，因此选择4%～6%石粉含量的机制砂进行生产和应用。

3大机试验验证

前期试验均在实验室小拌机上进行，得到了大量的数据。在确定了各组分原材料最佳质量指标（尤其是机制砂质量指标)和相对应的原材料掺量后，进行了3次大机生产拌机试配，试验结果如表15和表16所示。

试验结果表明，大机生产的混凝土工作性能和抗压强度均能满足相关标准和工程技术指标要求。通过大机试验进一步验证了C60高性能机制砂混凝土配合比的有效性和可操作性。

4 C60混凝土实际生产和相关质量回访

在工程实际生产时，现场C60高性能机制砂混凝土拌合物的工作性能和力学性能见表17和表18。

实体混凝土在自然条件下日平均温度累计达到600℃时，进行了相关质量回访，观察混凝土构件表面质量情况，比如是否有裂缝、蜂窝麻面等。经过现场实地观察，混凝土构件表面光滑无异常，如图2所示。

现场随机取点进行回弹试验，结果见表19。试验结果表明：现龄期混凝土强度推定值满足JGJ23一2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》中的相关规定。

通过C60高性能机制砂混凝土整个生产过程的控制和工程回访发现：（1)适当的机制砂对混凝土拌合物工作性能和力学性能的影响不大；(2)混凝土构件表面观察中未发现异常，构件整体外观效果良好；（3）利用回弹法测定出构件整体密实，强度推定值达到设计强度要求。

5结语

随着天然砂资源的不断枯竭以及各地方政府对开采河砂管控力度的增强，机制砂因其与河砂相似的性能和大量的存量必将成为天然砂的替代骨料。相较于天然砂,机制砂的抗压性能和耐久性能不足，主要用于C60以下强度的混凝土，对于C60及以上高强混凝土的应用较少，因此本文通过对机制砂的选配和试验验证进行了研究，以满足实际工程的要求，得出如下结论：

（1）机制砂的最佳指标如下：细度模数为2.8～3.1；片状颗粒含量在2%～6%；无明显絮凝剂残留表现；石粉含量为4%～6%

（2）大机试验表明混凝土工作性能和抗压强度均能满足要求，确认了C60高性能机制砂混凝土配合比的有效性和可操作性。

（3）实际生产过程中进一步验证结果表明：C60高性能机制砂混凝土的工作性能和抗压强度均能满足标准及工程技术要求。后期质量回访过程中发现构件外观质量良好且回弹试验结果满足相关标准规定。

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