浅谈机制砂在海工混凝土中的应用

齐 虎 王春云（中交一公局第二工程有限公司，江苏 苏州 215000）

建设用砂石是构筑混凝土骨架的关键原料，是消耗自然资源较多的大宗建材产品。目前受河沙资源枯竭、环保生态要求等因素影响，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。机制砂的生产及应用已成为一大趋势，特别是山区项目，受项目自身地理条件、交通运输条件、环境治理、景区化山区高速公路品质工程打造等多重条件限制，机制砂的应用成为许多工程的必然选择。

在实践应用中，机制砂混凝土是后续市场的必然走向。因为机制砂和天然河沙在许多方面存在着不同，进而造成了这些混凝土在性能方面存在一定的差距，然而混凝土的性能直接关乎结构的质量和稳定性。在建筑施工过程中，为了有效利用机制砂，保证混凝土结构满足设计要求，就需要充分了解机制砂混凝土的性能及质量控制技术。利用机制砂混凝土双掺技术，能够有效地减少因机制砂粒型原因造成的孔隙率高问题，在增加混凝土和易性及流动性的同时，达到降低砂率的效果。

1 机制砂特点及对混凝土的性能影响

1.1 机制砂的基本特点分析

机制砂表面比较粗糙，通常情况下呈方形或三角形体，棱角尖锐且表面粗糙。充分了解不同区域机制砂特性，对认知机制砂在混凝土内存在问题以及促进机制砂的应用有着重要作用。我们通过试验对比几类较典型的天然砂以及机制砂物理性质，结果显示：和天然砂相对比，通常情况下机制砂存在比较大的表观密度，其岩性对机制砂有较大影响。和天然砂相对比，机制砂存在比较大的表观密度，进而造成其混凝土表观密度要高于天然石英质砂的混凝土。

1.2 机制砂特点和对混凝土的性能影响

1.2.1 机制砂的基本特点分析

机制砂与天然砂的对比其优缺点分析如下：

优点：料源固定、稳定、机械化的生产方式，保证了机制砂产品的质量稳定、可调、可控。颗粒级配稳定，可调整，粒形可改善，相同配合比时，其混凝土强度较天然砂混凝土高，有利于环保。

缺点：吸水率大，棱角分明，堆积密度及孔隙率较差，较于天然砂拌制混凝土流动度较小，高墩泵送较困难，特别是高标号泵送混凝土；如果生产质量不稳定，容易导致混凝土性能难调控。

机制砂表面比较粗糙，石粉含量较高，其稳定性较差，通过对不同区域机制砂特性的深入了解，对认知机制砂在混凝土内存在的问题，以及促进机制砂的应用至关重要。通过对比几类典型的天然砂和机制砂物理性质的试验检测显示：和天然砂相对比，通常情况下机制砂存在比较大的表观密度，并且存在较大吸水率，其岩性对机制砂性能有较大影响。

1.2.2 机制砂对混凝土性能的影响

近几年来，机制砂逐渐被应用到清水混凝土、高强混凝土以及自密实混凝土中。从近几年实践中表明，机制砂对混凝土的力学性能、稳定性、耐久性以及工作性能方面都有了很大的提升。

1.3 机制砂对海工混凝土性能的影响

同样配比的机制砂混凝土坍落度及扩展度都比天然砂混凝土要小，这和机制砂自身质量有很大关系，特别是砂粒型的影响，混凝土容易发生较差的黏聚性以及发生泌水的问题。当机制砂的石粉存在比较大的含量时，将会增加混凝土塑性以及屈服应力，降低混凝土的流动性。这是由于机制砂内石粉是一类粉体，可以大大提升混凝土内水泥浆体积。除此之外，合理量的石粉还能够大大提升混凝土和易性。然而，当石粉含量比较高的时候，因为石粉自身存在比较大的需水量，进而还直接影响了混凝土的性能[1,2]。

1.4 力学性质方面的影响

研究结果显示[3]：一样配合比的时候，机制砂的混凝土抗压强度要比天然砂混凝土要高。在实际工程中应通过改变机制砂中石粉含量来改善混凝土拌和物和易性、混凝土结构物外观质量以达到工程设计要求。另外，对于相关施工工艺应合理选取机制砂具体用量，机制砂石粉含量小于3%时，宜按下列情况使用机制砂：机制砂粒形圆润，技术指标与天然砂相近时，机制砂可替代天然砂使用；棱角丰富时，坍落度指标为0～50mm的低塑性混凝土可直接采用用机制砂配制；坍落度指标大于50mm的高塑性或流动性混凝土，应采用优质矿物掺和料、高性能减水剂等作为补偿工作性能的措施，以满足施工要求，确保结构外观质量。

1.5 体积稳定性方面的影响

机制砂混凝土收缩和机制砂石粉含量存在比较大的关系。根据研究几种不同机制砂对混凝土体积稳定性的影响，结果显示:机制砂中的石粉含量较高时，混凝土的早期开裂倾向增加,特别注意要加强早期养护。机制砂对于混凝土的干缩具有明显的正负效应:当石粉含量较小时,负效应占优势,干缩率随石粉含量的增加而增大；当石粉含量超过一定值时,正效应占优势,干缩率随石粉含量的增加有减小趋势。现场实践应用中表明，机制砂的混凝土早龄期收缩要大于天然砂混凝土，其后期收缩与天然砂混凝土存在比较小的区别。

2 海工混凝土配制

2.1 设计思路

海工混凝土配合比设计应基于满足拌合物性能、力学性能、耐久性能和经济性的原则。为保证质量，应使用满足设计要求和施工现场条件的混凝土。

2.2 技术措施

为配制符合设计和施工要求的机制砂海工混凝土,主要采取以下技术措施:

（1）严格控制原材料：选择符合技术要求，粗集料要粒型良好，吸水率小的碎石。水泥宜采用42.5和52.5普通硅酸盐水泥、基硅酸盐水泥。

（2）采用聚羧酸高效减水剂:外加剂与胶凝材料、机制砂应具有良好的适应性，其品种和掺量应根据使用要求、施工条件、混凝土原材料性能通过试验来确定。

（3）采用“双掺”技术:掺入粉煤灰和矿粉，矿物掺合料在混凝土中起到微集料作用,参与胶凝材料的水化反应,降低了水胶比,改善水泥浆的质量,提高混凝土抗氯离子渗透性能。

3 优选原材料要求及相关技术参数

3.1 水泥

水泥宜采用42.5和52.5普通硅酸盐水泥基硅酸盐水泥，水泥标准稠度用水量宜小于28%，水泥技术要求除应满足国家标准的规定外，还应满足表1的规定。

表1 水泥的技术要求

3.2 矿物掺合料

机制砂海工混凝土用矿物掺合料应采用组分均匀，各项性能指标稳定的粉煤灰粒化高炉矿渣粉，不应使用高钙灰和磨细灰，应优先选用Ⅰ级粉煤灰。

矿粉技术要求应满足表2的规定。

表2 矿粉的技术要求

粉煤灰的技术要求应满足表3的规定。

表3 I级粉煤灰的技术要求

3.3 细集料

（1）对于强度小于C60混凝土宜采用Ⅱ类机制砂。

（2）可在机制砂中掺入一定比例的天然砂，改善混凝土的性能。

（3）用于海工混凝土的机制砂细度模数宜控制在2.6～3.2，MB值宜小于1.0，石粉含量宜小于10%。在配置大流动机制砂海工混凝土时，在满足MB≤1.40时，经试验论证可行的前提下机制砂海工混凝土中的石粉含量可以适当放宽到15%。

3.4 粗骨料

（1）粗骨料应选用母岩强度高、粒径好、集配合理、吸水率小的碎石。

（2）粗集料的检验因符合《公路工程集料试验规程》(JTGE42)执行。

3.5 外加剂

（1）C30强度等级以上机制砂海工混凝土宜选用与机制砂、胶凝材料适应性好、抗吸附能力强的聚羧酸高性能外加剂。

（2）外加剂的性能应满足表4的要求。

表4 外加剂的技术要求

3.6 拌合用水

不得采用海水、污水和pH值小于5的酸性水，水中氯离子含量应不大于200mg/L,硫酸盐含量不大于500mg/L。

4 机制砂海工配合比的选定及配置要求

混凝土的配合比应根据原材料品质、混凝土设计强度等级、混凝土耐久性以及施工工艺对工作性能的要求，通过计算、试配、调整等步骤选定。配制的混凝土拌合物性能应满足施工要求，混凝土坍落度的经时损失、可泵性指标应满足设计强度、耐久性等质量要求[4]。

低水胶比一般不大于0.4，低用水量一般每立方米不大于180kg，低砂率一般34%～39%，控制胶凝材料总量。为提高混凝土的耐久性和改善混凝土的施工性能和抗裂性能，混凝土中宜适量掺加优质的粉煤灰、矿渣粉或硅灰等矿物掺合料。

海工混凝土的要求和特点[5-10]:

（1）机制砂海工混凝土设计以耐久性为目标，大量掺入矿物材料，高性能外加剂和低水胶比。

（2）工作性能：黏度大，对水和外加剂的掺量非常敏感，所以在现场施工中要随时注意混凝土性能的变化。

（3）力学性能：早期的混凝土强度和弹性模量发展较慢，后期增长较快。

（4）耐久性能：混凝土水化产物与孔隙结构优化，致密。

5 结语

在试验当中不断对机制砂的配比进行详细的总结，不断掌握机制砂混凝土和河砂混凝土的拌合物性能、力学性能、耐久性能方面的差别，并根据这些各自特点，合理进行大幅或者是小幅的深入调整，以满足现阶段不断增长的建筑工程的技术和质量要求，保障机制砂资源供应的持续性。通过深入研究两种砂的混凝土配合比对混凝土性能的影响，为机制砂的实际应用打下坚持的理论与实践数据基础。使得无论是使用湿法制作的砂石，还是使用干法制砂的应用以及理论实践更加的丰富，对工人的实际操作有了深度的指导意义，也使得砂资源的供应链条更为完善，制作方法更为精细化。实际应用中要结合具体施工项目的要求合理选取砂子的类型。