摘要:在高速公路建设领域，由于天然砂资源日渐枯竭，相较之下机制砂则成为可行的取代形式。本文以重庆丰忠高速公路工程为依托，围绕高性能机制砂混凝土展开性能试验，将其与天然砂高性能混凝土加以对比分析，总结要点，以供参考。
关键词:机制砂;高性能混凝土;试验方法
0前言
得益于成本低、易加工、质量可控、更加环保等特点，机制砂成为混凝土生产中的重要材料，工程性能较佳［1］。鉴于此，有必要围绕高性能机制砂混凝土的性能特点展开探讨，以提高机制砂的应用水平。
1工程概况
重庆市丰忠高速公路采取双向四车道建设标准，设计速度为80km/h，路基宽24．5m。本标段施工中，土建施工里程约6．957km，机制砂混凝土近20万m3。
2机制砂性质及试验思路
2．1机制砂概述。按《建设用砂》(GB/T14684—2011)的规定，经除土处理，由机械破碎、筛分制成的，粒径＜4．7mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风化的颗粒才被统称为机制砂，且具有一定的技术标准，具体可分为:①特细砂:按照《建设用砂》(GB/T14684—2011)规定方法检验所得细度模数为0．7～1．5的机制砂;②混合砂:由机制砂与特细砂混合而成的砂;③机制砂混凝土:用机制砂作为细骨料配制的混凝土;④混合砂混凝土:用混合砂作为细骨料配制的混凝土;⑤塑性混凝土:混凝土拌和物坍落度10mm～90mm的混凝土;⑥大流动性混凝土:混凝土拌和物坍落度≥160mm的混凝土;⑦泵送混凝土:混凝土拌和物坍落度不低于100mm并用泵送施工的混凝土。目前，国外每年生产机制砂不低于50亿t，大型工程、民建房屋基本上使用机制砂配制混凝土［2］。从目前国内外的市场行情来看，机制砂生产的破碎工艺及设备组合多种多样，常见的有:颚式破碎机+反击式破碎机(常见)、颚式破碎机+圆锥式破碎机、颚式破碎机+辊式破碎机、颚式破碎机+反击式破碎机+冲击式制砂整形机(常见)、颚式破碎机+圆锥式破碎机+冲击式制砂整形机或制砂系统(常见)。
2．2机制砂性质。机制砂指的是利用制砂机等相关装置经过破碎处理后所得的颗粒物质，形状以三角体和方矩体两类居多，表面较为粗糙，其中易掺杂适量粒径在0．075mm内的石粉，细度模数一般在2．6～3．6。在本项目中，所用机制砂的性能指标及控制标准如表1所示。
2．3试验思路。机制砂混凝土实际使用中有很多缺点，例如机制砂棱角突出、石粉含量大、需水量大，机制砂混凝土坍损快、流动性差，为了保证流动性，其用水量相对较大，水灰比增大，易造成强度低等现象，石粉含量过多会造成混凝土干缩快、裂缝多的不良情况，反之石粉含量少又会降低混凝土的和易性能［3］。所以针对高标号混凝土，使用纯机制砂进行混凝土拌和必须采取一定措施才能确保混凝土成品质量，在不掺加天然砂的情况下达到低用水量、高强度以及和易性良好的效果，需要通过一定试验来进行验证。基于此，本工程以《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2009)等规范为依据，结合现场实际情况，围绕混凝土的工程性能展开试验，探明其在强度、耐久性等方面的具体表现，对混凝土的工程性能作出客观的评价。
2．4试验原材料。①水泥:海螺P·O42．5水泥;②粉煤灰:风选超细粉煤灰;③矿渣:涟钢泰基牌磨细矿渣;④砂:河砂，细度模数2．7;⑤机制砂:0～4．75mm连续级配，细度模数3．2，石粉含量6．3%;⑥碎石:5～25mm的连续级配，含泥量0．6%，针片状含量为6．2%，压碎值为11．2%;⑦水:自来水;⑧减水剂:聚羧酸减水剂。表2为海螺P·O42．5水泥性能指标。
3高性能机制砂混凝土的性能试验
3．1配合比设计。3．1．1基本原则及技术标准。高性能混凝土是高速公路施工中的重点材料，其应当同时满足力学性能、耐久性等各项质量要求，在生产时应适当减少水的用量，以便改善抗渗性能。在不影响混凝土强度的前提下减少水泥用量，保证制得的混合料具有良好的体积稳定性;掺入适量高效减水剂减少单位用水量，保证混凝土具有更高的密实度。机制砂含有适量的石粉，相比于天然砂混凝土单位用水量更高。可进一步得知，为减少机制砂混凝土生产期间的用水量，则需要适当提高减水剂的掺量。3．1．2水胶比的确定。水胶比可根据如下公式计算求得:3．1．5配合比的确定综合上述的试验和分析结果，对高性能混凝土的工艺参数作进一步的判断。若采用天然砂，砂率为36%;若采用机制砂，砂率为40%。从减水剂用量的角度来看，天然砂生产条件下为1．0%;机制砂生产条件下应适当增加，为1．2%。表3为天然砂和机制砂高性能混凝土的配合比。
3．2性能试验与分析。3．2．1抗压强度方面。强度是混凝土生产中的重点控制指标，分别取天然砂、机制砂配制的混凝土，分析两类混合料在各龄期的强度表现，具体变化特点如图3所示。结合图中内容可知，若采用机制砂，其生产所得的高性能混凝土强度略高。从成因来看，与机制砂较粗糙、棱角多的特性具有密切关联，能够与水泥石形成稳定粘结的关系，避免界面孔隙率过大的情况，生产所得的混凝土强度自然更高。3．2．2抗渗性方面。通过抗渗性指标可有效反映混凝土的耐久性。经试验后可知，无论是以机制砂还是天然砂为材料，其配制所得的混凝土均具有较高的抗渗性，基于此特点，可进一步保证混凝土的密实度。从具体成因来看，与水胶比较小以及粉煤灰的掺入有关，在该类材料的作用下能够有效改善混凝土的性状，使其在孔径和几何形状方面均具有合理性，经水化作用后所形成的C－S－H凝胶可发挥出堵塞渗水通道的作用，因此抗渗性表现良好。相比之下，机制砂配制的高性能混凝土具有更良好的抗渗性，其原因在于机制砂内部含有适量的石粉，可促进水泥的水化反应。3．2．3抗碳化性方面。水泥发生水化作用后形成的产物具有碱性，将随之改变混凝土孔溶液的性质，使其呈碱性，达到有效防护钢筋的效果。但需意识到，若混凝土直接与空气接触，CO2将会与该部分碱性物质发生反应，导致其碱度较前期有所下降，混凝土伴有较明显的收缩现象，钢筋锈蚀，即出现碳化。对此，依然以天然砂和机制砂为基础材料，取各自配制所得的混凝土，对其展开抗碳化性能分析，所得结果如图4所示。总体来看，两类高性能混凝土材料均具有良好的抗碳化性能，但相比之下以高性能机制砂混凝土的表现更佳，其原因在于机制砂的应用有助于提高混合料的抗渗性，从而形成一道与外界隔绝的屏障，CO2的渗入途径受阻，对混凝土抗碳化性能所造成的不良影响相对微弱。
3．3改善措施。通过以上试验结果，提出重庆丰忠高速公路机制砂高性能混凝土性能的改善措施，具体为:①机制砂中掺配少量河砂以调整级配，当机制砂级配和含粉量变化时应调整河砂掺配量;②粉煤灰部分取代水泥可以改善机制砂混凝土坍落度损失、抗渗性能等，但粉煤灰掺加量较大时，混凝土的早期强度不能满足要求，需根据试验情况确定粉煤灰的添加量。
3．4应用前景及建议。机制砂级配、含粉量等符合规范要求时，可配制出性能良好的高性能混凝土，目前机制砂难以在高性能混凝土中推广应用，质量不稳定是主要制约因素之一。而推广机制砂在髙性能混凝土中的应用，除添加粉煤灰、高性能减水剂等改善配合比的措施外，还需做好对机制砂质量的控制以及持续性的质量观测等工作。具体提出如下几点建议。1)机制砂生产企业以行业规范为准，采用科学的工艺制得机制砂，从源头上保证机制砂的质量。为便于质量控制，宜与具有资质的机制砂供应商合作，以施工需求为导向采购合适数量的高性能机制砂。2)合理优化机制砂的生产工艺，随行业的发展及时更新生产设备，实现软硬件的配套。机制砂质量易受到生产工艺、母岩性质等方面的影响，若某处细节存在问题均容易导致机制砂质量偏离设计要求。因此，需采用先进的生产工艺，选择质量良好的基础材料，由专业的制砂机等相关装置加工而成。3)加强质量跟踪监测。现阶段的机制砂混凝土生产技术较为成熟，制得的机制砂在强度、耐久性方面均较为良好，但施工期间依然存在不可预见因素，其极易影响到机制砂混凝土的质量。此外，实验室的工作环境与施工现场环境存在偏差，因此，所得结果难以完整反映机制砂混凝土的实际使用情况。鉴于此，需加强跟踪监测，采集并记录数据，创建并完善数据库，给机制砂混凝土性能的评价提供可靠的依据。
4结束语
本文以机制砂和天然砂为立足点，分别围绕各自制得的高性能混凝土展开性能分析。从所得结果来看，虽然两类高性能混凝土在强度、收缩变形、抗渗性、抗碳化性等方面均可满足要求，但以机制砂配制的高性能混凝土经济性、应用性俱佳，可将其应用于高速公路建设中。
参考文献:
［1］孟祥辉，汤国芳，卢传太，等．机制砂在高性能混凝土中的应用试验研究［J］．江苏建材，2019，39(6):25－31．
［2］韩栋宇．机制砂在混凝土中的应用技术研究［J］．四川建材，2019，45(10):1－2．
［3］汪继平，刘旷怡，徐文冰．梧柳高速公路采用砂岩机制砂配制高性能大体积混凝土的试验研究［J］．公路交通科技，2017，34(11):16－19．
作者:赵永发 单位:中交三公局第一工程有限公司