浅析机制砂的质量控制及规格特性分析

        石漫高速公路地处鄂西南山区，是湖北省迄今为止造价最高、施工难度最大的一条山区高速公路，全国像这样地质条件复杂、施工条件艰险的高速公路也为数不多。因地处山区，由于受地域限制，沿线不出产天然河砂，特别是质量较好的黄砂，外地调运最远达数百公里，每立方河砂运到工地成本高达二三百元，再者因为现在国土流域资源紧张，天然河砂资源也并不丰富，所以为降低混凝土成本必须因地制宜，湖北石漫高速公路所处地理环境料石资源丰富，用开采出来的料石生产机制砂，供应数量可以得到保证，供应途径更加便捷，最重要的是使用机制砂生产混凝土，可以大大地降低成本、节约投资，因此机制砂发展前景广阔。
        １机制砂特性分析
１．１机制砂的定义
机制砂（译为Ｍａｃｈｉｎｅ－ｍａｄｅｓａｎｄ或Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｓａｎｄ）是“由机械破碎、筛分制成的，粒径小于４．７５ｍｍ的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒”。
１．２机制砂的生产
由于机制砂是用专门的制砂机械生产，如用棒磨机制砂，可以通过进料量、料浆浓度、进料粒径、装棒量、棒级配等参数的调整，按工程的需要，人为地较稳定地控制机制砂的质量，故得到日益广泛的应用。
１．３机制砂总体性能
机制砂颗粒由于具有棱角和表面较粗糙，因而拌制的混凝土和易性较差，可引起混凝土的较大泌水率，但机制砂中通常含有石粉可以部分改善混凝土的工作性能。通常在同一工地，机制砂与碎石是同一种母岩制成，热学性能一致，对大体积混凝土技术
效果尤为显著。
１．４机制砂的规格
粒度级配良好的一种砂子，一个细度模数只对应一个级配，同时它的细度模数和单筛的筛余量成线性关系，对于一种砂子，先通过试验建立关系式后，只要测定一个单筛的筛余量即可快速求出细度模数。机制砂中石粉含量的变化是随细度模数变化而发生变化的，细度模数越小，石粉含量就越高；反之，细度模数越大，石粉含量越低。机制砂细度模数应控制在合理范围（一般３．０￣３．７）。太大，则粗颗粒太多，小于０．３ｍｍ颗粒太少，级配不合理，混凝土和易性变差。细度模数太小，则小于０．０７５ｍｍ细粉多，混凝土用水量可能增大，强度降低，收缩增大，且机制砂生产电耗上升。从砂子颗粒组成统计结果分析，
机制砂大于２．３６ｍｍ和小于０．０７５ｍｍ的颗粒明显偏多，而中间颗粒少，级配范围应按国家标准适当放宽。机制砂小于０．０７５ｍｍ的颗粒（即石粉），按其性质和在混凝土中的作用，都不能等同于天然砂中的泥含量。
２机制砂的质量要求
２．１颗粒级配
机制砂按６００μｍ筛孔的累计筛余量（以质量百分率计，下同）分成３个级配区（见第１７页表１），其颗粒级配应处于表１中的任何一个区以内。机制砂的实际颗粒级配与表１中所列的累计筛余百分率相比，除４．７５ｍｍ和６００μｍ筛孔外，允许稍有超出，但超出总量一般不应大于５％，其中对于２．３６ｍｍ、３００μｍ及１５０μｍ筛孔上的累计筛余还可酌情放宽。２．３６ｍｍ筛孔的累计筛余，Ｉ区机制砂中可以放宽到５０￣５，Ⅱ区机制砂可以放宽到４０￣０，Ⅲ区机制砂可以放宽到２０￣０．３００μｍ筛孔的累计筛余，Ｉ区机制砂中可以放宽到９５￣７０，Ⅱ区机制砂可以放宽到９２￣６０，Ⅲ区机制砂可以放宽到８５￣４５．１５０μｍ筛孔的累计筛余，Ⅰ区机制砂可以放宽到１００￣８５，Ⅱ区机制砂可以放宽到１００￣８０，Ⅲ区机制砂可以放宽到１００￣７５．

表１机制砂的颗粒级配区

配制混凝土时宜优先选用Ⅱ区砂。当采用Ⅰ区砂时，应提高砂率，并保持足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性；当采用Ⅲ区砂时宜适当降低砂率。对于泵送混凝土用砂，宜选用中砂。当采用机制砂的颗粒级配不符合本条的要求时，应采取相应的技术措施，经试验证明能确保工程质量，方允许使用。
２．２泥块含量
机制砂中的泥块含量应符合表２的规定。

混凝土强度等级大于等于Ｃ６０Ｃ５５～Ｃ３０小于等于Ｃ２５泥块含量（按质量计）％小于等于０．５小于等于１．０小于等于２．０对有抗冻、抗渗或其他特殊要求的小于等于Ｃ２５混凝土用砂，其泥块含量应不大于１．０％．对于Ｃ１０和Ｃ１０以下的混凝土用砂，适量的非包裹型的泥或胶泥，经加水搅拌粉碎后可改善混凝土的和易性，其泥块含量视水泥等级而定，一般可放宽至３％_４％．
２．３石粉含量
机制砂经试验判定后，石粉含量应符合表３的规定。

混凝土强度等级大于等于Ｃ６０Ｃ５５～Ｃ３０小于等于Ｃ２５［１］石粉含量（按质量计）％ＭＢ＜１．４不大于５（３）不大于７（５）不大于１０（７）ＭＢ≥１．４不大于２．０（１．０）不大于３．０不大于５．０
注１：括号外的数字为行业标准的规定，括号内的数字为国家标准的规定。
注２：根据使用地区和用途，在试验验证的基础上，石粉含量可由供需双方协商确定。例如，当ＭＢ＜１．４０，配制Ｃ１０以下混凝土时，由于水泥用量少，石粉可以弥补混凝土和易性差的短处，经试验证明能确保工程质量，石粉含量可以放宽到２０％左右。
２．４压碎指标
机制砂的压碎指标应符合表４的规定。表４机制砂压碎指标
２．５有害物质
机制砂中如含有云母、轻物质、有机物、氯化物、硫化物及硫酸盐等有害物质，其含量应符合表５的规定。

表５机制砂中的有害物质限值

有抗冻、抗渗要求的混凝土，机制砂中云母含量
不应大于１．０％．
机制砂中如发现含有颗粒状的硫酸盐或硫化物
杂质时，则要进行专门检验，确认能满足混凝土耐久
性要求时，方能采用。
对预应力混凝土，其氯离子含量不得大于
０．０２％．
２．６表观密度、堆积密度、空隙率
机制砂的表观密度、堆积密度、空隙率应符合如
下规定：表观密度大于２５００ｋｇ／ｍ３，松散堆积密度大
于１３５０ｋｇ／ｍ３，空隙率小于４９％．
２．７碱集料反应
对重要结构部位及长期处于潮湿环境的混凝土工程，应采用碱活性检验。经碱集料反应试验后，由机制砂制备的试件无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，在规定试验龄期的膨胀率应小于０．１％，判定为无潜在碱活性危害。反之，判定为有潜在碱活性危害。经上述检验判断为有潜在碱活性危害时，应控制混凝土中的碱含量在３．０ｋｇ／ｍ３以内。对重大工程，还需进行专门的试验论证，确认能保证混凝土的耐久性要求时，方能使用。
３机制砂混凝土与天然砂混凝土的比较

        因为机制砂由机械破碎、筛分制成，颗粒形状粗糙尖锐、多棱角，通常用它来配制混凝土砂率比天然河砂混凝土大；并且机制砂颗粒内部微裂纹多、空隙率大、开口相互贯通的空隙多、比表面积大，加上石粉含量高等特点，与天然河砂混凝土相比，有其自身的特点，主要表现为以下２个方面。
３．１混凝土工作性比较
         机制砂与天然河砂相比，由于有一定数量的石粉，使得机制砂混凝土的和易性得到改善，可在一定程度上改善混凝土保水性、泌水性、黏聚性，使得混凝土易于成型振捣。这些作用在低标号混凝土中特别明显，尤其是在实行水泥新标准之后，水泥强度普遍提高。配制混凝土时很难解决强度富余过大与工作性之间的矛盾，机制砂中的石粉很好地解决了这个矛盾，即在低水泥用量情况下，配制出工作性符合要求的混凝土。甚至在碾压混凝土中要求机制砂中的石粉含量不低于１２％，以利于混凝土的碾压成型。中国工程院谭靖夷院士还提出：“碾压混凝土必须使用高石粉含量的砂子”。但在高标号混凝土中，对机制砂中的石粉均进行了严格的限制，因为在高标号混凝土中水灰比较小，石粉的存在严重影响了混凝土的工作性，一般人工砂中石粉含量限制在５％以下。含石粉的机制砂混凝土，其初、终凝时间比不含石粉的天然河砂混凝土有所延长，一般可延长５０～１２０ｍｉｎ，并认为主要是由于石粉没有活性，在混凝土中只起到一种隋性掺合料的作用，分散水泥颗粒，降低了水泥的水化热。含气量和泌水率都减少，对混凝土的质量有利。
３．２混凝土强度比较
        强度是混凝土作为结构材料的一个重要依据。因而机制砂对混凝土的强度影响也是混凝土工作者最关心的一个问题。据资料显示，在同等条件下，用机制砂配制的混凝土比天然河砂配制出的混凝土强度略高。杜庆蟾等人认为：由石灰石破碎而成的机制砂，其成分是碳酸钙，处于高浓度氢氧化钙中，其表面会发生微弱化学反应，天然河砂成分中二氧化硅含量高，不能发生类似反应；且机制砂质地坚硬，有新鲜界面，表面能高；机制砂表面粗糙、棱角多，有助于提高界面的黏结。李拖福等人认为：机制砂提高混凝土的强度是由于石粉填充了混凝土中的孔隙，且０．０８ｍｍ以下的石粉可以与水泥熟料生成水化碳铝酸钙。安文汉等认为机制砂增强混凝土的主要原因是由于石粉的存在可以较明显改善混凝土的孔隙特征，改善浆—集料界面结构，并且混凝土晶相有不同程度的改变。并认为就强度而言石粉的最佳含量为５％．根据已有的研究，我们认为：石粉对水泥具有增强作用，认石粉在水泥水化反应中起晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化并参加水泥的水化反应，生成水化碳铝酸钙，并阻止钙矾石向单硫型的水化硫铝酸钙转化。但李兴贵认为：当石粉含量增大到２１％以上时，由于石粉含量太高，颗粒级配不合理，使混凝土密实性降低，和易性变差；粗颗粒偏少，减弱了骨架作用；非活性石粉不具有水化及胶结作用，在水泥含量不变时，过多的石粉使水泥浆强度降低，并使混凝土强度减小。并且路文典认为：机制砂中石粉含量除了微集料的填充效应，还因为其中含有大量的游离ＣａＯ，ＣａＯ与水作用，发生水化膨胀自行硬化。而且石粉中还含有较多和较高活性的无定型ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３，活性的ＳｉＯ２和Ａｌ２Ｏ３易与水泥水化释放出的Ｃａ（ＯＨ）２反应生成稳定的硅酸钙水化物凝胶及水化铝酸钙，由于消耗了Ｃａ（ＯＨ）２，又促进了水泥的水化反应；同时，由于Ｃａ（ＯＨ）２与石粉中的活性ＳｉＯ２反应，使Ｃａ（ＯＨ）２的晶体粒细化，有利于混凝土界面的黏结。
３．３混凝土弹性模量比较
        目前国内对机制砂混凝土弹性模量的研究并不十分充分，安文汉和杨德斌等的研究结果均表明在保持相同水灰比和水泥用量的条件下，机制砂混凝土的弹性模量高于普通混凝土。舒传谦认为山砂高强混凝土的弹性模量一般高于现行规范公式ＧＢＪ１０—８９的计算值，并给出回归曲线解析式为：ＥＣ＝（１．５５００＋０．０４４４ｆｃｕ）×１０４（Ｎ／ｍｍ２）。弹性模量提高的原因可能是：机制砂粗糙多棱角的颗粒在砂浆中起着骨架作用，限制了水泥石的变形及骨料颗粒之间的滑动；机制砂与水泥石间有良好的黏结界面，使得界面孔隙少，减少了应力集中；机制砂中的石粉提高了水化产物的结晶程度，晶胶比的提高使水泥石在外力作用下的变形减小。
３．４混凝土干缩性能比较
混凝土的干缩性能直接影响混凝土的裂缝，进而影响混凝土的耐久性。李兴贵等人的研究结果显示：与常规细骨料（石粉含量３％）相比，石粉含量为１６％和１２％的混凝土干缩率分别增大１２．８％和４．８％．其中，石粉含量在１２％以下时，干缩率增大缓慢，石粉含量大于１２％时，干缩率迅速增大。并认为干缩
率随石粉含量增加而增大，这是由于石粉中小于０．０８ｍｍ的极细颗粒随石粉含量的增加而增多，这种极细颗粒在混凝土拌和物中起到增加水泥浆含量的作用，混凝土的干缩正是来源于水泥浆的干缩，显然，单位体积水泥浆多，导致干缩率增大。
３．５混凝土抗渗性比较
由于混凝土的抗渗性主要与其孔结构有关，因
此大多数人认为机制砂中的石粉是其提高抗渗性的
主要原因。混凝土的研究者认为：机制砂中的石粉只
是一种有效的填料，虽然不具有活性，但提高了混凝
土的密实性，增强了水泥石与骨料界面黏结；而有人
则认为石粉能加速Ｃ３Ｓ的水化，并与Ｃ３Ａ、Ｃ４ＡＦ反
应生成结晶水化物，并能改善水泥石的孔隙结构，因
此抗渗性能得到提高。
３．６混凝土抗冻性比较
混凝土的抗冻性在北方广大地区是混凝土耐久性评价的一个重要指标，但对于机制砂混凝土的抗冻融耐久性并没有系统的研究。张映全等在配制Ｃ４０混凝土时采用５０％的石屑替代河砂以提高混凝土的抗冻性，并得到较好的结果，其中采用石屑替代的经２００次冻融循环后比未替代的强度少损失９．９６％．认为主要是石粉在一定程度上改善了混凝土的毛细孔结构，提高了混凝土的抗冻融性。但张桂梅等人研究石粉对低标号混凝土影响时，发现２０％石粉含量的机制砂混凝土质量损失和强度损失均大于１２％石粉含量的，且经５０次冻融循环后２０％石粉含量的机制砂混凝土强度损失比１２％含量的高出１０．３％．综合上述研究结果，可以看出机制砂混凝土在工作性、强度、抗渗性、抗冻性等方面表现出一定的优越性，尤其是在低标号混凝土中，石粉具有一定的微集料填充效果，改善混凝土的孔隙结构，使得其强度、抗渗性、抗冻性都较天然河砂混凝土好。
４机制砂质量中的３个问题
机制砂在应用中有３项主要指标备受关注：石粉含量、压碎指标和细度模数。
４．１石粉含量
机制砂在生产过程中，不可避免地附带有少量粒径小于０．０７５ｍｍ的石粉。按天然砂质量标准，小于０．０７５ｍｍ颗粒定义为泥，而对泥的含量限制是非常严格的。机制砂中的石粉显然与泥不同，大量试验研究与工程应用实践表明：机制砂中含有一定量的石粉对改善中低强度等级混凝土的工作性有较大的帮助，对混凝土强度几乎没有影响。但石粉含量较高时，对配制高强混凝土的强度有不利的影响。目前，湖北沪蓉西高速公路多数专业砂石料厂工艺配制较完善，大都配备了旋风收集石粉装置或静电收尘系统，有的还采用水洗除粉工艺，能有效地把机制砂石粉含量控制在５％以内。
４．２压碎指标
是指机制砂在外力作用下抵抗破坏的能力，是间接表达机制砂坚固性的一个重要指标。压碎指标直接影响所配制混凝土的强度，特别对于高强混凝土的影响最大。湖北沪蓉西高速公路多数专业砂石料厂生产的机制砂颗粒形状较好，加之所采用母岩强度都较高，压碎试验值一般在２０％～２５％范围内。试验发现，当某些砂石料厂采用的母岩强度较差时，其压碎指标值将增大，一般都大于２５％．机制砂中的针片状含量对压碎值最为敏感。调查发现，针片状颗粒含量多的产品一般均为非专业砂石料厂生产碎石筛留下的石屑，试验压碎指标值一般都在３０％以上，有些甚至高达４０％，这种石屑在本高速公路项目是明令禁用的。大量试验表明压碎指标值３０％是一个比较明显的分界线，小于３０％的机制砂几乎全是专业砂石料厂生产，而大于３０％的砂样大部分出自非专业或小碎石厂的石屑。
４．３细度模数
机制砂在生产过程中，为能除去大部分石粉，往往将３００μｍ以下颗粒清除了大部分，从而造成机制砂颗粒级配不好，细度模数偏大的问题，加之机制砂棱角多，表面粗糙，单独用于配制混凝土很难满足其工作性要求，也不符合行业标准的规定。针对这一问题，可将之和天然河砂进行掺配，以填充颗粒级配的中间部分，但这一方面目前是正在深入研究的课题，因为这虽然保证了细度模数符合规范要求，但对混凝土其他性能的影响还未探明，这里只是借此提出复合砂的概念，不在此文探究之列。
５机制砂质量控制
上面说到机制砂在应用中有３项主要指标极其重要，这些都是和机制砂在日常生产和使用中紧密相关的，生产控制得好，使用起来就放心，生产质量差，就得加强使用时质量控制检测了，在此谈谈机制砂生产和使用的控制。
５．１生产质量控制
ａ）生产机制砂所用岩石要求洁净、无泥块及植被，质地坚硬、无软弱颗粒及风化石，石料等级要求三级或三级以上。ｂ）统计出料口砂和成品砂的细度模数，进行颗粒分析，其试验方法见《公路工程集料试验规程》ＪＴＪ０５８—２０００中Ｔ０３２７—２０００．其级配应符合规范要求，见表１（第１７页）。根据统计结果调整生产系统参数，以提高生产效率和生产质量。ｃ）检测统计出料口和成品砂石粉含量（小于０．０７５ｍｍ的颗粒含量），根据统计结果调整生产系统参数，将石粉含量控制在７％～１６％范围以内，对于配制Ｃ４０或Ｃ４０以上砼所用机制砂应通过水洗法或收尘法将石粉含量控制在７％以内，同时应注意避免将０．０７５～０．３ｍｍ“带走”而造成断档。石粉含量试验方法见《公路工程集料试验规程》ＪＴＪ０５８—２０００中Ｔ０３３３—２０００．
ｄ）机制砂生产设备注意经常保养，对于磨损厉害的设备予以更换。
ｅ）机制砂储存时高度不宜超过１０ｍ，避免混入杂质，做好防雨措施。
ｆ）对成品砂应根据条件按批量作常规物理检测，一个工作日为一个批量。常规物理检测项目见机制砂的质量要求。
５．２使用质量控制
ａ）供货方应提供产品合格证及质量检验报告。
ｂ）应按同产地分批验收。一般４００ｍ３或６００ｔ为一个验收批，不足者按一验收批论。
ｃ）在运输、装卸和堆放过程中，防止颗粒离析和混入杂质，按产地、种类分别堆放，堆放高度不宜超
过１０ｍ．
ｄ）按一定的取样方法取样，对机制砂颗粒级配、石粉含量、常规指标进行检验。其中机制砂的颗粒级配按规定频率进行检测，压碎值、表观密度等指标在更换生产厂家或母岩质量有所波动时按一定的取样方法和频率进行检测。对重要工程或特殊工程应根据工程要求增加相应检测项目。
ｅ）检测结果不符规范要求的机制砂，可作混凝土试验，试验结果满足技术要求的，得到监理工程师认可方使用。
６结语
        机制砂的研究虽然谈不上是什么新兴课题，但目前机制砂生产已经成为一个新兴的产业，随着研
究的不断深入，其应用范围也在逐年扩大，由最初仅限于应用生产Ｃ３０及其以下混凝土，逐步发展到Ｃ５０及以上的几乎所有等级的混凝土。机制砂的应用不仅对混凝土工程的质量和耐久性提高起到了保证作用，同时也为社会和企业创造出巨大的经济效益，为高速公路的建设发展，混凝土应用技术进步作出了重要贡献。但是我们要看到传统的观念和习惯也严重影响机制砂的开发与应用，这就需要解放思想，加大宣传力度。希望更多的工程技术人员、工程建设以及政府相关部门共同关注混凝土技术的进步，促进机制砂的进一步开发与应用。
         今后数年内，我省山区高速公路的建设规模将有更大更快的发展，施工生产技术的进步，工程质量的提高，高性能混凝土的应用，对砂石行业提出了更高更严的要求。目前，虽然我省高速公路工程机制砂用量还不能与天然河砂用量相比，但这种比例随着西部建设开发也在不断的变化中，机制砂将愈来愈多地得到应用，机制砂发展前景广阔。
 

参考文献：
［１］徐健，蔡基伟，王稷良，等．人工砂与人工砂混凝土的研究现状［Ｊ］．国外建材科技，２００４，２５（３）：２０－２４．
［２］李拖福，严亚光．石屑在混凝土中的应用［Ｊ］．山西建筑，１９８９（２）：２７－２９，３６．
［３］安文汉．石屑混凝土强度及微观结构实验研究［Ｊ］．山西建筑，１９８９（２）：１９－２７．
［４］李兴贵，严栋兴，章恒全．高石粉人工砂原级配混凝土学性能试验研究［Ｊ］．红水河，２００３（１）：６５－６９．
［５］路文典．人工砂石粉含量超标时对常态混凝土性能的影响试验研究［Ｊ］．山西水利科技，２０００（４）：６３－６７．