摘要：机制砂的应用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，本文就机制砂各类特性及质量控制等略作分析。 关键词：特性质量要求混凝土 空隙率abstract：Mechanism sand application will play an important role for the concrete quality and durability, meanwhile, and also create huge economic benefits for the society and enterprises. In this paper, it will discuss its quality control.
Keywords: performance, quality control, concrete, voidage
中图分类号：A715文献标识码：A文章编号：
一、前言
湖北沪蓉西高速公路地处鄂西南山区，是湖北省造价最高、施工难度最大的山区高速公路之一，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，特别的质量较好的黄砂，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，湖北沪蓉西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，可以大大的降低成本、节约投资，因此机制砂发展前景广阔。
二、机制砂特性分析
机制砂的定义：机制砂(译为Machine-made sand或Artificial sand)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”。
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。
机制砂总体性能：机制砂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。
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， ＜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＜ 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＞2.36mm和＜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。
三、机制砂的质量要求
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）分成三个级配区（见表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。
2、泥块含量
机制砂中的泥块含量应符合表2的规定。
表2机制砂中泥块含量限值
混凝土强度等级 大于等于C60 C55～C30 小于等于C25
泥块含量（按质量计，%） ≤0.5 ≤1.0 ≤2.0
对有抗冻、抗渗或其它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%。
3、石粉含量
机制砂经亚甲蓝试验判定后，石粉含量应符合表3的规定。
表3机制砂中石粉含量限值
混凝土强度等级 大于等于C60 C55～C30 小于等于C25 (1)
石粉含量 （按质量计，%） MB＜1.40 ≤5（3） ≤7（5） ≤10（7）
MB≥1.40 ≤2.0（1.0） ≤3.0 ≤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。
(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。
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
混凝土强度等级 大于等于C60 C55～C30 小于等于C25
单级最大压碎指标（%） ＜20 ＜25 ＜30
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
项 目 质量指标
云母含量（按质量计，%） ≤2.0
轻物质含量（按质量计，%） ≤1.0
硫化物及硫酸盐含量（以SO3质量计，%） ≤0.5
氯化物（以氯离子质量计，%） ≤0.06
有机物含量（用比色法试验） 颜色不应深于标准色，如深于标准色，则应按水泥胶砂强度试验方法，进行强度对比试验，抗压强度比不应低于0.95
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%。
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2500 kg/m3、松散堆积密度大于1350 kg/m3、空隙率小于49%。
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，应采用岩相法和砂浆棒(快速法)或砂浆长度法进行集料的碱活性检验。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。
四、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，主要表现为以下二个方面：
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、粘聚性，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裕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。
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，有助于提高界面的粘结。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，认为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。
3、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粘结；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。
4、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。有研究者在配制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。
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。
五、机制砂质量中的三个问题
机制砂在应用中有三项主要指标备受关注：石含粉量、压碎指标和细度模数。
石含粉量：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。
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。
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，但对混凝土其它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。
六、机制砂质量控制
上面说道机制砂在应用中有三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：
（一）、生产质量控制
1、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。
2、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》JTJ 058―2000中T 0327―2000。其级配应符合规范要求，见表1。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。
3、 检测统计出料口和成品砂石粉含量（小于0.075?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0.075～0.3?“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》JTJ 058―2000中T 0333―2000。
4、 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。
5、 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。
6、 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。
（二）、使用质量控制
1 、对进场的机制砂，供货方应提供产品合格证及质量检验报告。
2 、对进场的机制砂，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。
3 、进场的机制砂，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。
4 、对进场的机制砂，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。
5 、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。
七、结语
机制砂的研究虽然谈不上是什么新兴课题，但无疑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，会逐步发展到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。
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