唐 瑜 吴庆雄 陈荣刚

(1.福州大学土木工程学院 福建福州 350116; 2.福建高速至信建设管理有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在土木工程中，混凝土具有制备简单、生产成本相对较低、可塑性好且耐久性强等特点，是用途最广、用量最大的建筑材料；其中，砂是混凝土中最为重要的原材料之一[1]。然而，近些年来，随着社会经济快速发展，我国基础设施建设数量及规模快速增长，混凝土的使用量急剧增大，导致大量的天然砂被过度开采，天然砂资源逐渐匮乏，环境破坏愈演愈烈。随着人们环境保护意识的增强以及环保力度的加大，天然砂禁采范围越来越广，价格也越来越高。在此背景下，机制砂引起了更多人的关注[2]。机制砂利用现代化技术由岩石经除土开采、机械破碎、筛分制成，其粒径在4.75 mm以下。但是，与天然砂对比，机制砂在实际应用过程中也存在些许问题，例如经机械破碎后粒型不好、针片状过多、级配不连续、细度模数偏大等。

针对上述问题，人们开始将机制砂和天然砂进行混合配制形成混合砂。已有的研究结果表明，混合砂可以充分发挥机制砂和天然砂的优势，有效地克服单独使用机制砂时所存在的问题[3]。然而，关于混合砂的掺配比例及其制备而成的混凝土基本性能的工程应用研究相对较少。

本文依托国家高速公路网京台线长乐松下至平潭段桥梁工程，开展采用混合砂配制C50混凝土的应用研究，成果可为该工程和类似工程提供参考。

1 试验原材料与试验方法

1.1 原材料

试验中所用水泥为泰州杨湾海螺水泥有限责任公司生产的硅酸盐低碱P.Ⅱ52.5R水泥；粉煤灰采用福州开发区华能实业有限公司F类Ⅰ级粉煤灰；矿粉采用福州罗强建材有限公司S95矿粉。粗集料，采用平潭港务海坛砂石分公司5mm～20mm碎石，其中碎石掺配比例5mm～10mm∶10mm～20mm=4∶6。试验采用的水为普通自来水；减水剂采用厦门宏发先科新型建材有限公司的HPCA-600缓凝型高性能减水剂，固含量30%，减水率25%。

细集料为平潭港务海坛砂石分公司生产的机制砂和闽江砂。

机制砂有两种：一是直接采用砂石分公司生产的细度模数在3.7～3.1具有连续级配的粗砂，简称机制砂Ⅰ；二是采用方孔径2.36mm的筛过筛留取筛上部分的单一级配粗砂，可有效降低泥含量和石粉含量并能提高砂的强度保证率，简称机制砂Ⅱ。

闽江砂也有两种：一是采用闽江中砂，细度模数在3.0～2.3，简称河砂Ⅰ；二是采用闽江细砂，细度模数在2.2～1.6，简称河砂Ⅱ。

机制砂和闽江河砂主要性能指标如表1所示。从表1可知，与河砂相比，机制砂级配不连续、细度模数偏大。

1.2 配合比

依据实际工程的施工设计要求，选择坍落度为200±20mm 的C50泵送混凝土，并参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)[4]设计的基准配合比，如表2所示。

表1 砂的主要性能指标

表2 C50混凝土基准配合比 kg

采用平潭港务海坛砂石分公司生产的机制粗砂(连续级配和单一级配)和闽江砂(中砂、细砂)，按照机制砂30%最低掺量以及10%增量进行配比，形成不同细度模数和级配的混合砂，并确保混合砂细度模数不超过《建设用砂》(GB/T 14684-2011)[5]中粗砂的规定上限值3.7，然后依据表2的配合比进行C50混凝土制备。其中机制砂与闽江砂的具体参配比例和结果如表3所示。

1.3 试验方法

根据《普通混凝土拌合物性能试验方法》(GB/T50080-2002)[6]，开展混凝土工作性能测试。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)[7]开展混凝土力学性能试验。混合砂制备混凝土及其性能试验如图1所示。

表3 混合砂掺配结果

(a)混凝土制备 (b)坍落度测试 (c)扩展度测试 (d)泌水现象观察

图1 混合砂制备混凝土及其性能试验照片

2 试验结果与分析

2.1 混合砂配制C50混凝土性能

表4～表5列出了采用混合砂制备的混凝土的工作性能和力学性能。

由表4～表5可知：连续级配的机制砂Ⅰ与河砂Ⅰ配比而成的1-1～1-5组混合砂，机制砂Ⅰ掺量在不超过50%时，混合砂为中粗砂，且处于级配较好的Ⅱ区，混凝土和易性相对较好，抗压强度较高；随着机制砂Ⅰ掺量进一步增加，混合砂制备的混凝土坍落度、扩展度都逐渐减少，和易性逐渐变差，抗压强度也逐渐减少。主要原因在于：机制砂Ⅰ掺量的增加，使得混合砂由中砂转变为粗砂，级配区域由Ⅱ区变为Ⅰ区，降低了混凝土的密实性，增大了内部的摩擦阻力，影响了混凝土的和易性和强度。

表4 混凝土工作性能 m

MPa

连续级配的机制砂Ⅰ与较细的河砂Ⅱ配比而成的2-1～2-5组混合砂，机制砂Ⅰ掺量由30%增大至70%时，混合砂细度模数为2.31～2.91，均为中砂且其相应级配区域基本分布于级配较好的Ⅱ区，混合砂级配连续合理，密实度高，所配制的混凝土和易性较好，抗压强度较高。

机制砂Ⅰ分别与河砂Ⅰ、河砂Ⅱ配比成的混合砂结果，机制砂Ⅰ较粗，1.18mm以上较多，而河砂Ⅱ较细，级配区域为Ⅲ区且偏细，0.3mm以下较多，两者相结合更易形成处于级配区域为Ⅱ区，细度模数适中的砂，所制备的混凝土和易性好，抗压强度高，与《贵州省高速公路机制砂高强混凝土技术规程》[8]推荐使用Ⅱ区、中砂制备高强混凝土结果相符。

采用单一级配的机制砂Ⅱ与河砂Ⅰ配比得到3-1～3-4组混合砂，细度模数范围为3.01～3.85，基本均为粗砂且级配处于较差的Ⅰ区，导致制备的混凝土黏聚性、保水性下降，坍落度降低，和易性变差；但较粗的混合砂自身强度较高，且基准配合比中水灰比较为合理，以致对其制备的混凝土强度影响不大。因此，单一级配的机制砂Ⅱ与河砂Ⅰ配比形成的混合砂制备的混凝土不符合相关要求。

采用单一级配的机制砂Ⅱ与河砂Ⅱ配比得到4-1～4-4组混合砂可知：机制砂Ⅱ掺量在30%～40%时，混合砂为中砂，且处于级配较好的Ⅱ区，混凝土和易性相对较好，抗压强度较高；随着机制砂Ⅱ掺量进一步增加，混合砂由中砂转变为粗砂，级配区域由Ⅱ区变为Ⅰ区。主要原因在于：2.36mm以上部分较多，而2.36mm～0.6mm层较少，级配不连续，以致制备的混凝土坍落度、扩展度逐渐减少，和易性逐渐变差，抗压强度也逐渐减少。

2.2 混合砂配制C50混凝土经济性能

由表6可知，标准组采用单一的天然河砂Ⅰ制备C50混凝土的成本最高，采用河砂与机制砂配比形成的混合砂中，机制砂掺量越高则成本越低，节省成本最高可达34%。

表6 C50混凝土用砂成本对比表

注：标准组为采用天然河砂Ⅰ(中砂)制备C50混凝土。

从保护生态环境角度并结合2.1节中关于混合砂制备混凝土所具备的工作性能及力学性能的结论可得：连续级配机制砂Ⅰ与河砂Ⅰ(中砂)配比形成混合砂中，50%掺量的机制砂制备的混凝土和易性较好，抗压强度较高，且用砂成本节省最高，达24%；连续级配机制砂Ⅰ与河砂Ⅱ(细砂)配比形成混合砂中，30%～70%掺量的机制砂制备的混凝土和易性均较好，抗压强度均较高，掺量70%的机制砂用砂成本节省最高，达34%；单一级配机制砂Ⅱ与河砂Ⅱ(细砂)配比形成混合砂中，40%掺量的机制砂制备的混凝土和易性较好，抗压强度较高，且用砂成本节省最高，达20%。

3 结论

(1)连续级配机制砂Ⅰ与河砂Ⅰ(中砂)配比形成混合砂中，机制砂的掺量不超过50%时级配较好，制备的混凝土和易性较好，抗压强度较高，且用砂成本节省最高可达24%。连续级配机制砂Ⅰ与河砂Ⅱ(细砂)配比中，机制砂Ⅰ掺量由30%增大至70%时，混合砂细度模数为2.31～2.91均为中砂且其相应级配分布于较好的Ⅱ区，混合砂级配连续合理，密实度高，所配制的混凝土和易性较好，抗压强度较高。机制砂掺量为70%时用砂成本节省最高，达34%。

(2)机制砂级配不连续的情况下，单一级配机制砂Ⅱ与河砂Ⅱ(细砂)配比形成混合砂，机制砂掺量不超过40%时级配较好，制备的混凝土和易性较好，抗压强度较高，用砂成本节省最高可达20%，较为适用；单一级配的机制砂Ⅱ与河砂Ⅰ配比形成的混合砂较粗，级配较差，制备的混凝土不符合相关要求。

(3)结合实际工程应用情况，利用较粗的机制砂按照合适比例形成混合砂替代河砂配制高性能混凝土，其抗压强度较高，替代比例可达40%，用砂成本可节省20%以上，有效缓解建筑用砂矛盾，具有一定的推广应用价值。