（道路与铁道工程专业论文）机制砂在混凝土结构物中的适用性研究.pdf

摘要 交通基础设施建设的飞速发展，导致了筑路材料使用量的迅速攀升，使得砂石材料 在质量和使用水平上都达到了历史上最高水平。与此同时，由于我国砂资源分布不均， 每年建筑用砂约为3 0 多亿吨，消耗量十分巨大，致使砂资源短缺的矛盾显得日益突出。 而现在越来越多的将机制砂作为河砂的替代材料，正逐步广泛应用于各种工程建筑中。 本文结合四j i i 省广巴高速公路工程建设的需求，在调查研究和理论分析的基础上， 针对机制砂的特点，运用均匀设计试验方案将机制砂和河砂两者进行充分对比研究，通 过一定的使用手段和改善措施，解决物理力学性能和工作性之间的矛盾，取得了部分研 究成果，利用研究成果使机制砂完全替代或部分替代河砂配制出混凝土，应用到工程实 际当中，克服了机制砂现有的不良缺点。缓解了材料供需紧张局面，为节约工程造价， 保护环境，提升路用品质具有一定的社会意义和工程价值。 关键词：机制砂，力学性能，掺配料，配合比，工作性 a b s t r a c t t r a f f i cb a s i cd e v e l o p m e n ta tf u l ls p e e do fc o n s t r u c t i o no ff a c i l i t i e s ，r e s u l ti n , b u i l dt h e r o a dm a t e r i a lf a s ts o a r i n go f c o n s u m p t i o n , i ti sm o s th i g h l e v e lt om a k et h eg r i tm a t e r i a lr e a c h a t q u a l i t ya n dc o m p e t e n c eo fu s i n gi nh i s t o r y m e a n w h i l e ,b e c a u s eo ft h er e s o u r l c e m a l d i s t r i b u t i o no fs a n do fo u rc o u n t r y , t h es a n df o r b u i l d i n gi sa b o u tm o r et h a n3b i l l i o nt o n s e v e r yy e a r , t h ec o n s u m p t i o ni sv e r ye n o r m o u s ，t h ec o n t r a d i c t i o nc a u s i n gs a n dr e s o u r c e si n s h o r ts e e m so u t s t a n d i n gd a yb y d a y t h em o r ea n dm o r eo n er e g a r d ss a n do fm e c h a i l i s m 豁 t h es u b s t i t u t i n gm a t e r i a l so ft h ef i v e rs a n dn o w , t h ep r o g r e s s i v e l ye x t e n s i v e g r o u n di sa p p l i e d t ov a r i o u sp r o j e c t b u i l d i n g s t h i st e x tc o m b i n e st h er e q u i r e m e n tf o rw i d ep a l e s t i l l i a n e x p r e s 铡a ye n g m e e n n gc o n s t r u c t i o no fs i c h u a np r o v i n c e ，o nt h eb a s i so fm a k i n g i n v e s t i g a t i o n sa n dt h et h e o r yi sa n a l y z e d , t ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es a n do f m e c h a i l i s m u s e a n dd e s i g nt h et e s t i n gp r o g r a mt oc a r r yo nb o t hs a n da n dr i v e rs a n do fm e c h a n i s mt o f u l l y c o m p a r ew i t hr e s e a r c he v e n l t h r o u g hc e r t a i nu s i n gt h em e a n sa n di m p r o v i n gt h em e a s u r e ， s o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo f p h y s i c sa n dw o r l d n 爵h a v e m a d es o m er e s e a r c hr e s u l t s u t i l i z et h er e s e a r c hr e s u l t st om a k et h es a n do fm e c h a n i s m t o t a l l ys u b s t i t u t eo rs u b s t i t i l t e t h er i v e rs a n da n df o r m u l a t eo u tt h ec o n c r e t ep a r t l y , a p p l yt op r o j e c t r e a l i t y , h a so v e r c o m et h e e x i s t i n gb a ds h o r t c o m i n go fs a n do fm e c h a n i s m r e l i e v et h et e n s es i t u a t i o no fs u p p l ya n d d e m a n do fm a t e r i a l ，i no r d e rt os a v et h ef a b r i c a t i o nc o s to ft h e p r o j e c t ，p r o t e c tt h e e n v i r o n m e n t ，p r o m o t i n gt h eq u a l i t yo ft h er o a dh a sc e r t a i ns o c i a le f f e c ta n dp r o j e c tv a l u e k e y w o r d ：t h es a n do f m e c h a n i s r n ，m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ，m i xt h eb a t c h i n g , m a t c hr a t i o ，w o 曲g n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作：卿汾妒吕年多月3 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 导师签名： 舌月3 日 6 只e t 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 随着西部大开发战略的实施，在全面加快经济建设步伐的同时，也带来了土木交通行 业的空前活跃。尤其是在高等级公路上，新型桥梁类型和公路附属工程的不断更新，使得 桥梁结构物造形日趋增多。在大规模混凝土构造物数量剧增的同时，势必要消耗大量的物 质资源和当地的环境资源，这对公路建设部门来讲，如何坚持科学的发展公路工作是建设 开发中首当重视的问题。但是结合我国自身发展的国情，要做到因地制宜、优化设计、科 学管理、合理有效地兼顾能源消耗和环境保护，必将是今后主要的发展方向。也对坚持可 持续发展，确保公路建设又好又快地发展提出了更高的要求。 众所周知，公路桥梁的建设离不开混凝土的支持，同时由于混凝土价格低廉、性能优 良、原材料丰富易得，已成为现代土木建筑技术发展的重要物质基础，它也标志着材料科 学发展水平和象征。而细集料却是配制混凝土的基本原材料之一，从组成看，一般占混凝 土体积的3 0 左右，其质量优劣对混凝土拌和物的工作性和硬化混凝土的物理力学性能 均具有重要的影响。目前，采用天然中、粗砂作细集料是国内外配制混凝土的惯例，但是 从我国国情出发，天然砂资源分布极不平衡，重庆、宁夏、河南、四川、内蒙古等广大地 区却缺少优质中粗天然砂，由于优质砂资源渐趋枯竭，甚至出现无砂可采的状况，使得混 凝土用砂供需矛盾日益突出，砂的价格亦越来越高，这些地区有时高达1 0 0 元 1 5 0 元 吨，供不应求的现象时有发生，影响了工程建设的进展，因而选择应用既经济又合理的优 质河砂替代品配制混凝土是目前亟待解决的重要课题。 由于受到地域和空间的限制，迫使某些地区采用外运已解决用砂矛盾，但在缓解工程 建设的同时又带来了成本增加与费用提高等一系列问题，根本没有解决砂资源紧张问题， 反而产生新的矛盾和冲突，因而此举并非显得科学合理。另一方面，有些地区特细砂蕴藏 量却十分丰富，开采运输方便，在这些地区虽然能够科学合理的利用细砂，但是众多的工 程实践发现，相对于普通混凝土结构物，由于特细砂自身的特点，出现了许多工程病害， 所以匮乏的优质砂资源与建筑业的蓬勃发展矛盾显得日益突出。 据不完全统计近5 0 年大规模的基本工程建设与采掘粗、中砂资源，使得现存的粗、 中砂资源储备将不能满足当今建设规模的需要，从而需进一步考虑如何就地取材、合理利 用廉价地方资源成为混凝土材料学及工程应用领域的研究方向。 本课题完全依托工程项目建设需要，结合四川省广巴路建设项目开展研究工作，根据 第一章绪论 该项目的工程背景，由于该工程地处四) j i l l 部边缘，均为山地向盆地过渡地带，山岭重丘 地形居多，修建大中型桥梁和隧道占总工程量的4 0 左右，混凝土材料用量十分巨大， 而当地沿线优质河砂严重匮乏，被迫采用距当地1 0 0 多公里以外的中砂，不仅增加了工程 建设成本，且难以保证及时供应，影响工程建设速度。但是沿线却广泛地分布有石灰岩、 辉长岩、硬质砂岩、闪长岩等地方材料，且数量较大。因此，在项目建设中迫切需要解决 建筑材料供需矛盾和紧张局势。始终坚持“因地制宜，就地取材，节约成本 的原则，利 用当地优质石材砸制的机制砂普遍应用到混凝土桥梁结构物和公路附属工程中，是工程建 设的必然选择，也是环境保护与可持续发展的基本要求。 材料科学日新月异，使得混凝土结构物有效使用寿命的提高已迫在眉睫。与此同时， 混凝土配制材料、配制技术、路用性能发生了重要变化，这些发展都将赋予混凝土新的内 涵，使混凝土技术步入了高新技术的行列。一般而言，通常配制混凝土优选天然河砂作为 细集料，尽可能以就地取材、降低生产成本为建设原则。但目前为止，推广应用机制砂及 由机制砂配制的不同强度等级混凝土已成为四川省广巴高速公路建设的必由之路，这也将 是我国砂石行业发展的大势所趋，具有一定的社会价值和工程意义，对项目建设积累了丰 富的实践经验，其具体理由如下： 1 解决了天然砂资源越来越少与土木建筑业的蓬勃发展之间的矛盾。 随着土木工程建设的蓬勃发展，对砂石开采行业及其它建材行业的需求日益增加，天 然砂资源是一种地方资源，短时间内不可再生且不适合长距离运输。特别是高强度等级和 高性能混凝土对砂石的要求也越来越高，而能满足质量要求的有效资源却越来越少。积极 推广应用机制砂以及生产方式被国内外少数地区工程实践证明是可行的，同时也将成为混 凝土发展重要技术的途径和改善方法。 2 满足了混凝土质量以及技术要求。 从应用水平上讲，机制砂集料物理技术性质与河砂相比，差距较大。与河砂配制的 混凝土相比，单独使用混凝土时和易性差难以满足工作要求，为了克服本身存在的矛盾， 减小现有的差距，通过改变配制方法，增加辅助配料完善机制砂的使用，依然可以配制 出优良的混凝土，既满足工程质量要求又解决了技术使用问题。 3 提高了砂石的科技含量和企业水平。 由于天然砂大多由集体、个体分散挖掘，自售或由经营者收购售出，生产过程中基 本无质量控制手段，建筑用砂的质量责任几乎全落在了使用者的身上，生产和经营者根 本不承担责任，或难以让他们承担责任，这是非常不合理的。而机制砂的生产与天然砂 2 长安大学硕士学位论文 有根本的区别，机制砂生产有固定的生产场地、生产工艺和设备，其产品的质量可以保 持长期的稳定，从而有利于混凝土质量的控制和机制砂生产者素质的提高，在新国标 ( g b 厂r 1 4 6 3 4 - 2 0 0 1 建筑用砂) 中明确提出了生产企业要提供产品合格证的这一要求。 通过这一要求，促使机制砂生产企业建立质量保证体系，明确和落实生产者的产品质量 责任。然后，再由使用者进行现场复试，使建筑用砂质量得到有效的保障和提高，工程 质量也进一步得到保证和落实。 4 可持续发展与绿色生态环境的需要。 在经济利益的驱使下，在工程建设中局部地区出现了乱采、乱挖天然砂的现象，毁 田挖砂、破坏河道，有限耕地严重破坏，影响了防洪堤坝的安全，教训深刻。为此，建 设部门采取一系列控制措施，例如为保护河床与河岸的稳定，规定河砂须经审批后方可 计划开采，同时出台了禁采或限采天然砂的规定等措施，利用机制砂经过适当加工，改 进技术成果转化，使得移弃的资源再次为人所用，既解决了建筑用砂短缺和环境污染问 题，又提高了资源利用率，环境保护以及社会经济综合效益明显得到提升。这对广巴高 速铸造精品工程，建立项目形象，也为四川省其它高速公路建设树立了良好的楷模。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外研究现状 1 工作性 机制砂与天然河砂相比，由于颗粒表面粗糙、多棱角，且有一定数量的石粉，一般 多认为机制砂混凝土坍落度较小，且石灰石质石粉可很好地改善混凝土的泌水性和粘聚 性【4 1 ，使得混凝土易于成型振捣，这些作用在低强度等级混凝土中尤为明显。然而，有 些研究者包括我们认为，在配比设计、其它材料相同情况下，带有一定石粉的机制砂配 制中低强度混凝土的坍落度并不降低甚至增加。机理初步认为是：石粉补偿了水泥用量较 少、粉体材料不足的缺陷且能减少机制砂与碎石的摩擦【5 ，6 1 ，因此，配制中低强度混凝土 应允许机制砂含有一定的石粉量。 b p h u d s o n 等人认为，机制砂中的石粉填充了大颗粒之间的空隙【7 9 】，在集料体系 内起一定的润滑作用，在不含泥土的情况下，机制砂中石粉含量介于5 - - - 1 0 之间时， 用水量不必增加很多，也可保持工作性。甚至有学者认为，细集料级配标准仅适合于球 形颗粒，但不适合于非球形的机制砂【1 0 】，按细集料规范的级配未必能配制出好的混凝土， 改变下级配反倒能配制出性能良好的混凝土【l l 】。 李兴贵的研究表明：当石粉含量( 指o 1 5 m m 以下的细粉) 增大到2 1 以上时，由于石 第一章绪论 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1 2 1 。 周中贵指出【1 3 】：机制砂中适宜的石粉( 此处指0 0 8 m m 以下颗粒) 含6 0 o , - 1 2 左右，其 配制的混凝土和易性和强度在此范围内为最佳。 2 力学强度 阿根廷的b o n a v e t t i 等人用细度为3 1 7 4 2 0 m 2 瓜g 的石灰石石粉作填充料( 占水泥重 量的2 0 以下) 的研究结果表明，在很低水灰比的水泥浆中，水化程度随石灰石填充料 含量增加而增加【1 4 1 7 1 ；而高水灰比水泥浆中，水化产物体积随着石灰石填充料含量的增 加而增加。石灰石石粉虽不具有火山灰效应，但与铝元素反应形成水化单碳铝酸钙构成 a f m 1 8 之0 1 。混凝土强度取决于胶龇l ( g e l s p a c er a t i o ) ，而胶空比受水化程度的增加、水 泥浆的稀释以及有效水灰比增加的综合影响【2 l 】。 日本的内川浩( h i r o s h iu c h i k a w a ) 等人用包括石灰石石粉在内的几种矿物粉末r 细度 3 5 0m 2 取代部分细集料配制混凝土，认为：除矿物粉末本身填充效应外，矿物粉末代 砂混凝土的水泥水化反应、水化产物和硬化结构，与混合水泥配制的混凝土没有本质差 别。水泥浆的动弹性模量约为集料的一半，石粉等代砂实际上增加了水泥浆量，降低了 混凝土动弹性模量【2 2 1 。 安文汉等认为【2 3 l ：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，改善浆一集料界面结构，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 ( 此文指粒径小于o 1 5 m m 的细粉) 。 3 耐久性 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 结果均表吲2 4 1 ，在保持相同水灰比和水泥用量的条件下，人工砂混凝土的弹性模量高于 普通混凝土。舒传谦认为【2 5 】山砂高强混凝土的弹性模量一般高于现行规范公式 g b j l 0 8 9 的计算值。 吴明威等人则认为【2 6 】，在同配比条件下，含有少量( 2 6 ) 石粉( 粒径小于o 0 8 m m ) 的机制砂混凝土干缩比河砂混凝土小。 陈兆文认为【2 7 1 ，高石粉人工砂混凝土的干缩率，随人工砂中石粉含量的增加而增大。 当石粉含量从1 2 增加到2 1 时( 该文指粒径小于0 1 5 m m 的细粉) ，石粉含量每增加1 ， 干缩率相应约增加1 。工程中采用高石粉人工砂进行混凝土施工时，必须加强养护， 4 篓室奎兰堡主堂垡丝奎 一 尤其是早期养护。李建等认为渊石屑混凝土早期干缩值较河砂混凝土大，这可能是由于 石屑级配不如河砂、石屑混凝土砂率比河砂混凝土高以及石屑混凝土中小于o 1 5 m m 粉 末含量较高等因素导致的。 张映全等在配制c 4 0 混凝土时【2 9 i ，提出采用5 0 的石屑替代5 0 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2 0 0 次冻融循环后比未替代的强 度少损失9 9 6 ，并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。 尽管国家相关标准以及公路桥涵规范允许在河砂难得的情况下可以采用机制砂配制 混凝土，但对用于各等级混凝土的机制砂作了严格的限制，尤其是在石粉含量方面( 2 0 0 2 年2 月1 日实施的新国标g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 建筑用砂对石粉含量的规定) 。现时所 生产的机制砂质量缺乏稳定性，未经处理的机制砂大部分石粉含量在1 0 - - 1 5 左右，用 水洗去除石粉法不仅浪费材料、污染环境，且经水洗后的机制砂部分0 1 5 r n m 、0 3 n u n 乃至0 6 m m 的颗粒也被带出，严重破坏了机制砂的原有级配，导致配制的混凝土粘聚 性较差，难以满足配制高性能混凝土的要求。 1 2 2 国内外应用现状及存在问题 1 机制砂认识水平 由于我国幅员辽阔，各省份在对机制砂的使用时间和一些观念、认识等方面的差异， 故对机制砂有不同的理解，概括起来大致有以下几种： ( 1 ) 贵州地区，通常将机制山砂称为人工砂； ( 2 ) 重庆、广州、上海等地区，将加工碎石时废弃的粒径小于4 7 5 m m ( 或5 m m ) 的岩石颗 粒( 当地称为石砂、石粉、石屑、碎石砂等) ，均划为人工砂范畴； ( 3 ) 北京、天津、郑州等地区，将利用岩石、t 卵石、尾矿等n - r 的机制砂称为人工砂； ( 4 ) 江京平曾建议人工砂包括机制砂、石屑砂和再生砂( 由废弃混凝土经二次加工筛分 形成) 等。 这些理解都不同程度存在一定的局限性，也易混淆概念，根据本课题前期调研和大 量的取证工作，结合广巴高速公路当地的生产水平，最终认定人工砂不等同于机制砂， 人工砂是机制砂和混合砂的统称。机制砂是指由专门的机械破碎、进行筛分制成，粒径 小于4 7 5 m m 的岩石颗粒，但不包括软质岩，风化岩石的颗粒，其中附加的配套设备还 应涵盖洗砂机，除尘机等。 第一章绪论 2 规范的制定 我国关于机制砂的应用研究已经有了几十年的历史，可以追述到2 0 世纪6 0 年代， 那时我国一些建筑工程因环境条件所限，开始以石料为原料进行机制砂加工和应用研 究，由于长期没有统一的检测及试验标准，机制砂的发展一度受到限制。到了7 0 年代， 我国各地陆续出台了一些地方标准和行业标准，如最早的贵州省地方标准山砂混凝土 技术规定( 后来修订为山砂混凝土技术规范d b j 2 2 0 1 6 9 5 ) ，之后有云南省人工 砂技术标准及应用规程、河南省人工砂质量标准及应用技术规程d b j 4 1 t 0 4 8 2 0 0 3 ， 修订) 、重庆市混凝土用机制砂质量标准及控制方法( d b 5 0 5 0 1 7 2 0 0 0 ) 等地方标准。 2 0 0 1 年人工砂被列入新的国家标准建筑用砂( g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) ，无疑对人工砂的应 用起到了推动作用。2 0 0 2 年北京出台了人工砂应用技术规程( d b j t 0 1 6 5 2 0 0 2 ) ，上 海出台了机制砂在混凝土中应用技术规程( d g t j 0 8 5 0 6 2 0 0 2 ) ，2 0 0 4 年天津出台了 人工砂应用技术规程( d b2 9 7 2 2 0 0 4 ) ，重庆出台了机制砂、混合砂混凝土应用技 术规程( d b 5 0 5 0 3 0 2 0 0 4 ) ，2 0 0 4 年9 月湖北沪蓉西高速公路工程建设指挥部也出台了 普通混凝土用机制砂应用技术规程，规定石粉含量限值分别为5 、7 、1 0 t 3 l 】。 在我国起重要作用的建工行业标准普通混凝土用砂石质量标准及检验方法( j g j 5 2 9 2 ) 不少涉及到机制砂内容。 3 生产方式 机制砂的质量很大程度上取决于母岩的物理性能、加工工艺和机械设备等【3 2 1 。近几 年京、沪、广东等地区出现了一些稍具规模的砂石厂，产量1 0 0 - - - 2 0 0 t h ，一般采用两 级破碎与筛网构成闭路的流程作业，这些具有一定生产能力的料场采用锤式破碎机，使 得有生产率高，破碎比大，构造简单，便于维护等优点，但也存在锤头、蓖头、衬板、 转子圆盘磨损较快等缺点，如机制砂母岩较坚硬则砂料粒度级配难以控制，从而影响混 凝土质量的均匀性。另外，也有用反击式破碎机和小型颗式破碎机或其它破碎机制砂的。 但许多专业人士认为建设工地或专业生产的机制砂石料厂选择棒磨机为宜。因为棒磨机 的生产过程，是利用筒体内棒与棒之间的线接触进行的，棒对石料的粉磨有选择性，先 磨大粒石料，然后逐步将石料按粒度的大小依次粉磨，过磨现象少，同时棒磨机制砂可 以通过多种参数进行质量控制，产品质量较为稳定，且砂料颗粒粒形较好【3 3 1 。 通过对国内外文献的检索和使用方法调查，机制砂在工作性、力学强度、耐久性等 方面国内外学者作出了丰硕的成果，也取得了斐然的成绩。但是目前对机制砂大多数是 从应用角度考虑，没有对机制砂进行系统研究，致使在使用工程中出现许多问题，对现 6 长安大学硕士学位论文 有研究成果中存在的问题大致可以概括为以下几方面： 1 按照现行细集料级配规范配制出的混凝土未必有良好的使用性能，可以试图改变机 制砂的级配，使机制砂颗粒重新排布，各筛孔颗粒粒形尺寸对混凝土的使用性能的影响 进行研究。 2 国内外已经编制了地方性有关机制砂的使用方法和技术规范，对适用指标进行了严 格的控制，但是众多的规范能否应用于广巴路建设，由于材质和生产条件的限制，在使 用过程中能否满足建设要求，还需相关的理论与试验支持，可以进一步开展研究的可行 性。 3 由于机制砂的环境条件和试验材料差异很大，研究内容受到限制，现行国标中对机 制砂石粉含量的限制较为严格，并且十分古板，对有利范围和不利范围的界定问题更是 让人无所适从，难以全面反应机制砂或石粉特性。 4 没有统一的控制标准和设计参数指标的支持，对机制砂与河砂之间存在的差异认识 不足，需进行改进，以扬长避短、充分发挥机制砂的作用。 基于对上述几点所做的简要概述，本文具有针对性的从现有研究成果的不足出发， 进一步补充和完善机制砂在高等级公路结构物使用中的问题，通过改变级配、改善配置 技术等方面入手开展工作，对现有成果进行有利论证和有效的技术支持。 1 3 主要研究内容 随着广巴高速公路如火如荼的建设，性能相对较好的中粗砂也逐渐减少，如何合理 利用地方资源，探索有效解决工程建设中采用细集料的技术途径具有十分重要的意义。 此外，虽然机制砂在众多地区建设工程中得到了较多的应用，积累了丰富的经验。但由 于相应技术性能研究不系统，已有研究成果尚不足以支撑其在交通系统的推广。因此， 加强机制砂混凝土的基础研究显得十分必要。 1 机制砂技术标准研究：由于公路工程有其自身的特点，需要遵循其行业标准和规范 规定的技术要求。虽然机制砂在工业与民用建筑中应用所取得的经验可以作为在公路工 程中应用的重要参考，但两者的技术要求仍有一定差异。通过实际工程建设与研究，实 现满足工程建设需要的机制砂标准。 2 机制砂评价体系研究：通过大量室内实验对机制砂评断要求进一步细化，完善相应 机制砂评价指标体系，并建议制定相关的规范和规程就显得尤为重要，也是十分有意义 的举措。 3 机制砂拌和物级配研究：随着混凝土技术的进步，在满足现场实际需要的情况下， 7 第一章绪论 机制砂能普遍应用于常用混凝土中，尤其在非受力构件中能广泛应用，以实现不同强度 等级机制砂混凝土结构物的普遍化。 4 机制砂混凝土配制技术：研究满足路桥行业标准、规范要求的机制砂混凝土配制技 术是推进机制砂在该领域应用的基础和前提。此外，外配掺合料的应用成为机制砂混凝 土应用发展的必然趋势，而四川有关掺高性能掺合料机制砂混凝土的配制研究尚处于起 步阶段，需要进一步系统研究。 5 机制砂混凝土路用性能研究：通过机制砂与河砂两种细集料在水泥砂浆和混凝土中 试验研究，进行大量性能对比验证，比较两者细集料的差异，对合理的级配等作以选用， 为机制砂应用技术提供指向。 6 机制砂可行性研究：基于机制砂配合比适应研究，提出机制砂适宜的配合比设计步 骤与控制要求，完善参数标准，提出经济性机制砂使用性能评价模式，为实际生产和控 制施工质量作出进一步指导。 8 长安大学硕士学位论文 第二章机制砂使用特性研究 2 1 机制砂物理特性分析 到目前为止，国内多数有关机制砂的研究还仅限于工程应用，没有进行系统、深入 的研究。在实际应用中，由于人们对机制砂缺乏了解，没有对机制砂进行全面的物理分 析与测试，忽视了两种细集料机制砂与河砂的本质差异，导致在使用过程中出现疑难问 题。究其原因是没有了解机制砂本身的物理水平，使得应用困难。鉴于此特征的重要性， 本节特对机制砂进行物理认知，与现有优质河砂进行对比，以便工程中更好地掌握物理 性质，最终配制出优良的混凝土材料。现有的机制砂与河砂相比，有其以下显著特点： 1 首先从岩性上讲，机制砂是由某一种矿质岩石经机械破碎砸制而成的，石料岩性统 一，无明显混杂石料现象；而河砂是由较大粒径的砂砾石经过数万年冲刷而成的，不同 岩性的砂砾石相互混在一起，致使细砂岩性复杂，甚至有时含有有害物质成分。 2 从外观上讲，机制砂相比河沙而言，根据不同岩性的砸制，机制砂均称不同的颜色， 如石灰岩砸制的机制砂多呈灰白色，若细粉量过多，有进一步发白的趋势；而天然砂外 观大多呈米黄色或土黄色，根据采砂位置和粒径的差异颜色也有明显不同。 3 从粒径或粒度上讲，机制砂颗粒尖锐，在筛分后发现粗颗粒和石粉含量较多，中间 几档料较少，甚至有时某些筛孔出现断档现象，这被工程上俗称“两头大，中间小 ， 由于生产的不稳定因素，导致机制砂粒径分布极其不平衡，一时无法缓解生产的矛盾， 由于各筛孔的贡献不同使得机制砂使用性能出现了差异，这也是本论文中研究的主要方 向之一。而河砂粒径分布较为均匀，粒度相对稳定，各筛孔贡献不因外界条件的变化而 变化。 4 从粒形上讲，机制砂由于本身的岩石构造特征，使得岩石在开采和破碎的过程中会 出现差异，加之生产工艺的不同，机制砂形成了不同的颗粒形状，机制砂中的粗颗粒类 型存在多种样形，如近似圆球形、多棱角方形等不规则颗粒，粒型分布极不匀称，并且 同种成品样同一粒径下有时也呈不规则分布，例如石灰岩层理结构的构造特征使得在砸 制后出现近似多棱角的不规则方形；而河砂是在水势能的迫使下，使得天然河砂大多呈 椭圆形和圆形球体分布，粒型较为单一，容易分辨。 5 关于细粉量问题，机制砂在破碎后看上去粉尘较多，并且粉尘包裹于粗颗粒表面， 无意中使得含粉量剧增，在 0 0 7 5 m m 的粉尘中也并非完全是矿物粉粒，由于在开采石 料时势必夹杂某些土质成分，相比河砂而言，河砂含泥量较高，取用时有结块现象并且 并无矿质粉料，而机制砂平时较松散，堆积只有在雨季过后才出现较少的泥和粉块的加 9 第二章机制砂使用特性研究 杂品。如果机制砂在生产前严格控制原材料中的泥土物质，尽可能杜绝泥土的混入，才 能生产出品质优良的机制砂成品样。所以针对机制砂而言，粉尘多泥块少的特征和河砂 无粉尘泥块多的现象大相径庭，这也是机制砂与天然砂最明显的区别之一。 6 机制砂外形粒貌的特征和粗糙程度，使得与河砂相比，出现了技术性质差异，由于 机制砂颗粒内部微裂纹多、空隙率大、开口的相互贯通空隙多、比表面积大，导致表观 密度大，粗颗粒针片状含量高，吸水量较大，配制出的混凝土显得粘稠、干涩。 基于机制砂与河沙在物理性能上存在诸多差异，致使机制砂拌制的混凝土与河砂混 凝土相比，出现了使用性能和耐久性能上的明显不同，需要进一步对物理差异进行改善， 如果对机制砂加工工艺进行改进，根据现有的生产状况似乎应用技术并未成熟。只有对 机制砂集料级配展开研究工作，研究颗粒粒形的分布情况，最终使用一种较为合理的机 制砂级配，才尽能减少与河砂的差异，这也是机制砂改善效果简单可行的办法之一。 2 2 机制砂拌和物使用特- 陛 2 2 1 机制砂水泥砂浆使用特性 由于第2 1 节机制砂与河砂的物理特性千差万别，使得在水泥拌和物中出现明显的差 异。与机制砂相比，河砂用于水泥砂浆之中，由于河砂比较浑圆、无含粉量、粗颗粒的针 片状较少，使得河砂流动性能增大：而机制砂其粒形粒貌的制约，直接影响着拌制混合料 的流动性能，在流动度降低的同时却增加了水泥浆体的界面粘结力，致使抗压强度增大。 本课题目标是解决机制砂与河砂性能的差异，减小工作度与强度的差距。若要使机制砂优 于河砂，力学强度接近或高于河砂，才能真正解决机制砂使用的困惑。为此，本小节主要 从机制砂结构对水泥砂浆性能起得影响进行综合说明，主要表现在以下几方面： 1 颗粒级配，即表示细集料大小颗粒的分布情况。从颗粒粒径考虑，通过合理级配的优 选完全可以配制出优质拌和物材料，进一步改善了细集料对混凝土性能的变化。从图2 1 可以看到，级配单一的砂，即同样粗细的砂，空隙最大；两种粒径的砂搭配起来，空隙率 减少( 见图2 2 ) ；- - - 种粒径搭配，空隙率就更小了( 见图2 3 ) 。由此可见，不同粒径的颗粒搭 配，可以减少砂的空隙率，更使得粗颗粒之间空隙由细微粒填充，为节约水泥和提高强度 的目的。因此，各筛孔的含量直接影响硬化前后砂浆的性能，例如，本实验所用的机制砂 中颗粒级配在1 1 8 m m 以上的占总量约4 0 ，而一般的河砂只占3 0 左右：级配在0 3 m m 以下的颗粒含量只有1 5 左右，这一部分对填充和润滑具有十分重要的影响。若没有细 颗粒润滑和填充，使得空隙增大，流动时摩阻力增大降低了拌和物工作度，强度也亦随之 下降。 1 0 长安大学硕士学位论文 一一 图2 1 图2 2图2 3 机制砂颗粒之间相互合理的搭配使用，可以克服了粗颗粒偏多或细颗粒偏多的缺点， 可以有效减少空隙率，有利于降低单位体积砂浆的水泥用量，改善混凝土拌和物的工作性， 提高混凝土的密实性与强度。 2 颗粒粒形的影响，从物理特性中的粒形角度考虑，似乎要比粒径的改变较为困难，目 前并没有对机制砂粒形做过定量研究，无从下手。主要是因为机制砂本身生产出众多不规 则颗粒形体，以近似圆球状和多棱角方状体居多。若假设分别以两种不同形状颗粒单独搭 配组合，不规则棱角方状体的空隙率要大于圆球体，并且流动性较差。可通过掺入粉煤灰 和减水剂的措施，两者共同作用起到了填充和润滑的作用，这又是解决使用条件的方法之 3 细度模数，为了使集料在砂浆中或混凝土中发挥作用，可通过细度模数的大小反映性 能的良好程度。细度模数的变动会使集料的空隙率和总表面积发生改变，甚至是显著的改 变，从而对混凝土的强度及和易性产生影响。但是由于细集料细度模数的弊端往往在设计 时众多考虑砂率的影响，在水泥浆数量不变的情况下，增加砂率，水泥浆的数量就相对不 足，从而消弱了水泥浆对砂子的润滑作用，使混凝土拌和物的和易性降低。反之，砂率过 小，会消弱砂浆对粗集料的润滑作用，使粗集料之间的摩擦力增大，也导致混凝土拌和物 的和易性降低。因此，在配制混凝土时应合理选择砂率。本实验依照以下原则选择砂率： ( 1 ) 最大粒径大的，级配好的，表面光滑的粗集料，选择砂率较d x ； ( 2 ) 砂子细，选择砂率较d x ； ( 3 ) 水泥用量高，选择砂率较小。 2 2 2 机制砂混凝土使用特性 在研究了水泥砂浆后，进一步研究混凝土的使用特性。根据目前对混凝土的研究认定， 混凝土的结构形式可以分为三个阶段：初始阶段，混凝土拌和物凝结成硬化混凝土；第二 个阶段，混凝土结构逐渐强化，强度逐渐提高阶段；第三个阶段，混凝土结构趋于稳定， 强度随时间变化较少。基于本研究的实用性，往往更关心的是混凝土的塑性变形和硬化期。 第二章机制砂使用特性研究 参照粒子干涉理论，通过水泥净浆中的细集料( 河砂或机制砂) 作为分散体等同于混 凝土中的粗集料作为水泥砂浆的分散相，间接反应集料与浆体之间的性能影响，如混凝土 结构与强度很大程度上取决于水泥水化硬化及硬化水泥浆体结构的形成作为先决条件。而 水泥浆体与混凝土拌和物的差别在于后者掺入了骨料，从而使混凝土结构形成期缩短，而 且骨料含量越多，总表面积越大，影响也越显著。这可能是骨料吸水，使混凝土中的水泥 浆中的真实水灰比降低，强度增长就加快。此外，骨料本身在混凝土中起着刚性骨架作用， 使混凝土中水泥浆形成的结构得以强化。骨料的存在还使处于骨料颗粒很薄夹层间的水泥 浆保水能力提高，收缩变形受限止，有利于水泥浆体结构形成和强度发展。因此混凝土的 使用性能依赖于水泥砂浆和水泥石一骨料过渡区之间的特性。针对机制砂而言，它的棱角 较多，表面粗糙，颗粒级配相对集中，级配不理想，限制了水泥石的变形及骨料颗粒之间 的相对滑动。通过改变细集料级配组成，改变了浆体与细集料的适应能力，从而进一步改 变砂浆与粗骨料的填充和润滑作用，例如，重庆无优质中砂而盛产特细砂，使机制砂和特 细砂按一定的比例混合配制成复合砂，可以有效调整机制砂的颗粒分布，补充一定量颗粒， 克服机制砂单独使用所得大流动性混凝土可泵性差的缺点，也可以取到很好的技术经济效 果。而外加剂与粉煤灰的加入在不同程度上大大改善混凝土拌和物的流动性能，并且保证 具有良好的粘聚性和保水性能，同时尚能提高混凝土的强度和耐久性。 除了致力于解决机制砂混凝土与河砂混凝土外，还应重视石粉含量对混凝土的影响。 机制砂中的石粉粒径虽小于7 5 p m ，它的掺入对完善混凝土细骨料的级配，提高混凝土密 实性都有益处，进而起到提高混凝土综合性能的作用。但真正的石粉与天然砂中的泥成分 不同、粒径分布不同、在使用中所起的作用不同。天然砂中的泥对混凝土是有害的，必须 严格控制其含量。而机制砂中适量的石粉对混凝土和砂浆水泥和易性是有利的，细而分散 的粉粒早期能与c 3 a 和c a a f 等反应起到了明显的晶核作用，加速了水泥的水化，从而 加速混凝土早期强度的发展，特别是强度等级低的混凝土而且适量的石粉存在，又改善了 水泥砂浆水泥用量低、和易性较差的缺陷，具体含量见第4 章节所述。 1 2 长安大学硕士学位论文 第三章研究方案和试验方法 在第2 章中对现有机制砂中存在的不足进行说明，提出应对级配、改善措施等进一步 深入研究，因此本章具有针对性的安排机制砂研究方案和试验方法，以解决机制砂中忽 略的问题。 3 1 研究方法 3 1 1 水泥砂浆试验 通过均匀设计理论安排试验方案，在水泥砂浆中充分体现机制砂混凝土的流动特性 和力学性能，为机制砂在混凝土中得到普遍应用奠定了理论基础。由于生产水平和生产 状况的制约，机制砂颗粒粒形分布不规则，导致机制砂级配不良，使得现有研究水平只 局限于机制砂中石粉的研究，忽略了其它筛孔尺寸、粒度等因素对混凝土性能的影响。 因而，本研究选取细集料机制砂各筛孔尺度作为考察目标，从中发现各筛孔与使用性能 的相关关系。据此确定了机制砂的1 2 组研究方案，此外综合考虑到试验的广泛性和特 殊性，同时增添了规范级配i i 区砂的中值级配( 1 3 ) 、根据富勒理论得到的连续密实级配 ( 1 4 ) 、通过筛分选用当地天然河砂级配( 1 5 ) 共1 5 组方案，具体实验方案和综合分析见第 4 1 1 章节。 材料选用灰砂比为1 ：3 、水灰比为0 5 8 。之所以选用同一种比例是因为保证在同一水 平程度下研究具有可比性和针对性，另一方面选用此比例能够确保试验全部完成，减小 误差提高试验方案的可行性。 3 1 2 混凝土试验 在机制砂与河砂分别制拌的水泥砂浆中，充分对比性能之间的差异，寻求差距解决 现有机制砂使用上的困难以及施工过程中存在的问题，由各筛孔尺寸与使用性能建立的 相关关系应在混凝土拌合物得到体现，最终使得机制砂混凝土拌和物既有良好的和易性 又有较高的力学特性。在水泥砂浆的基础上，进一步提出了改善方法与措施，运用科学 的验证手段和使用方法，使得配制出的机制砂混凝土路用性能方面满足工程建设的标准 要求。验证时采用正交试验设计方案，与砂浆设计思路不同的是设计参数发生了改变， 采用外加剂和掺合料配制出的机制砂混凝土性能是否具有比河砂混凝土还优良的性能， 可参照第5 2 章节表5 3 的试验安排与试验结果，并且进一步分析和评价对混凝土性能 改善效果最佳时的剂量组合因数。 第三章研究方案和试验方法 3 2 试验方法 1 机制砂试验 ( 1 ) 表观密度的测定 按照公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 - - 2 0 0 5 ) 之t0 3 2 8 - - 2 0 0 5 节规定的方法进行 测定。 ( 2 ) 堆积密度与空隙率的测定 按照公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 - - 2 0 0 5 ) 之t0 3 3 1 1 9 9 4 节规定的方法进行 测定。 ( 3 ) 细集料棱角性试验 按照公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 - - 2 0 0 5 ) 之t 0 3 4 5 2 0 0 5 规定的细集料棱角 性( 粗糙度) 试验，该方法是将干燥细集料试样通过一个标准漏斗，漏入一个经标定的 圆筒( 试样质量称取3 0 0 9 ，漏斗流出孔径为1 2 r a m ) ，测其试样全部通过标准漏斗所需 要的秒数，即流动时间法评定细集料颗粒的表面粗糙和构造程度，以5 个平行试样的平 均值作为细集料的粗糙度。 如何评价细集料的表面粗糙程度、棱角性，历来没有标准方法，就目前国内研究现 状来看，流动时间法多用于沥青混合料中细集料棱角性的检测，混凝土细集料没有展开 过多研究甚至忽略了此试验的重要性。细集料的棱角性对混凝土的性能起着至关重要的 作用，集料粒形及表面特性是决定混凝上拌和物需水量的重要因素，颗粒棱角性的增加 会提高混凝土的抗压强度和抗折强度【3 4 1 ，因粗糙的颗粒与水泥浆粘结力较大，使强度增 加，尤其是抗折强度增加【3 5 1 ，因此棱角性指标的作用显得尤为重要。 此试验不仅作为评定细集料表面构造和粗糙程度指标，而且应对其在满足混凝土拌 和物路用性能的同时还建议今后经过系统研究后纳入水泥混凝土细集料指标规范。因而 粗糙度作为细集料重要的评判依据，对混凝土的实用性和使用性具有重大的工程价值。 ( 4 ) 压碎指标法试验 按照公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 - - 2 0 0 5 ) 之t 0 3 5 0 2 0 0 5 规定测定砂的压碎 值。 由于天然砂经过亿万年的风化、搬运，一般比较坚硬，尤其是海砂，大部分是石英 颗粒，所以天然砂作为细集料，往往有较好的耐久性。并且砂的形状基本上是球形颗粒， 所以对混凝土的滑动有利。相反，机制砂是石料破碎而成的不规则颗粒，基本上是石料 中较为薄弱的部分经充分打磨首先变成细颗粒微粉，带有棱角的粗颗粒较多且针状与片 1 4 长安大学硕士学位论文 状颗粒量大，针片状颗粒越多使得力学强度较差，国外学者认为4 7 5 2 3 6 r a m 颗粒形貌 对混凝土的性能影响大一些【3 6 1 。同时单粒径最大压碎指标值都在4 7 5 m m 2 3 6 m 之间， 因为这两档材料颗粒较粗、不规则棱角明显且针片状在此时容易辨认，在重荷载的作用 下，棱角相互之间磨损，被挤压的棱边发生碎裂，所以机制砂能否抵抗荷载性磨损主要 由石材的岩性和机制砂的破碎程度所决定，因而