机制砂在交通工程的应用

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[摘要]文章主要从机制砂对混凝土和易性、强度、耐久性3个方面的影响进行了探析，总结出了在交通工程中应用时，思想重视、保持制砂工艺先进性、技术补充3个方面要点，谨供参考。

[关键词]机制砂；交通工程；混凝土；石粉

1机制砂概述

机制砂是指经除土开采、机械破碎、筛分制成的粒径在4.75mm以下的岩石颗粒（不包括软质岩、风化岩石的颗粒）。JT/T819—2011《公路工程水泥混凝土用机制砂》标准规定了公路工程水泥混凝土用机制砂的定义、分类与规格、技术要求、试验方法、检验规则，以及标志、运输和储存。标准适用于公路工程预拌混凝土、现场拌和混凝土及混凝土制品使用的机制砂。标准中将机制砂分为I类、II类、III类：I类母岩岩石抗压强度一般大于80MPa，宜用于强度等级大于或等于C60的混凝土；II类母岩岩石抗压强度一般大于60MPa，强度等级大于或等于C30、小于C60以及有抗冻、抗渗要求的混凝土；III类母岩岩石抗压强度一般大于30MPa，宜用于强度等级小于C30的混凝土。标准中还按照粗细程度将机制砂分为粗砂、中砂2种规格，粗砂细度模数为3.9~3.1，中砂细度模数为3.0~2.3。

2机制砂应用概述

国内各个领域目前机制砂的应用情况：在水电工程领域，几乎全部自产机制砂生产预拌混凝土；在房建领域，有一定比例使用了机制砂，受地方行政导向影响，不同城市间使用比例不同；而在公路、铁路、港口等交通工程中，机制砂生产预拌混凝土的比例较低。近几年，河砂、湖砂作为短时间内很难再生的自然资源，日渐珍贵，开采量已经迅速减少，可供交通工程使用的量变得匮乏；由于氯离子对钢筋混凝土的破坏巨大、且破坏周期长，淡化海砂也被限制在门外。机制砂，来源丰富，生产工艺日渐成熟，成本合理，在交通工程中或可作为天然砂的首选替代品。

3交通工程应用探析

在交通工程中，通常需要关注混凝土3个方面指标：和易性、强度、耐久性；机制砂对混凝土的这3个方面影响，需要分别进行分析和探讨。3.1对和易性的影响。3.1.1石粉机制砂中粒径小于75μm的颗粒统称为石粉。RolandsCepuritis研究发现，细度、比表面积是石粉的2个重要参数，对混凝土流变影响最大[1-2]。潘菲等的研究发现，0~45μm的粒径区间是体现石粉性能最关键的部分，该部分颗粒存在最佳掺量，过多的细粉使机制砂混凝土流动性显著降低，过少则易离析、泌水[3]。毛永琳等的研究发现，石粉掺加方式对水泥浆体流动性影响大，石粉内掺时水泥浆体流动性随石粉掺量增加而增加；石粉外掺时水泥浆体流动性直线下降[4]。研究证明，石粉的存在，对混凝土和易性既不是绝对的有害，也不是绝对的有利。只有在粒径合理、含量适中时，石粉才能够提高混凝土的工作性能。需要特别强调的是，石粉会大量吸附减水剂，对混凝土初始流动度以及流动度的保持都是有害的。工程现场在找到有效的应对办法之前，宜将机制砂的石粉含量控制在下限。3.1.2粒型相较于天然河砂而言，机制砂是由岩石破碎而成，其颗粒表面粗糙、多棱角，对混凝土的和易性显然是不利的。普遍认为，棱角越少、粒型越接近球形的机制砂对和易性的不利影响越小。在生产泵送混凝土、高强混凝土时应对机制砂的粒型进行特别甄选。3.1.3级配受不同厂家制砂工艺、母岩种类和强度的影响，机制砂颗粒级配参差不齐。目前市面上级配不合理的机制砂较多，多数情况下，2.36mm~4.75mm与1.18mm~2.36mm两级配超标最为常见，而0.60mm~1.18mm与0.30mm~0.60mm两级配常常不足，导致机制砂级配不良。这类机制砂孔隙率高，配制的混凝土对用来包裹骨料、填充空隙的浆体量需求很高，混凝土常常会出现流动性差、浆骨分离、泌水、离析等，造成混凝土无法施工。与天然砂中的II区中砂接近时的级配，认为是机制砂的理想级配。3.2对强度的影响。3.2.1石粉机制砂中大量的石粉填充了骨料空隙，使混凝土内部更加密实，这也符合混凝土越密实，强度越高的理论。需要注意的是，存在一个最佳石粉含量，超过这个值，混凝土抗压强度便会降低。笔者经历几个项目后发现，这个最佳值，在不同机制砂中并不相同，需要通过试验来确定。在实际工程中，为了保证混凝土的和易性，一般会将机制砂混凝土水胶比适当放大，单方用水量适当提高，这是一种主动的、可控的调控手段，对混凝土强度基本没有危害。但应注意用水量的超标会导致开裂风险增加，需要把握合理尺度。应当区别看待的是，由外加剂被石粉吸附而导致的用水量变大，则属于生产失控的一种情况，是很危险的，这种情况下混凝土强度会失控，应特别避免。3.2.2粒型由于机制砂表面粗糙、多棱角且尖锐，粘结力、机械咬合力均大于天然砂，因此在同等水胶比条件下，机制砂比天然砂配制的混凝土强度略高。3.2.3母岩在同条件下，分别用石灰岩、玄武岩2种母岩制成的机制砂配制混凝土，发现C30强度差别不大，C60强度玄武岩略高于石灰岩。3.3对耐久性的影响。混凝土的耐久性在实际工程中，常常是被忽略的一环。耐久性不足，不仅会增加使用工程中的维修费用，影响工程的正常使用，还会过早地结束结构的使用年限，造成严重的资源浪费。对于有抗碳化、抗冻融、抗氯离子侵蚀、抗硫酸盐侵蚀、抗碱-骨料反应、抗磨要求的工程，在使用机制砂之前，应参照相应标准进行耐久性验证。3.3.1母岩碱活性首先要重视的是母岩的碱-骨料反应活性。拟应用于高性能混凝土的机制砂应进行碱活性检测，具有碱-碳酸盐反应活性的机制砂不得应用。存在潜在碱-硅酸反应危害时，必须采取抑制措施并通过试验验证方可应用；比如可以掺入粉煤灰、沸石、矿粉等掺合料，对ASR有害膨胀进行抑制。3.3.2母岩抗磨性路面和桥面混凝土使用的机制砂，应检验母岩骨料磨光值，不宜使用抗磨性较差的泥岩、页岩、板岩等水成岩类母岩生产机制砂。3.3.3石粉颜从进的研究认为，天然砂中石粉含量的增加会降低混凝土抗氯离子渗透性能，但机制砂中石粉含量的增加对这一指标的影响不明显；另外，机制砂中石粉能改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，C30和C60当石粉含量分别达到20%和15%时基本不腐蚀[5]。

4机制砂应用要点

4.1思想重视。对机制砂的态度，应当给予敬畏、但不畏惧。它的缺点很多，应用不当的话对工程影响较大，当事项目、当事人员应当保持畏惧之心。但它的优点也很多，无论从工程保供角度、还是从经济性角度考量，都是有益的；并且我们已经有了相应的指导规范和成熟的技术支撑，当事项目、当事人员也不必畏惧。4.2制砂工艺先进性。目前机制砂的生产工艺良莠不齐，应用到交通工程中的机制砂，必须保持工艺的先进性。据了解，目前先进的机制砂生产工艺使用的是包含制砂机在内的高效集约楼站式生产线，采用冲击加滚动碾压复合破碎原理，区别于传统立轴破的破碎方式，复核破碎可以实现对机制砂颗粒的高效破碎；生产线可以对机制砂颗粒进行一定程度的整形；还可以对粒径进行设计从而获得更合理的级配。先进工艺已经基本可以解决传统机制砂石粉含量多、粒形差、级配不合理的缺陷，交通工程对混凝土和易性、强度、耐久性要求较高，使用机制砂前应对制砂工艺进行优选。4.3技术补充度。（最小透光率）和垂直火焰蔓延H等8项参数，区别在于B1级技术指标要求更严格。一般来说，电线电缆中大规格（非金属材料占比较小）的低烟无卤阻燃聚烯烃类电缆以及常用的防火电缆能满足B1级要求。而对于低烟无卤阻燃类中压电力电缆，由于其绝缘为交联聚乙烯，一般不能满足B1级要求。聚氯乙烯护套或者阻燃聚烯烃类类阻燃类电缆则能满足B2级要求。如果样品未达到B2级，则判定为B3级，即普通电缆。B1、B2分级试验中测量火焰蔓延、电缆热释放及产烟特性的试验装置是基于GB/T18380.31建立[2]，同时增加了热释放和产烟特性的测试设备。与GB/T18380.32-36系列标准规定的电线电缆成束阻燃性能试验相比，电缆燃烧性能分级试验在电缆安装方式、电缆安装数量、供火时间及点火源能量等方面有不同（见表2）。另外热释放测试系统在测量试验过程中排烟管道中的二氧化碳浓度、氧浓度和烟密度的光透射强度时，这些参数受测试设备的稳定性影响较大，因此在试验之前需进行充分的预热，让进风流量以及抽风系统的风速稳定，同时注意排烟管道中气体流量的控制。

5工程应用分析

建筑内电缆燃烧性能分级在工程建设和相关标准规定中也得到越来越广泛的应用，公安部消防局曾于2018年《建筑高度大于250米民用建筑防火设计加强性技术要求（试行）》，其中规定：消防电梯和辅助疏散电梯的供电电线电缆应采用燃烧性能为A级、耐火时间不小于3.0h的耐火电线电缆，其他消防供配电电线电缆应采用燃烧性能不低于B1级，耐火时间不小于3.0h的耐火电线电缆，非消防用电线电缆的燃烧性能不应低于B1级。电线电缆的燃烧性能分级应符合现行国家标准《电缆及光缆燃烧性能分级》GB31247的规定。另外上海地方标准DGJ08—2048—2016《民用建筑电气防火设计规程》第8.2.2条要求建筑高度大于250m的建筑、建筑面积大于250000m2的高层公共建筑以及建筑面积大于40000m2的地下、半地下商店所选用的电缆，应通过现行国家标准《电缆及光缆燃烧性能分级》GB31247中的B1级试验。总体来看，《电缆及光缆燃烧性能分级》GB31247—2014标准颁布以来，应用范围还不是太广，目前仅对超高层及人员密集场所要此要求。虽然我国阻燃耐火类电缆已得到广泛应用和大量生产，我国也已多项国家标准来规定电缆及光缆的相关燃烧性能及其试验方法。但是这些方法还相对独立，GB31247—2014标准的有助于对电线电缆燃烧性能优劣的综合评价，也有助于更加科学、全面、客观地反映其在实际火灾条件下的火灾危险性，未来将在更多的工程建设及相关部门/行业标准中得到应用。

参考文献

[1]公安部四川消防研究所，等.电缆及光缆燃烧性能分级：GB31247—2014[S].北京：中国标准出版社，2015.

[2]公安部四川消防研究所，等.电缆或光缆在受火条件下火焰蔓延、热释放和产烟特性的试验方法：GB/T31248—2014[S].北京：中国标准出版社，2015.

[3]包光宏，程道彬.电缆及光缆燃烧性能分级解读：GB31247—2014[J].建筑电气，2015，34（07）：18-21.

作者:王国友 赵爽 陶军 王乐 单位:江苏苏博特新材料股份有限公司