机制砂全面替代河沙可行性研究

机制砂全面替代河沙可行性研究

摘要：用机制砂全面替代河沙，是混凝土产业必然的发展方向。这不仅能解决河沙资源不足问题，机制砂作为循环再利用的绿色材料，全面替代河沙能带动混凝土产业的可持续发展。本文通过对不同石粉含量产生的混凝土性能变化进行试验研究，试验结果表明了，机制砂在C30强度的混凝土中，只要控制好石粉的含量，就可以用机制砂代替河沙作为C30混凝土的原材料，而C30混凝土中石粉的含量控制在15%能发挥最大的工作性能。

关键词：机制砂；混凝土；力学性能

引言

在我国经济的飞速发展下，很多大型的基建项目在蓬勃发展趋势下落实，如秦岭隧道、港珠澳大桥和房地产事业等，在这些大型的项目中，混凝土的使用量是非常巨大的，而在构成混凝土的主要原材料中。河沙的资源逐渐地在减少，大量的河沙采集，导致了河床松动，蓄水层被破坏，以及河水泄露等问题的发生。在国家推出的绿色循环经济发展指引下，环境的保护问题受到了人们的重视，如何节约资源，循环利用好再生资源，是目前重要的议题。在混凝土原材量中，机制砂代替天然河沙成为该行业发展的新方向，机制砂主要原料由城市垃圾、煤研石砖、石材和尾矿库等固态废料构成，如果能被大量应用，对绿色循环发展将会产生巨大推力。但随着这几年机制砂的应用增加，发现了机制砂存在着影响混凝土性能的因素，这是机制砂中石粉对混凝土产生作用导致的。这个问题是机制砂能否替代河沙作为混凝土原材料使用的关键，本文通过不同的石粉含量比例，对混凝土配比进行分析试验，让机制砂更好的替代河沙，成为混凝土中的绿色原材料[1]。

一、机制砂替代河沙性能研究

1.1试验材料

水泥：采用海螺P.042.5R水泥，烧失量为1.4%，比表面积为390m²/kg，

28d抗折强度为8.3MPa，3d抗折强度为5.7MPa，28d抗压强度为55.3MPa，3d抗

压强度为25.6MPa。细骨料：广东惠州地区机制砂，级配属于Ⅱ区，压碎指标

18.4%，细度模数2.69，堆积密度1478kg/m³，表观密度2728kg/m³，泥块含量

0.2%，石粉含量5.8%，MB值1.0，压碎指标8%。通过水洗外掺石粉的方法来控

制机制砂中石粉含量。粗骨料：广东惠州地区5~25mm石灰岩碎石，含泥量0.8%，泥块含量0.3%，针片状颗粒含量4.7%，压碎值7.8%，表观密度2700kg/m²，堆

积密度1500kg/m³。外加剂：中岩聚羧酸减水剂，减水率27%，7d抗压强度比125%，28d抗压强度比124%。水：自来水。

1.2试验方法

根据原材料的特点，并依据试验方案的要求以及现场施工条件的影响因素，

选定混凝土的强度等级为C30，石粉含量分别为3%、5%、10%、15%、20%，配合

比中的单方用水量与水胶比在整个试验过程中保持不变。

二、机制砂替代天然河砂性能可行性研究

2.1试验结果

试验C30强度混凝土在不同的机制砂石粉含量的性能变化，通过控制机制砂

中的石粉含量，使混凝土的工作性能满足使用要求。通过对工民建施工中的常用

混凝土进行工作性能测试，试验条件：湿度>50%、温度（20±2）℃。主要试验

设备：坍落度筒100mm×200mm×300mm、混凝土搅拌机HJW-60、数控磁力振动台（1×1）m²。通过调整每种配合比中机制砂的石粉含量，而其他材料的含量固定

不变，表1是拌合物的工作性能试验结果。表1的数据说明了，石粉在混凝土中

的含量会影响其坍落度，在15%这个阈值之前，含量越高坍落度越高，混凝土的

性能也是如此，因此15%为最佳的混凝土工作性能石粉含量比例，当石粉含量在

混凝土中低于3%时，泌水情况严重，存在离析现象，拌合物的工作性能较差，石

粉含量增加到5%时，泌水情况稍有缓解[2]。

表1 C30强度试验结果2.2原因分析

一定的石粉含量的C30混凝土中，石粉含量的增减影响拌合物的粘聚性，在

一定范围内，增加石粉的含量，可以使粘聚性增强。混凝土的粘聚性和保水性影

响其泌水和离析的现象，而石粉的增加，恰好能中和这个问题，减少泌水和离析

的程度。石粉的颗粒直径和水泥接近，增加石粉含量等于增加了细颗粒的比表面

积和混凝土拌合物中的粉体体积，从而导致混凝土拌合物的工作性能发生改变。

另外，由于机制砂的表面粗糙和空隙率大，会影响混凝土的工作性能，但石粉恰

好能弥补这个缺陷，而且石粉在混凝土浆体中，还能起到一定的微滚珠作用，这

在一定的程度上能提升混凝土的工作性能。而在用水量不变的情况下，随着石粉

的含量增加，石粉吸收混凝土里面的水分就越多，这样混凝土的粘稠度就会上升，而坍落度相对的降低[3]。

2.3石粉含量对混凝土抗压强度的影响分析

对工民建施工中的常用混凝土进行混凝土强度性能测试，通过控制机制砂中

的石粉含量，观察石粉对混凝土抗压强度的影响。试验条件：湿度>50%、温度

（20±2）℃。主要试验设备：坍落度筒100mm×200mm×300mm、混凝土搅拌机HJW-60、数控磁力振动台（1×1）m²、液压式压力试验机YA-2000C、标准养护室WSM-Ⅲ（20±2）℃、≥95%RH。

2.4试验结果

通过调整机制砂中的石粉含量，而混凝土配合比的其他原材料含量不变，拌

合物的工作性能试验结果如表2所示：

表2 抗压强度试验结果

根据表2的试验数据显示，C30强度的混凝土在15%的石粉含量中，7d和

28d强度表现最佳，然后不过石粉含量增加或者减少，都会对7d和28d抗压强度造成负面影响。而石粉含量的增加，会使混凝土的7d和28d抗压能力增强，到了15%这个临界点后，石粉含量的增加会导致混凝土的7d和28d抗压能力逐渐减弱。

2.5原因分析

混凝土中的内部缝隙，会被石粉颗粒填充，产生微集料效应，增加混凝土的密实程度，改善混凝土的次中心区过度层的结构，从而增加混凝土的强度。另外水泥中的铝酸三钙和硅酸三钙的水化受到石粉颗粒的影响，产生晶核作用，使水化产物增加，这让混凝土的强度得到了加强。石粉还能促进水泥水化产物之间的连接，防止了钙矾石转化成单硫型水化硫铝酸钙，主要是因为石粉中含有的碳酸钙与铝酸三钙发生了化学反应，这让水泥的结构产生了变化，更加的致密结实，提高了混凝土最终的强度。混凝土中的胶骨比影响着混凝土强度的强弱，过量的石粉会导致骨胶比产生偏移，导致离开最佳值的混凝土强度下降，所以混凝土中石粉的用量要控制好，超过了阈值，过多的石粉颗粒会破坏混凝土的微观结构。