机制砂级配调整及混凝土泵送施工质量控制
0引言
随着我国对节约自然资源，走可持续发展道路的要求日益凸显，在工程建设领域，对天然砂的开采限制越发严格，甚至有些省市已经出台政策禁止开采天然砂，使工程建设对砂的需求转向机制砂。受机制砂加工的机械设备和工艺以及矿源不同，各个料场生产的机制砂的级配也会有很大区别，而砂的级配对混凝土拌合物的工作性能特别是泵送性能及力学性能起着重要作用。LIUZhao-Lei等的研究表明，机制砂混凝土黏度越大，对泵管管壁的沿程最大压力越大，机制砂混凝土黏度与管壁压力呈正比，管道中压力最大处为混凝土入口处。Golterman等的研究表明，集料级配影响混凝土的耐久性，集料级配良好可以显著减少浆体用量，有利于降低混凝土拌合物泌水现象的发生概率，也能减少收缩的发生。
鉴于机制砂级配对混凝土性能的重要作用，我国国家标准、行业标准以及一些地方标准均对机制砂级配进行了规定。在国家标准GB/T14684—2011《建设用砂》中，对砂的分类为天然砂和人工砂，其中人工砂包含机制砂，在颗粒级配中也未对机制砂单独列出，只是在标注中给予了最小筛孔累计筛余的限制，并在用途中说明了3类砂试配的混凝土等级。但在GB/T14684—2011中，将机制砂和天然砂并列分类，并在颗粒级配中分别规定了二者的各筛孔累计筛余限制，并去掉了3类砂可以配制何种混凝土的限制。对于该内容仅在混凝土相关标准中进行规定，例如JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》以及四川省地方标准DB51/T1995—2015《机制砂桥梁高性能混凝土技术规程》中均规定配制混凝土时宜选用级配在Ⅱ区的砂。
鉴于机制砂在混凝土中应用的迫切趋势，考虑机制砂级配对混凝土泵送性能的重要作用，加之目前机制砂生产质量的差异，本研究旨在通过机制砂级配的调整，使其适应混凝土的生产和浇注应用。
1机制砂颗粒级配调研与分析
随机调研了云南地区21个机制砂加工厂的机制砂级配情况，并抽取样品进行筛分，得到21组机制砂筛分结果如表1所示。
为反映各厂家生产的机制砂能否符合GB/T14684—2011要求，将GB/T14684—2011机制砂3个分区的上下限及各机制砂级配分布情况绘制如图1所示。
由图1可以看出，这21个生产厂家生产的机制砂级配曲线各不相同，但基本分布在一个范围内。实际生产的机制砂不能满足GB/T14684—2011对机制砂3个级配区间的要求，具体表现在，4.75mm和2.36mm筛的筛余量较多，小于0.15mm筛的粉体含量较多，也即实际生产的机制砂存在“两端多，中间少”的现状。
由于各个标准对机制砂的级配要求有差异，研究又对比了实际生产的机制砂级配同公路工程行业标准以及现有各地方标准对机制砂级配上下限要求的差异。为了便于观察，将上述21组调研的机制砂级配按筛孔分别取平均值后再绘制于图2中。
观察图2中实际生产的机制砂各个筛孔累计筛余平均值的折线可以发现，2.36mm筛余量能够落在重庆地标上限和湖北地标Ⅱ区机制砂级配上限范围内，但0.15mm筛余不能落在重庆地标下限内，仅能落在湖北地标Ⅱ区机制砂级配下限范围。由此可见，实际生产的机制砂仅能满足湖北Ⅱ区机制砂级配的要求，适用范围较窄。
2机制砂级配调整方法及效果分析
为了使实际生产的机制砂能够尽量满足相关国家标准、行业标准及部分地方标准的要求，扩大实际生产机制砂的使用范围，需要对机制砂级配进行调整，研究采用过筛法，根据机制砂“两端多，中间少”的特点，将实际生产的机制砂过筛，对机制砂级配曲线进行调整。
2.1Ⅰ区砂级配调整
根据国家标准、行业标准及大多数地方标准对Ⅰ区机制砂累计筛余量10%的要求，将4.75mm筛余量控制在10%；考虑实际生产的机制砂小于0.15mm的石粉含量较多，为使该筛孔筛余量能够符合多数标准的要求，将小于该筛孔尺寸的粉体含量降低50%，重新计算各筛孔累计筛余百分比，绘制调整后的机制砂级配曲线，与各标准Ⅰ区机制砂级配上下限对比，如图3所示。
由图3可见，通过减少4.75mm筛孔筛余量，以及减少小于0.15mm筛孔粉体的百分比，可以有效调整实际生产机制砂的级配曲线，使其落在国家标准、行业标准以及现有大部分对机制砂有规定的地标的要求，扩展了机制砂的适用范围。在实际生产过程中，建议通过控制最大筛孔尺寸同时通过除尘技术去除部分小于0.15mm的粉体含量的方法，来达到调整机制砂的级配曲线落入大多数标准的Ⅰ区上下限范围内。
2.2Ⅱ区砂级配调整
与Ⅰ区砂级配调整方法相同，将4.75mm筛孔筛余量控制在0%，再将2.36mm筛孔筛余量减少50%，小于0.15mm的粉体含量减少30%，绘制实际生产机制砂调整后的级配曲线如图4所示。
由图4可以看出，调整后的机制砂级配基本落入标准中关于Ⅱ区机制砂级配上下限的范围。在实际生产过程中，对于不同的机制砂，需将4.75mm筛孔上筛余的料去除，同时去掉一定比例2.36mm筛孔上筛余料，再用除尘方法将小于0.15mm的粉体去除一定比例，即可得到符合Ⅱ区机制砂级配要求的砂。
2.3Ⅲ区砂级配调整
Ⅲ区机制砂粒径更细，从理论上调整，可以将4.75mm和2.36mm筛余均控制在0，去除80%1.18mm筛孔筛余料，再将小于0.15mm的粉体材料去除50%，绘制实际生产的机制砂级配曲线如图5所示。
由图5可以看出，从理论上，通过去除4.75mm和2.36mm筛孔上的全部机制砂，同时去除一定比例的1.18mm以上的机制砂，再用除尘方法去除一定比例的小于0.15mm的粉体，可以得到满足标准Ⅲ区级配要求的机制砂。但从实际应用角度看来，这种做法并不经济，会浪费大部分粗颗粒的机制砂。
因此，综合以上分析，建议将实际生产的机制砂调整为Ⅰ区或Ⅱ区机制砂使用，用于配制混凝土时建议使用Ⅱ区机制砂，如果用Ⅰ区机制砂配制混凝土，需增大砂率，增加水泥浆体用量，以得到满足工作性能的预拌混凝土材料。
2.4级配调整效果分析
选取21组调研结果中的第5组机制砂，将其与按2.2节所述方法进行过级配调整的机制砂分别配制C30混凝土，记为C和T，除机制砂以外的混凝土原材料及用量相同。水泥：华新P·O42.5水泥，细度（80μm方孔筛筛余）1.25%，其物理力学性能见表2；机制砂调整前后级配见表3；石：5~20mm连续级配碎石；水：自来水。C30混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（机制砂）∶m（碎石）∶m（水）=360∶876∶989∶157。
由表4可以看出，采用经过级配调整的机制砂配制混凝土，出机坍落度和扩展度均比采用未经过处理的对照组大，调整机制砂级配有利于机制砂混凝土泵送施工，经过调整后的机制砂在其他条件相同的情况下更容易泵出，不易堵管。
3机制砂混凝土泵送施工质量控制
机制砂由于棱角性以及粒径分布不同于天然砂，导致用其拌制的混凝土在泵送过程中容易发生泌水离析，从而造成泵管堵塞，影响机制砂混凝土的浇注。现有研究一般通过掺加硅灰、粉煤灰等细料以及掺加引气剂从而增加引气量等方式来提高机制砂混凝土的工作性能，弥补机制砂级配不良造成的缺陷。本研究旨在从调整机制砂材料级配的角度，从改善原材料自身性能方面提高机制砂混凝土的工作性能，从而提高可泵性。
由于机制砂存在“两端多，中减少”的特点，在混凝土配制过程中，可通过调整粗颗粒和粉体颗粒的含量来达到调控机制砂级配的目的，使其符合不同级配区间上下限要求。具体做法是：控制最大级筛孔的通过率，一般保证最大级筛孔筛余量在0～10%，同时通过除尘手段去除30%～80%的0.15mm以下的粉体颗粒，调整机制砂级配满足Ⅱ区级配的前提下配制混凝土。考虑泵送过程中，机制砂混凝土泵送堵管的原因是在泵压作用下，浆体与集料分离，发生离析泌水，使得泵送阻力增大，造成堵管。因此，可以从3个方面入手改善施工过程中泵送堵管：一是加强机制砂棱角的包裹性，改善混凝土的粘聚性，例如掺加粉煤灰、树脂以及引气剂等，使得集料和浆体不易分离；二是改善机制砂的棱角性，可以通过磨耗对机制砂粒型进行整形；三是应用本研究提出的调整机制砂级配的方法，使机制砂形成的骨架结构更加合理，从而提高预拌混凝土的坍落度和扩展度，在根本上提高混凝土的泵送性能。
4结论
研究随机调研了云南地区21个机制砂加工厂，取机制砂进行筛分试验，得到级配曲线，取平均值与国家标准、行业标准以及现行地方标准对机制砂级配所属区间进行对比分析，并通过机制砂级配调整得到满足3个级配区间上下限要求的机制砂，通过预拌混凝土测试坍落度和扩展度，验证机制砂级配调整对混凝土工作性能的影响。最后结合机制砂特点及泵送堵管原理，提出改善泵送堵管现象的方法。具体结论如下：
（1）云南地区机制砂普遍存在“两端多，中减少”的现状，也即大于2.36mm的粗颗粒多，小于0.15mm的粉体颗粒多，介于0.15mm和2.36mm之间的颗粒少。
（2）通过控制4.75mm和2.36mm筛孔通过率同时减少0.15mm筛孔以下的粉体含量，可以得到满足3个级配区间上下限要求的机制砂。
（3）与未经过级配调整的预拌机制砂混凝土相比，经过级配调整的Ⅱ区机制砂拌制的混凝土，其坍落度和扩展度均较大，混凝土的工作性能变好。
（4）通过掺加粉煤灰等细粉材料加强机制砂棱角包裹性、通过磨耗对机制砂棱角进行整型以及通过两端调整的办法改善机制砂级配，均可以提高机制砂混凝土的泵送性能。