浅谈人工砂取代河砂在混凝土中的应用论文
1 引言
我国天然砂的产源具有地域性的区别，其资源是有限的，同时如果大量开采会造成生态环境的破坏。随着我国工程建设事业的迅猛发展，越来越多天然砂被消耗了，因此天然砂的数量和质量不断减少，随之增长的是天然砂的价格，在这种情况下，迫切需要寻求新的砂资源取代天然砂。
人工砂是一种新型的建筑用砂，在全世界范围内已经批准使用。人工砂在混凝土中的应用，不仅可以解决天然砂资源有限的问题，同时还能有效地满足混凝土的需要。在混凝土的生产过程中，合理地利用人工砂，在降低资源消耗的基础上可以有效地提高混凝土的性能，这对我国环境保护具有非常重要的意义。因此，人工砂取代河砂在混凝土中的应用，具有良好的经济效益和社会效益，符合我国国情发展的需要。
2 人工砂的基本特性
根据我国建筑用砂标准，按照砂来源的不同分成两种，分别为天然砂和人工砂。其中天然砂主要包括河砂、湖砂、山砂及淡化海砂，而人工砂主要是指经除土处理的机制砂和混合砂。机制砂主要是岩石颗粒采用机械破碎的方式制作而成，并用筛去除粒径超过4.75mm 的颗粒，但是岩石原料不采用软质岩和风化岩。人工砂具有以下几点重要的基本特性：
⑴人工砂是采用机械破碎的方式制作而成，因此颗粒表面较为粗糙，棱角较多，这会降低用人工砂拌制而成的混凝土的和易性，从而导致混凝土出现较大的泌水率，但是人工砂存在着部分石粉，这在一定程度上可以改变混凝土的工作性能。
⑵通常情况下，在同一个工程中，混凝土中所采用的人工砂和碎石往往是采用同一种母岩原料制作而成的，因此这两者的热学性能一致，在大体积混凝土中应用热学性能一致的人工砂和碎石能够提高施工效果。
⑶对人工砂的颗粒组成进行分析，颗粒粒径在2.36mm 以上的粗颗粒含量较多，颗粒粒径在0.015mm以下的细粉粒含量也较多，而中间颗粒的含量则较少。
⑷通常情况下，人工砂存在着部分石粉，石粉的存在可以有效地改善集料的级配，同时在混凝土中还可以起到润滑和填充的作用，因此能提高混凝土的工作性能，同时改善混凝土的密实度、强度以及抗渗性能。在拌和物中，石粉的存在能够提高固体粒子的总体比表面积，比表面积直接关系到混凝土拌合物的粘聚性、保水性以及离析泌水率，比表面积越大，粘聚性和保水性越大，而离析泌水率越小;同时比表面的增加，也会提高混凝土的用水量。
3 试验材料
3.1砂子
本试验中所采用的人工砂分别来自不同的石矿厂，均为碎石生产过程中所产生的下脚料。对所生产的人工砂进行分析，其结果表明，人工砂中石粉的含量较大，级配较差，不够理想，颗粒较粗，粒性特征较差。本试验中所采用的天然砂为河砂，含石率为32%，对其颗粒组成进行分析，结果表明颗粒级配一般。表1 为本工程中所采用的天然砂和人工砂的物理特性。
3.2 水泥
本试验中所采用的水泥为佛山海螺P·O42.5 水泥，其标准稠度用水量为27.2%，经过试验得到28d 抗压强度为48.6MPa，安定性满足要求。
3.3 掺合料
本试验中所采用的掺合料主要包括粉煤灰和矿粉。其中粉煤灰主要采用Ⅱ级粉煤灰，需水量比为103%，经过0.045mm 筛的筛余量为17.6%。矿粉采用的是S95 级矿渣粉，比表面积达到425m2/kg。在混凝土中按一定比例掺加这两种掺合料，可以有效改善混凝土的工作性能，同时节约水泥的用量，降低工程成本。
3.4 减水剂
本试验中所采用的减水剂为LX-9A 型高性能聚羧酸减水剂，其含固量为10%，密度为1020kg/m3，减水率为29%。
3.5 碎石
本试验中所采用的碎石级配为5～31.5mm 连续级配，压碎指标为8.6%。
4 人工砂混凝土试验配合比
通过不同配合比的试验，可以了解到在中低强度等级的混凝土中加入不同品质的人工砂代替部分河砂，会对混凝土性能和力学性能产生的影响。
5 试验结果及分析
S1-0 和S2-0 为按照两种不同的试验配合比所配制的混凝土，以此为基准，其中0 代表人工砂的替代率为0%，即砂子全部采用纯天然砂，根据泵送混凝土的要求，设计坍落度为180mm，在混凝土配制过程中通过调整用水量使每组试验均保持在相同坍落度的状态下。
5.1 新拌混凝土性能
我们可以了解到，三种采用不同品质人工砂的试样在1、2 两种不同的配合比中应用时，当人工砂的取代率在30%以下时，新拌混凝土的和易性基本没多大的改变，但是需要增加单位用水量，一般为5～15kg。从表中还可以看出，不同品种人工砂的试样均表现出随着人工砂取代率的增加，混凝土和易性变差的现象，其中RA、RC 两个试样和易性变差的现象较为明显，产生这一现象的原因是与RB 试样相比，RA和RC 两个试样所采用的人工砂较粗，级配较为不合理，因此当人工砂的取代率超过一定的比例时，混凝土内部间隙出现较为明显的增加，在此情况下，混凝土的和易性变差。而对于RB 试样而言，其所采用的人工砂的级配比RA 和RC 试样好，同时石粉的含量较为适中，这对混凝土的新拌性能有一定的改善作用。与人工砂相比，天然砂的颗粒较为光滑，因此天然砂的摩擦系数较小，当达到相同的坍落度时，天然砂的用水量最少。总而言之，不同人工砂不同替代率所拌制的混凝土差别不是很大，均能满足施工的要求。
5.2 力学性能
我们可以了解到，三种采用不同品质人工砂的试样对不同强度等级的混凝土强度的影响基本一致。当人工砂的取代率在30%以内时，混凝土的28d 强度基本不出现变化，或者出现一些增加，这表明取代率对混凝土强度的影响不大。而当人工砂的取代率达到50%时，随着混凝土和易性的变差，混凝土的强度会出现一定的降低，但是与人工砂取代率为0 的基准配合比基本持平。虽然与天然砂相比，采用三种不同品质的人工砂的混凝土在两种不同的配合比中，所采用的单位用水量均有不同程度的提高，但是随着水胶比的增加，混凝土的强度并未出现降低的趋势，而是出现了一定程度的增长，出现这一现象是因为人工砂的表面较为粗糙，能够与水泥浆体进行良好的结合，同时砂与水泥浆体结合界面之间的机械啮合力也较高，而且在人工砂中存在适量的石粉，这对混凝土起到填充的作用，不仅使混凝土中的毛细孔得到细化，而且还有效降低混凝土的孔隙比，使孔隙结构得到改善。总而言之，在不同的人工砂取代率中，当人工砂的取代率为30%，混凝土的工作性能和强度的综合水平最好。
6 对人工砂中石粉的认识
人工砂是采用机械破碎的方式制作而成，在生产的过程中不可避免地会产生一定量的石粉。人工砂中存在石粉，这是其与天然砂最明显的区别之一。石粉的粒径虽然是小于75um，但是其与天然砂中的泥具有明显的不同，包括成分和粒径，以及其所起的作用均有所不同。天然砂中存在的泥对混凝土所产生的作用是有害的，因此在混凝土施工过程中应严格控制好天然砂中泥的含量，但是人工砂中存在的石粉对混凝土所产生的作用是有利的。由于人工砂是采用机械破碎的方式制作而成的，因此人工砂颗粒的表面往往具有尖锐的棱角，这能够提高骨料与水泥之间的结合作用，但是对于混凝土的和易性而言，尖锐棱角所产生的影响是不利的，特别是在强度等级较低的混凝土中，其和易性更差，而人工砂中存在的适量的石粉，能够解决这一问题，有效地改善混凝土的和易性。此外，由于石粉的主要组成部分为粒径40～75um 的微粒，这些微粒在集料中的掺入，可以完善细骨料的`级配，对混凝土的密实性产生有利的影响，因此人工砂中石粉的存在能够有效地提高混凝土的综合性能。
7 工程应用
人工砂的应用技术试验成功之后，可以将其应用到工程建筑中商品混凝土的生产过程中。通常情况下，人工砂对于天然砂的取代率控制在30%为宜。在人工砂的应用过程中，涵盖了C15～C40 泵送混凝土。工程经验表明，人工砂在混凝土中的应用具有较好的和易性。与采用天然砂拌制而成的混凝土相比，部分采用人工砂拌制而成的混凝土更易进行振捣，在施工过程中所产生的气泡含量较少。两种混凝土的颜色之间基本不存在明显的色差，混凝土强度完全能够满足设计要求。
8 经济效益和社会效益分析
8.1 直接经济效益
经济效益分析是以C30 混凝土为例，主要是计算人工砂的取代率为30%时，混凝土原材料成本的降低情况。一般情况下，河砂的价格是80 元/t，随着时间的推移价格存在上涨的趋势，而人工砂的价格仅为40 元/t。人工砂的取代率以30%计，则可节省12 元/t，与河砂混凝土相比，人工砂混凝土存在较为明显的经济效益。
8.2 社会效益
我国天然砂资源较为有限，随着工程建设的不断发展，砂的需求量将不断上涨，而对天然砂的乱开乱采，会对生态环境造成非常严重的破坏。因此在工程建设过程中，引入人工砂取代部分天然砂是迫切需要执行的政策，这不仅能够有效地减少天然砂开采对生态环境造成的破坏，同时也能大大地节约资源，因此人工砂取代河砂具有非常显著的社会效益。
9 结论
⑴在混凝土的生产过程中，采用人工砂部分取代天然砂在满足设计和施工要求的基础上，能够有效地改善混凝土的各项性能。
⑵不同品质的人工砂对混凝土的新拌性能和力学性能具有不同程度的影响，因此在施工过程中应根据实际情况选用合适的人工砂。
⑶人工砂在混凝土中的应用具有非常显著的经济效益和社会效益，因此人工砂的使用满足我国可持续发展的需要。
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