贵州地区机制砂在混凝土中应用存在的问题及建议＊

蒋正武，吴建林

（ 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 200092）

0 前言

混凝土目前是人类最大宗的建筑结构材料[1,2]。砂是混凝土的主要原材料之一，包括天然砂和机制砂。目前我国砂石年产量达20亿吨以上。其中天然砂是一种地方性资源，短期内不可再生，也不利于长距离运输。随着我国基础设施建设的日益发展，由于天然砂资源逐渐短缺、价格上涨，以及山区交通不便，公路建设材料运输困难，同时出于环境保护的需要，应用机制砂替代天然砂已成为混凝土行业可持续发展的一种趋势[3]。

从20世纪60年代起，因为一些建设工程的环境条件所限，我国水电、建筑部门就开始用当地石材进行机制砂的生产工艺、技术性能和应用于混凝土的研究，并开始在工程上使用。从70年代起，我国贵州省已在建筑上大规模使用机制出砂，并制定了地方标准。以后，云南、重庆、广东、福建、浙江、河北、山西等省市都有了机制砂的生产线。几十年大量的工程实践，证明了使用机制砂在经济上是合理的，技术上是成熟的。国外，美、英、日等工业已达国家使用机制砂也有几十年的历史，将机制砂纳入其国家标准的时间至少30年以上[4,5]。

贵州地区因资源与环境的限制，机制砂一直用于各类混凝土工程中[6～9]。2008年贵州颁布了《贵州省高速公路机制砂高强混凝土技术规程》（DBJ52-55-2008）地方标准，更进一步促进了机制砂在交通工程的广泛应用。机制砂也逐渐从普通混凝土向高强、高性能混凝土中应用。

然而机制砂的材料特性与普通河砂有很大的区别，这也使得机制砂混凝土配合比设计、生产、施工等方面也存在差异。因此，本文结合贵州地区机制砂特点，分析了机制砂的品质特点及在混凝土行业中应用存在的问题，并提出相应的对策建议，以期对我国机制砂的生产、管理及混凝土行业中应用等方面起到借鉴与指导意义。

1 机制砂的品质及其在混凝土中应用中存在的问题

1.1 机制砂的级配

机制砂的级配一般呈现典型的“两头大中间小”的特点，其中大于4.75mm颗粒较多，一般2.36mm筛余可以高达40%，而小于0.075mm 的石粉颗粒可以高到10%。如果不经过处理，很难达到国家标准的要求。这主要是由机制砂的母岩品质与机制砂生产工艺所决定的。不良级配导致采用机制砂配制的混凝土较为散，需要提高砂率增强粘聚性；此外，不良级配以及级配情况不稳定，容易导致混凝土状态波动较大，保坍性差。机制砂优点在于可以进行级配调整进而确保其质量，但是增加工艺及成本导致在实际生产中很少有机制砂生产企业专门去调整级配。

1.2 机制砂的石粉含量

机制砂在生产过程中，不可避免地要产生一定量的石粉。机制砂中适量的石粉对混凝土是有益的，有适量石粉的存在，弥补了机制砂配制混凝土和易性差的缺陷，同时，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，此外有学者[10]提出石粉起到了晶核的作用，诱导水泥水化产物结晶，加速水化产物的生产，从而提高了强度。因此，在新国标中[11]，机制砂的石粉含量根据配制混凝土的强度等级分别定为3%、5%、7%。

实际工程中采用的机制砂，石粉含量一般是远远超过国标中的规定。经过大量实验表明，在机制砂的亚甲蓝MB值满足国标要求的情况下，石粉含量较高对混凝土没有明显的不利影响。对于机制砂中石粉含量应该有个正确的认识，在亚甲蓝MB值小于1.4时，可以适当放宽石粉含量的要求，没有必要为了刻意降低石粉含量而采用水洗，导致大量细颗粒流失，严重影响混凝土的工作性及强度。如果必须采用水洗工艺，可以考虑掺入一定量的粉煤灰等掺合料以弥补机制砂细颗粒较少的不足。

标准对石粉含量要求严格，尤其对高强混凝土。实践证明，适宜的石粉含量有利于混凝土的工作性与耐久性。关键是，在很多时候，因石粉中含泥量高导致混凝土拌合物性能不良，从而导致在很多混凝土工程中均限制石粉含量。

1.3 机制砂的含泥量

严格意义上来讲，含泥量指标无法用来定量表征机制砂的品质，因为在标准中，将天然砂中粒径小于75μm的颗粒定义为泥，将机制砂中粒径小于75μm的颗粒定义为石粉，通过亚甲蓝试验来检测石粉中究竟是碎石破碎过程中形成的粉末还是泥土。亚甲蓝试验时，由于膨胀性粘土矿物具有极大的比表面积，很容易吸附亚甲蓝染料，而细集料中的非粘土性矿物质颗粒的比表面积相对要小得多，且并不吸收任何可见数量的染料，亚甲蓝值表示用染料的单分子层覆盖其试样粘土部分的总表面积所需的染料量。亚甲蓝值与粘土含量乘以粘土比表面的乘积成正比。因此，亚甲蓝试验可以定性的表征机制砂中含泥量的高低。

机制砂石粉中含泥量过高的话，对混凝土是有害的，不仅影响混凝土的工作性，而且还影响混凝土的强度及耐久性，应严格限制其含量。控制机制砂中含泥量方法大多采用水洗，但在机制砂的生产过程中宜把除土处理放在原料加工前进行，例如直接采用水洗后的碎石加工机制砂，加工后尽量保留和利用机制砂的石粉。

1.4 机制砂的表面形态

机制砂的表面一般较为粗糙、棱角尖锐。机制砂的表面形态导致在相同用水量的情况下，混凝土坍落度较低，但表面粗糙有利于加强细骨料和浆体之间的粘结，研究表明，用机制砂比天然砂水灰比放大0.05 后，配制的混凝土强度不但不降，反有提高。

机制砂的表面形态受生产设备与工艺的影响较大。冲击式破碎机生产机制砂粒型呈圆型颗粒状，粒型较好，并利用圆锥破碎机对机制砂产品细碎整形，可以改善机制砂的表面形态，提高机制砂的质量。

1.5 机制砂与外加剂的匹配问题

机制砂在配制添加外加剂的混凝土时，对外加剂的反应比天然砂敏感。国内外大量研究表明，聚羧酸减水剂（PCE）对粘土非常敏感，主要是因为PCE的支链插入了粘土中，导致其在粘土表面吸附量很大，成为PCE推广应用过程中的难题。现在的解决办法主要是在PCE分子结构上增加一些对粘土选择吸附的支链，或者选择加入一些高价阳离子，使得粘土吸附饱和，从而减少对PCE分子的吸附。因此，严格控制机制砂的含泥量可以提高机制砂与外加剂的适应性。

2 机制砂生产与应用建议

2.1 机制砂生产工艺

良好的机制砂品质应是级配良好、适宜的石粉含量、含泥量低、粒形合理。要制备出良好的机制砂应选用合理的机制砂生产工艺。

机制砂制备的关键技术在于块石的破碎粉磨和洗砂除粉，生产工艺流程可分为以下几个阶段：块石→粗碎→中碎→细碎→筛分→除粉→机制砂[12～14]。在实际生产中厂家根据自己的生产形式对多级破碎进行调整，质量有好有差，差别较大，机制砂的破碎环节决定了机制砂的细度模数、级配以及颗粒形状等。此外，根据机制砂除粉的方式可以分为湿法生产和干法生产，前者是通过洗砂机水洗的办法除掉机制砂中的泥和石粉；而干法生产工艺就是通过除尘器收尘或砂石粉分离机的办法除掉机制砂中的泥和石粉，该环节对机制砂的石粉含量、含泥量以及泥块含量，甚至级配等影响较大。目前国内机制砂生产主要有3种形式[15]，一种是开矿产石的同时专门生产机制砂，质量较好，数量少；一种是在河道里用卵石生产机制砂，或配以少量天然砂生产混合砂，质量有好有差，差别较大，数量也少；再一种是利用各种尾矿生产的机制砂，其中主要是各地生产石灰石碎石后的石屑或石粉，经过简单再加工和筛分，或直接利用，质量有好有差，差别很大，数量达近万家。

目前，大多数机制砂生产工艺简单，无法确保产品品质。现阶段对于机制砂生产管理水平低下，大多仅仅是将碎石破碎后的尾矿经简单筛分后作为机制砂，不仅没有后续的除粉环节，而且也缺乏相关基本指标的检测，这也导致《建筑用砂》标准在实际生产中很难执行。加强机制砂的管理是提高其品质的关键措施，各地相关部门应该提高认识，加强生产管理，尤其是重要技术指标的控制。

2.2 机制砂混凝土配合比设计

按天然砂的规律进行混凝土配比设计[16]，机制砂的需水量大，和易性稍差，易产生泌水，特别在水泥用量少的低强度等级混凝土中表现明显；因此，采用机制砂配制混凝土时，应该适当提高砂率、增大水胶比，保证混凝土的工作性。此外，也可以将机制砂中大于4.75mm 的颗粒和部分4.75～2.36mm颗粒算作碎石组分，进行混凝土配合比设计更为妥。

另外在机制砂混凝土配合比试验调整中，也应充分考虑机制砂中石粉含量与含泥量等因素的影响。

2.3 加强机制砂混凝土在重大工程中应用示范与指导

全面推广应用机制砂混凝土的关键在于工程应用示范。相关科研机构应从工程实际需求出发，研究并制定各类混凝土工程应用施工技术指南、应用技术规程等技术文件。相关机构应在各地区的重点工程，如高速公路、桥梁、水电工程等全面推广机制砂高性能混凝土，加强整个项目的技术指导与监控，为整个混凝土行业起到很好的示范作用，从而全面提升机制砂混凝土的应用水平。

3 结语

机制砂的推广应用是混凝土行业可持续发展的必由之路。目前，贵州地区机制砂普遍存在级配不良、石粉含量高、含泥量高等特性，根本是由机制砂的生产工艺所决定。在混凝土中应用需正确认识这些材料特性对混凝土性能带来的影响，并应作出相应的调整。要大力推广机制砂，需要从各个方面加强工作：正确认识机制砂品质特点、加强机制砂混凝土应用相关的研究工作、提高机制砂产品质量与品质，加大机制砂宣传与导向，是促进机制砂在混凝土行业中健康、持续中发展应用的关键。

[1]Mehta P K, A tcin, P. C, Principles underlying production of high-performance concrete[J]. Cement, Concrete and Aggregate, 1990, 12(2): 70-78.

[2]Zhengwu Jiang, Zhenping Sun and Peiming Wang，Autogenous relative humidity change and autogenous shrinkage of high-performance cement pastes[J]，Cement and Concrete Research，35（8）, August 2005：1539-1545.

[3]徐健，蔡基伟，王稷良，等.机制砂与机制砂混凝土的研究现状[J].国外建材科技，2004,25(3)：20-24.

[4]蒋正武，石连富，孙振平.用机制砂配制自密实混凝土的研究[J].建筑材料学报，2006.4，10（2）：154-160

[5]王稷良.机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D]， 武汉理工大学， 2008.

[6]蒋正武，徐海源，王君菊.磷渣粉对机制砂混凝土的性能影响研究[J].粉煤灰.2010.10, 10-12,19

[7]Zhengwu Jiang, Shilong Mei, Properties of Self-Compacting Concrete with Machine-Made Sand and High-Volume Mineral Admixtures[J], The Open Construction and Building Technology Journal. 2008, 2, 96-102

[8]徐德成，涂胜强，刘德林.机制砂在混凝土和砂浆中的应用及机理探讨[J].工程科技.2003(2)：69-73.

[9]陈欣声.机制砂在商品混凝土中的应用[J].工程机械，2004,35(11)：74-75

[10]Zhou Mingkai, Peng Shaoming, Xu Jian, et al. Effect of Stone Powder on Stone Chippings Concrete. Journal of Wuhan University of Technology(Materials Sciences Edition), 1996, 11(4):29～34

[11]GB-T 14684-2001.建筑用砂[J].

[12]邸春福，杨文烈.机制砂的生产及在混凝土中的应用[J].混凝土，2008,(224)：113-118.

[13]李勇，龙宇.浅谈机制砂的生产及其在混凝土中的应用[J].福建建筑， 2009，(12)：56-58.

[14]周绍重，宁谢，齐广华等.利用建筑石尾矿生产人工砂的研究[J].天津建设科技. 2003，(5): 17-18.

[15]蒋正武，任启欣，吴建林等.机制砂特性及其在混凝土中应用的相关问题研究[J].新型建筑材料，2010.11,37（ 11）：1-4

[16]周大庆，道友，华耕等.机制砂高性能混凝土配合比设计的研究[J].国外建材科技.2005,26(3) ：20-23.