机制砂及机制砂混凝土研究应用现状综述

2017-03-02刘贞鹏覃宏海

黑龙江交通科技 2017年2期

关键词：石粉粉体水化

刘贞鹏，王晶，陆芳，覃宏海

(广西交通职业技术学院路桥工程系，广西南宁 530216)

机制砂及机制砂混凝土研究应用现状综述

刘贞鹏，王晶，陆芳，覃宏海

(广西交通职业技术学院路桥工程系，广西南宁 530216)

鉴于机制砂与天然砂材料特性及在混凝土中应用的不同，对机制砂特性、生产工艺、质量标准，机制砂混凝土配合比设计，尤其是机制砂中石粉含量及特性对混凝土性能影响的研究应用现状进行了综述，对存在问题进行了分析。

机制砂；机制砂混凝土；现状；综述

1 引言

随着天然砂的日渐短缺，机制砂替代天然砂已成为混凝土行业可持续发展的必由之路。天然砂是自然生成、经人工开采和筛分得到的粒径小于4.75 mm的岩石颗粒，其中粒径小于0.075mm的称为泥；而机制砂主要是经除土处理，由机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75 mm的岩石颗粒，其中粒径小于0.075 mm的称为石粉。机制砂的材料特性与天然砂有很大的区别，这也使机制砂混凝土在性能表现、配合比设计及生产、施工等方面与天然砂混凝土存在较大差异。

尽管国内外已对机制砂及其在混凝土中的应用进行了众多研究，并在工程实践中得到了广泛运用，但是在机制砂生产工艺、质量标准，石粉活性、与外加剂相容性、对混凝土性能影响以及机制砂混凝土配合比设计等许多方面仍存在较大争议，本文简要地对机制砂及机制砂混凝土的研究应用现状进行了总结，对存在问题进行了分析，以期为机制砂在混凝土中的推广应用提供一些指导和启发。

2 石粉含量及特性

机制砂的生产过程中不可避免地会产生一定数量的石粉，机制砂中的石粉不同于天然砂中的泥，其矿物成分与机制砂母岩相同，主要由0.04～0.075mm的微粒组成，构成机制砂的微细级配，是机制砂的重要组成部分。石粉含量及特性对机制砂混凝土性能的影响，是机制砂混凝土研究的核心内容。

石粉对机制砂混凝土拌合物工作性的影响，目前还没有形成一致的结论，有人认为石粉增大了机制砂的比表面积，增加了需水量，对工作性不利；有人认为石粉增加了浆体，填充了颗粒间的空隙，降低了颗粒间的摩阻力，从而可以改善拌合物流动性，同时石粉还会增加浆体粘滞性，减少拌合物泌水离析现象。实际上，石粉对机制砂混凝土拌合物工作性的影响既有正效应也有负效应，石粉含量不同时，石粉的正效应与负效应大小也不同，存在一个最佳的石粉含量，但对不同强度等级混凝土而言，石粉的最佳含量不同。机制砂中适量的石粉还可以增加混凝土拌合物的密实性和稳定性，从而提高混凝土的强度和抗渗性能，对混凝土的体积稳定性也大有益处，并且石粉的存在基本不影响矿物掺合料对混凝土的作用效果。

关于石粉在水泥水化过程中是否具有活性，意见也不统一。多数人认为石粉没有活性，不参与水泥的水化反应，也有人认为石粉具有晶核效应和微弱活性，一方面石粉微粒在水泥水化过程中起晶核作用，诱导水化产物析晶，促进水泥水化；另一方面石粉本身可与C3A反应生成水化碳铝酸钙，还能抑制水化早期形成的钙矾石向单硫型硫铝酸钙转化，从而提高水泥基材料的强度，并认为石粉活性主要决定于碳酸盐矿物成分的含量，在水泥水化早期表现较为明显而后期不明显。客观来说，即便石粉并非完全惰性，也不同于活性矿物掺合料，在混凝土中更多地表现为微集料的填充效应，优化混凝土的孔结构，使混凝土更均匀，增加浆体和界面过渡区的密实性，提高混凝土强度，但当石粉含量过高时，水泥石或界面过渡区中出现游离态的石粉，则将不利于集料与水泥石的粘结，降低混凝土性能。

机制砂石粉中往往含有部分泥粉，由此导致机制砂对外加剂的反应比天然砂更为敏感，随着MB值的提高，机制砂对外加剂尤其是聚羧酸系减水剂的吸附增强，混凝土工作性及体积稳定性劣化显著，严格控制石粉中的含泥量可以提高机制砂与外加剂的适应性，这也是众多混凝土工程长期以来限制石粉含量的重要原因，在MB值满足国标要求的前提下可以适当放宽石粉含量限值。

3 机制砂特性

机制砂由机械加工而成，其材料特性与天然砂有较大不同，机制砂大多级配较差，呈现出“两头多中间少”的特点，2.36 mm以上及0.075 mm以下颗粒偏多，而水洗后又导致0.6 mm以下颗粒不足，使机制砂混凝土拌合物工作性不良。余川认为机制砂良好的级配曲线形状是拉伸的正S形，下凸形次之，拉伸的反S形和上凸形最差。

机制砂往往表面粗糙、多棱角，相同级配的机制砂棱角性及空隙率均大于天然砂，这一方面会增大混凝土拌合物的屈服应力而降低和易性，另一方面则会加强细集料与浆体的粘结而提高混凝土的强度与体积稳定性，机制砂混凝土抗压、抗拉强度均高于天然砂混凝土，干缩率小于天然砂混凝土。不过当前关于机制砂特性与机制砂混凝土性能的研究多局限于石灰岩机制砂，对其他岩性机制砂的研究较少。另外对高强高性能机制砂混凝土的研究较少，对机制砂混凝土长期性能的研究不充分，且研究成果存在争议，导致机制砂在重要混凝土工程中较少使用，这也成为制约机制砂混凝土发展的关键所在。

要解决机制砂混凝土拌合物工作性较差的问题，必须保证良好的机制砂品质，包括粒形合理、级配良好、石粉含量适宜、含泥量低等，这需要选择良好的制砂设备及合理的制砂工艺。

4 机制砂生产工艺及质量标准

天然砂的级配、细度模数等指标天然形成，较难控制，而机制砂生产可控性强，其级配、细度模数及石粉含量等指标在一定范围内均可控，但由于我国当前缺少优良制砂工艺的研究，多数机制砂生产企业工艺简单、管理水平低下，不愿增加工艺及成本对相关基本指标进行控制，机制砂普遍粒形较差、级配不良。其实机制砂与天然砂的本质区别就在于其多项指标都是可以控制并且需要控制的。

机制砂石粉中含泥量过高会影响混凝土拌合物工作性及硬化混凝土强度、耐久性，限制含泥量多数采用水洗方法，但水洗(除土处理)应在原料加工前进行，即采用水洗后的岩石加工机制砂，加工后尽可能保留和利用机制砂中的石粉，而不是加工后再盲目水洗，否则会带走很多粒径大于0.075 mm的颗粒，破坏机制砂的自然级配。

未经处理的机制砂一般含有至少10%的石粉，通常采用亚甲蓝试验定性表征石粉中含泥量的高低，规范根据MB值对石粉含量限值作了规定，最高不超过10%，尽管也注明了在试验验证的基础上，允许供需双方根据使用地区和用途协商确定，但在工程应用中，对石粉含量的这种严格规定客观上加剧了人们对石粉在机制砂混凝土中作用的误解，同时也不利于机制砂的生产及推广应用。实际上机制砂并非“越干净越好”，适量的石粉对中低强度等级混凝土是有益的。

现行国标仅对石粉含量上限作了规定，而忽略了当石粉含量过低时，机制砂混凝土拌合物极易泌水、离析，普遍认为机制砂的石粉含量存在一个最佳范围，规范可以对石粉含量给出范围值，而不是小于某个限值，同时在不同混凝土用途、不同强度等级等情况下，机制砂中石粉的最佳含量及最高限值应当有所区别，认为高强度等级混凝土中石粉含量可以采用国标的要求，而低强度等级混凝土要求10%则过于苛刻，很难满足低强度等级混凝土的配制要求。应综合石粉对机制砂混凝土性能的影响规律，更加科学合理地确定机制砂中所允许的石粉含量，同时当前规范对石粉特性的表征较为简单(粒径和MB值)，应采用多元化指标表征并探明其特性。

5 机制砂混凝土配合比设计

当前机制砂混凝土的配合比设计理论及方法还不成熟，多数还是沿用天然砂混凝土的配制方法，只是简单地通过适当提高砂率等方式改善混凝土拌合物工作性，而忽视了机制砂与天然砂之间的一些本质区别。已有一些研究者对机制砂混凝土配合比设计方法进行了积极探索，比如西南交通大学李固华教授在普通混凝土配合比设计和高性能混凝土全计算法配合比设计的基础上提出了粉体当量体积法。该方法把胶凝材料和粒径小于0.075 mm的其他材料(包括石粉)一起作为粉体，针对不同粉体对混凝土拌合物和易性的不同影响，引入当量系数的概念，即在规定的浆体稠度下，各种粉体单位体积用水量与水泥单位体积用水量之比，在计算粉体当量总体积时，粉体体积要乘以当量系数，采用合理的粉体当量总体积即可较好地解决低强度等级机制砂混凝土拌合物工作性差的问题。