机制砂在混凝土中的应用研究进展

邓芳芳

摘 要：近年来我国基础设施建设日益发展，致使天然砂严重短缺，造成了一系列社会问题和环境问题。机制砂具有的石粉岩性、颗粒级配、颗粒形状和石粉等特征与天然砂不同，使其对混凝土性能具有特定的影响，本文从分析机制砂的特性出发，概述了国内外研究机制砂特性对混凝土工作性能、力学性能、体积稳定性、耐久性的影响及其作用机理。

关键词：机制砂 岩性 颗粒形状 颗粒级配 石粉含量

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（a）-0078-03

Abstract：In recent years， with the growing development of infrastructure， the lack of natural sand results in a series of social and environmental issues. The lithology， particle gradations and shapes and stone powder of the machine made sand are different from the natural sand， and there are specific effects on the concrete properties. Starting from the properties of machine-made sand， this paper concluded the research of effects and mechanisms of machine-made sand properties on the concrete workability， mechanical property， dimensional stability and durability.

Key Words：Machine-made sand； Iithology； Particle shape； Particle graduation； Stone powder content

随着我国基础设施建设的日益发展，砂的用量逐渐增加，一方面天然砂作为地方性资源，短期是不可再生，使其资源逐渐短缺、价格上涨，另一方面国家对生态保护力度加大，天然砂的开采逐渐受到了限制[1]。机制砂代替天然砂生产混凝土已成为一种趋势。机制砂在国外的研究开展得较早。国外早在20世纪60年代就开始生产并使用机制砂，而国内则晚了十年才有了第一条机制砂生产线。机制砂主要应用在贵州、云南、湘西等山地地区，这些地区天然砂储量较小，矿石资源丰富，若就地取材既降低了工程成本，工程质量也得到保证，资源利用率提高，为在混凝土中规模、科学地应用机制砂奠定了基础。

机制砂包括机械破碎而来的机制砂，也包括天然砂中掺入一定比例的机制砂。《建设用砂》（GB/T14684-20141）定义机制砂是指用岩石经出土开采、机械破碎、筛分制成的，粒径小的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。机制砂不同于天然砂是由岩石机械破碎而来，可以通过控制機器的各种参数，人为地控制和调整级配和质量[2]。机制砂的特点集中表现为以下几点。第一，机制砂由于机械破碎，其表面棱角较多，不光滑。第二，机制砂的成分和其母岩成分一致，化学性质一致，呈黑色或者灰色。第三，其细度模数与内部石粉含量有较大关系。第四，机制砂生产中会产生石粉是不可避免的。

1 机制砂的特性

1.1 机制砂石粉岩性

一般认为石粉在混凝土中充当惰性填充材料，不参与水泥水化反应，但是，随着材料科学的发展，建筑材料工作者越来越认识到细集料对混凝土的重要性。细集料不仅对混凝土的强度，稳定性等方面会产生影响。Gkakali[3]等人对水泥成分进行筛分，选择单矿组分来添加石灰石粉进行研究，结果显示28d水化产物出现变化，有新相产生。Bonavetti[4]等人使用比表面积为400m2/kg的石灰石粉作掺和料，进行研究，发现在低水灰比时，随石灰石粉掺量增大，水泥水化程度增加，水灰比较大时，随其掺量增加，水化产物体积分数增大。Bonavetti[5]研究了石灰石粉、石英粉、花岗岩石粉对水泥胶砂的影响，研究天然砂加入0%～20%的石粉对其各龄期强度的影响，结果表明石英粉可以增大胶砂的抗压强度、花岗岩石粉对胶砂抗压强度作用无明显规律、石灰石粉会增大胶砂试件早期的抗压强度。杨松玲等[6]对辉绿岩石粉在水泥水化过程进行了研究，结果并未在辉绿岩石粉表面发现新的水化产物。

1.2 机制砂颗粒形状

在混凝土形成过程中砂石体积占砼总体积的80%，而砂的体积则会占到20%～40%[7]。砂的特性对混凝土的工作性、强度及耐久性能都有影响。天然砂由于其形成因素作用，砂粒长期受到滚动、风化、磨蚀等作用，其颗粒表面圆润[8]，用这样的砂制成的混凝土工作性能优良。颗粒的形状会影响混凝土的孔隙结构，与天然砂相比，机制砂棱角多，其堆积后的结构孔隙较大，这些孔隙需要浆体来填充，增大混凝土的用水量，而这些棱角相互咬合搭接则会增大混凝土的抗折抗压强度[9]。Shilstone[10]研究得出2.36mm粒级的颗粒是影响混凝土性能的重要因素，通过使用数字图象处理的方法，对颗粒的最大粒径、圆度、长宽比等将颗粒的特征进行了定量分析。董瑞[11]使用IPP 6.0软件用于机制砂与河砂2.36mm粒级的颗粒特征分析，其结果表明机制砂圆形度要低于河砂。

1.3 机制砂级配

机制砂颗粒级配会对混凝土性能产生影响，Golterman[12]研究表明连续分布的颗粒使骨料堆积密实度增加，混凝土的密实程度增大，孔隙率降低，抗渗性提高，级配好的集料，各级体积充填均匀，使得所需的浆体少，这就可以减少混凝土的泌水和收缩，若集料中某一级配缺失，混凝土的各向性能都会降低。细集料太粗则会导致泌水，太细则会导致用水量增大，这些都不利于混凝土耐久性能。对混凝土来说，当集料中粗骨料含量较多时，混凝土干缩减小，但会增大浆体的微裂纹，从而对混凝土产生劣化。

1.4 机制砂石粉含量

在天然砂中，将粒径不大于0.75mm的颗粒称为泥粉，这些物质由于颗粒较小，比表面积较大，会增大混凝土的用水量，并且会抑制水泥水化，降低界面过渡区的性能，使其粘结力降低。所以国际上都严格限制砂中泥粉的含量。但对于机制砂中小于75μm颗粒，其为母岩破碎而来的细颗粒，其成分与泥粉完全不同。美国ASTM针对机制砂中含粉的现状给出机制砂粉量限值在3%～7%。GB/T 14684—2001《建筑用砂》规定C30以下含量为7%、C30-C60的含量为5%、高于C60的含量为3%。

2 机制砂特性对混凝土性能的影响

2.1 工作性能

机制砂石粉含量对其混凝土工作性能的影响目前说法尚不统一。研究认为[8]，与河砂相比，机制砂中石粉含量增加使得混凝土的需水量随之增加，导致新拌混凝土粘稠度增大，从而降低了其工作性能。吴明威等[13]研究了机制砂石粉对混凝土工作性能的影响，结果表明石粉在拌和期间为惰性掺和料，其颗粒刚好补充了混凝土的细微结构，粉体的表面积增加，混凝土抗离析和泌水能力提高，且石粉可以增大浆体含量，进而改善混凝土和易性。郑金炎[14]通过大量工程实际总结得出，石粉在混凝土中存在一个限值，超过限值混凝土需水量增大，浆体粘稠增加，强度及耐久性能降低。李亚杰[15]则认为混凝土中石粉含量应控制在6%～12%之间，用量过少则会使混凝土粘聚性降低，过多则会使混凝土需水量增大，且降低混凝土性能。陈家珑[16]认为石粉中70%颗粒分布集中在16μm以上，这个粒径并不会破坏界面过渡区的性能，而且其会填充混凝土的细微结构。

2.2 力学性能

研究表明[17]，机制砂混凝土的抗压强度高于河砂。李北星[18]研究表明混凝土的抗压强度与机制砂的粗糙度正相关，抗折强度与机制砂的压碎值负相关。Mohamed[19]研究了不掺外加剂条件下石粉对混凝土强度的影响，得出石粉会提高机制砂混凝土的抗压强度。李兴贵[20]研究表明，石粉含量超过20%时，其含量过高，机制砂的级配不良，混凝土密实度下降，且机制砂中相对应的粗颗粒减少，混凝土的“次骨架”结构遭到削弱，所以水泥含量不变情况下，过多的石粉会降低混凝土的抗压强度。

2.3 耐久性性能

研究表明，机制砂石粉可提高混凝土的粘聚性和保水性，并且可以改善混凝土界面的粘结，改善界面过渡区的水胶比，提高界面过渡区的粘结强度。李北星[18]研究认为，混凝土的耐磨性与砂中SiO2含量的相关性不大，而与机制砂粗糙度、压碎值有关，在压碎值不大于17%的情况下，利用石灰岩机制砂配制耐磨路面混凝土是完全可行的；在同等强度下，掺入适量粉煤灰不会影响机制砂混凝土路面的耐磨性。Bonavetti等[4]研究了石粉含量对胶砂抗渗性能的研究，结果表明，石粉含量增大，胶砂抗渗性也增大。有许多研究者认为[21]机制砂混凝土的抗冻性能差，首先是因为，机制砂在制作过程中由于机器的冲击，其表面有很多微裂缝，这些裂缝吸水后产生冻胀，会对混凝土的强度产生劣化。其次，机制砂的微裂缝吸水后会形成更多毛细孔，从而会使混凝土的抗冻能力降低。

3 结论与展望

机制砂的推广能够解决天然砂资源的枯竭，减少天然砂的开采，有利于环境保护，降低砂浆和混凝土生产成本，对机制砂的应用研究具有经济、环保和社会等多种效益。目前对机制砂的研究更多在于确定其石粉的最佳含量，未深入系统的对石粉岩性、粒径级配、颗粒形状等因素与混凝土性能之间关系进行研究；也未能对这些关系提出量化、方便、统一、利于评估的指标。研究机制砂的生产工艺对于生产优质机制砂是必不可少的条件，如何控制机械生产出级配好，石粉含量低，颗粒形状饱满的机制砂对推广其运用具有重要意义。分析机制砂对混凝土性能的影响时，能够从经济环境等方面做出定量化的评估也对促进机制砂的推广运用具有重要作用。

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