机制砂混凝土应用研究现状及存在问题之探析

范江平

福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建 福州 350000

1 引言

机制砂是通过制砂机与其它附属设备加工而成的砂子，砂体多呈灰白色或者黑色，粒径均小于4.75mm 的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风化的颗粒，其中，粒径小于75μm 的石粉颗粒含量占据5～10%的比例，而粒径大于2.36mm和小于0.15mm 颗粒较多，砂粒外形多为方矩体或者三角体，质地较粗。由于天然河砂的过度开采，在短时间内无法再生的天然砂资源骤减，同时对自然生态环境也造成了严重破坏。因此，我国着重加大了对机制砂的研制力度，以机制砂为主要细集料的混凝土逐步应用于建筑工程与交通水利工程建设当中，并取得了理想的应用效果。

2 机制砂混凝土应用研究现状分析

2.1 机制砂对混凝土工作性能的影响

由于机制砂中，粒径在75μm 以下的石粉含量控制在10%，因此，这一级配的颗粒极易填充骨料空隙，在混凝土集料当中起到润滑作用，进而降低了骨料的需水量，通常情况下，当机制砂中的石粉含量在5～10%之间时，不用增加水量，骨料的工作性能依然良好［1］。

2.2 机制砂对混凝土力学抗压、抗折强度的影响

研究表明，机制砂混凝土较天然砂混凝土相比，强度较高，这主要是由于机制砂当中的石粉在水泥水化反应中，起到晶核的作用，使水泥水化的最终产物析出晶体，进而生成水化的碳铝酸钙。与此同时，机制砂中的石灰石粉细度越大，活性效应越明显，尤其对于粒径在0.16mm 以下的微小颗粒来说，当含量增加至20%以上时，混凝土的密实性就会受到影响，由此可见，当机制砂颗粒级配不符合标准时，在水泥含量不变的情况下，机制砂越多，混凝土的抗压强度反而会大幅降低。

此外，当机制砂细度增大时，混凝土的抗折强度也相应增大，如果在拌合混凝土过程中，增加石灰石粉的掺量，混凝土的早期强度将有所提升，但是，石灰石粉的增加量应严格控制在0～15%的范围之内，如果超过15%，混凝土的抗折强度将明显下降。

2.3 机制砂对混凝土体积稳定性的影响

在混凝土拌合过程中，如果固定水泥用量以水灰比，机制砂混凝土的弹性模量将远远高于天然砂混凝土。究其原因主要由于，机制砂质地粗糙，棱角分明，这些方矩体或者三角体颗粒在砂浆当中充当着骨架的角色，对水泥石起到稳固作用，同时，水泥石与机制砂的结合面，粘结度较大，粘结面不易产生孔隙，有效分散了内部应力。此外，机制砂中的石粉颗粒在水化产物当中起到结晶作用，使水泥石的强度增加，不易产生变形。

实验表明，机制砂中石粉含量对混凝土体积稳定性的影响数据差别较大，每一组实验结果中的影响规律也各不相同。通过与天然砂混凝土实验进行比对，随着龄期的增长干缩率早期增加明显，后期略微增加，相同龄期下随着石粉含量的增加，干缩率呈现出总体增大的趋势，当石粉含量超过12%时干缩率又有所减少。经过实验论证，当石粉含量为12%时，机制砂混凝土的收缩率最大。对于粒径小于0.075mm 的石粉颗粒来说，在混凝土拌合物当中起到增加水泥浆含量的作用，单位体积水泥浆多，混凝土的干缩率就会增大。通过选取石粉含量为（0～20%）的机制砂做混凝土干缩实验发现，混凝土的干缩率受石粉含量的影响显著，即石粉含量每增加1%，混凝土的干缩率也跟着增加1%，达到一定峰值后会相应减少。

此外，混凝土体积稳定率与混凝土的龄期也有着密切关联，龄期在14 天之内的混凝土，干缩率随着石粉含量的增加而增大，龄期在14 天之后的混凝土，干缩率以7%的石粉含量为临界点，当石粉含量大于等于7%时，随着石粉含量的增加，干缩率呈现出下降趋势，当石粉含量小于7%时，随着石粉含量的增加，干缩率呈现出增长态势，由于机制砂的石粉含量增加了混凝土早期开裂倾向，所以要加强早期养护减少开裂情况。

2.4 机制砂对混凝土耐久性能的影响

混凝土耐久性能主要表现在渗透系数的大小，当机制砂中石粉含量增加时，混凝土的渗透系数减小，混凝土的耐久性能越高。这主要由于机制砂中的石粉发挥了填充作用，阻塞了气孔，随着石粉含量的增加，气孔阻塞越加明显，因此，渗透系数越小，混凝土的抗渗性越好。

对石灰石粉取代水泥对混凝土抗渗性能的影响研究表明，机制砂中的石粉本身不属于惰性材料，但是，它却属于一种胶结材料，在混凝土拌合料当中扮演着微集料的角色，当这种微集料取代水泥后，水泥的水化产物相应减少，混凝土骨料的空隙相应增大，这就使得混凝土的密实度变差，因此，当石灰石粉取代水泥后，混凝土的渗透系数增大，抗渗性能越来越差。研究结果显示，采用外掺石粉的方法，能够有效改善混凝土的抗渗性能，抗渗透性较好［2］。如果采用内掺石粉的方法，将对混凝土的抗渗性能造成不利影响，导致混凝土耐久性能下降。

2.5 含泥量对混凝土强度的影响

通过测试不同泥粉含量对机制砂混凝土强度的影响实验结果表明：混凝土的抗压强度随着石粉含量的增加而逐渐下降，当泥粉含量由0%增加至8%时，混凝土坍落度下降超过60mm，而抗压强度则下降16.9%，这主要是由于含泥量的增加，混凝土的需水量也不断增加，此时，混凝土的黏性增强，使得强度下降。此外，当机制砂中的含泥量过高，将严重阻碍水泥的正常水化过程，机制砂表面因此形成一层覆盖膜，抑制了水泥浆体与骨料的结合，形成了强度薄弱区，导致水泥浆体与骨料之间黏结力降低，进而影响混凝土的强度。如果含泥量搅拌不均匀而形成泥团，混凝土强度恶化将更加严重。

3 机制砂混凝土应用研究过程存在的问题

目前，机制砂混凝土与天然砂混凝土相比，在性能方面还有所差别，尤其是高性能、高强度混凝土的研制情况，还需要进一步改善，比如砂率、石粉含量、是否掺用矿物细掺料及掺量的多少等，并没有取得实质性进展。同时，由于机制砂质地粗糙，表明棱角分明，这就导致混凝土的流动性较差。此外，在制备高强混凝土时，需要大量的胶凝材料，除了石粉以外，还需要添加硅粉，以提升混凝土的强度，但是，随着石粉含量的增加，需水量也相应增大，进而增加了混凝土的粘度，这样，将直接影响混凝土的各方面性能，给工程施工带来诸多不利影响。

4 结语

《关于在全省推广应用机制砂的通知》闽建建〔2014〕7 号），在全省范围内推广应用机制砂，以保护天然河砂资源，实现建材行业绿色发展。机制砂属于人造砂，无需通过开采、挖掘等作业工序，就可以直接用来制备混凝土，既节省了开采成本，同时也保护了自然生态环境，因此，机制砂混凝土具有广阔的应用前景，也必将成为各项工程建设当中的常规性原材料。