機(jī)制砂參數(shù)及其對混凝土性能的影響

包國會，徐強(qiáng)，張麗麗

（1. 舞陽縣公路管理局，河南 舞陽 462400，2. 云南廣建混凝土有限公司，云南 昆明 650213；3. 漯河市北辰建設(shè)工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司，河南 漯河 462000）

機(jī)制砂參數(shù)及其對混凝土性能的影響

包國會1，徐強(qiáng)2，張麗麗3

（1. 舞陽縣公路管理局，河南 舞陽 462400，2. 云南廣建混凝土有限公司，云南 昆明 650213；3. 漯河市北辰建設(shè)工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司，河南 漯河 462000）

本文從機(jī)制砂的基本性能特點出發(fā)，探索機(jī)制砂母巖、亞甲藍(lán)值和石粉含量等因素對混凝土質(zhì)量的影響，為合理選擇機(jī)制砂提供一些建議，供大家參考。

機(jī)制砂；母巖；亞甲藍(lán)值；石粉含量

機(jī)制砂是由機(jī)械破碎后篩分制成的、粒徑小于 4.75mm的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖的顆粒。選擇和使用機(jī)制砂時首先要確定機(jī)制砂的巖石顆粒堅硬，不含有軟弱顆粒和風(fēng)化顆粒。

1 機(jī)制砂的基本特點

（1）機(jī)制砂是利用當(dāng)?shù)氐脑牧匣蛘呱a(chǎn)石子的下腳料，再用制砂機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，通過對制砂設(shè)備的調(diào)整生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定、級配合理的砂。用性能良好的制砂設(shè)備生產(chǎn)出來的機(jī)制砂，級配、粒形、細(xì)度模數(shù)優(yōu)良，可以全部替代河砂配制混凝土，但由于各地制砂設(shè)備和工藝的不同，生產(chǎn)的機(jī)制砂在粒形和級配上差別很大。再加上有些碎石生產(chǎn)廠家，將生產(chǎn)石子的下腳料進(jìn)行簡單的篩分，就按照機(jī)制砂出售。這種所謂的機(jī)制砂級配很不合理，一般“兩頭大，中間小”，配制的混凝土保水性差，易離析泌水。在使用制石廠的下腳料生產(chǎn)的機(jī)制砂配制混凝土?xí)r，應(yīng)采用與河砂復(fù)配的辦法調(diào)整細(xì)骨料的級配，或者適當(dāng)提高砂率并適當(dāng)降低礦物摻合料用量。

（2）目前采用制砂設(shè)備生產(chǎn)出來的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為3.0～3.5，屬于中粗砂，粗顆粒太多，<300μm 顆粒太少。從生產(chǎn)實踐的統(tǒng)計來看，機(jī)制砂中大于 2.36mm 顆粒超標(biāo)嚴(yán)重，一般超標(biāo) 15% 以上；<0.15 的顆粒超標(biāo) 10% 左右；中間顆粒（0.30～1.18mm）偏少 20% 左右，機(jī)制砂的級配勉強(qiáng)復(fù)合Ⅰ區(qū)或Ⅱ區(qū)砂的技術(shù)要求。從表觀上能看出來粗顆粒，再就是細(xì)顆粒石粉，尤其是石粉含量稍微大一些時，從遠(yuǎn)處看就是全部粉狀，造成很多混凝土生產(chǎn)廠家技術(shù)人員不敢使用。

（3）機(jī)制砂是通過制砂設(shè)備破碎而成，造成機(jī)制砂顆粒棱角較多、表面粗糙、比表面積大。造成配制混凝土?xí)r的用水量較河砂配制時的用量大，且流動性差，混凝土泌水率增加。但由于機(jī)制砂的表面粗糙，粘結(jié)力大于河砂，即使水膠比提高 0.03 左右，強(qiáng)度也不會低于河砂配制的混凝土強(qiáng)度，同時，機(jī)制砂中適量的石粉含量可以彌補(bǔ)機(jī)制砂易泌水的不足。

隨著河砂資源的日趨枯竭，機(jī)制砂設(shè)備的進(jìn)步，機(jī)制砂質(zhì)量進(jìn)一步提升，技術(shù)人員對機(jī)制砂在混凝土中使用的認(rèn)識逐漸深入，全面使用機(jī)制砂代替河砂制備混凝土?xí)鸩匠蔀楝F(xiàn)實。

2 機(jī)制砂巖性對混凝土性能的影響

2.1 機(jī)制砂母巖對混凝土工作性和強(qiáng)度的影響

采用石灰?guī)r、玄武巖和片麻巖三種巖性的母巖生產(chǎn)的機(jī)制砂配制 C20、C30 和 C50 三個強(qiáng)度等級的混凝土，試驗所用混凝土配合比見表 1，試驗數(shù)據(jù)結(jié)果見表 2。

表1　試驗用混凝土配合比 kg/m3

表2　機(jī)制砂母巖對混凝土性能的影響

從表2可以看出，不同巖性的機(jī)制砂對混凝土的工作性并沒有顯著的影響，也就是說只要機(jī)制砂母巖合格，均可以配制出工作性良好的混凝土。不同巖性的機(jī)制砂配制的混凝土，隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，混凝土的和易性也逐漸改善。

在混凝土結(jié)構(gòu)中，粗細(xì)骨料與水泥石共同作用成為一個整體，主要依靠骨料和水泥石之間的粘結(jié)力。這種粘結(jié)力主要由三部分構(gòu)成：（1）混凝土中水泥顆粒水化作用形成的水化產(chǎn)物對骨料表面產(chǎn)生化學(xué)膠結(jié)力；（2）水泥石硬化時體積收縮，對骨料握裹產(chǎn)生摩擦力；（3）由于骨料表面凹凸不平，骨料與水泥石之間的機(jī)械咬合作用而形成擠壓力。一般來說，混凝土的強(qiáng)度與三個因素有關(guān)，即水泥石的強(qiáng)度、粗細(xì)骨料的強(qiáng)度以及水泥石和粗細(xì)骨料之間的粘結(jié)力（過渡區(qū)強(qiáng)度）。粘結(jié)力的大小與混凝土的抗壓強(qiáng)度成正比關(guān)系。從表2的試驗結(jié)果來看，不同巖性機(jī)制砂配制的混凝土各齡期強(qiáng)度均相差不大，由此可見，機(jī)制砂的巖性不是影響混凝土強(qiáng)度的根本因素。

2.2 麻剛砂對混凝土性能的影響

在不同的地區(qū)，商品混凝土生產(chǎn)采用的機(jī)制砂由于母巖的差異，使得機(jī)制砂的質(zhì)量存在一定的差異。即使是同一機(jī)制砂廠家生產(chǎn)的機(jī)制砂，在不同的批次也會出現(xiàn)細(xì)度模數(shù)、石粉含量以及亞甲藍(lán)值等技術(shù)指標(biāo)的差別。造成在混凝土配合比不變的情況下，混凝土質(zhì)量出現(xiàn)波動，使得混凝土質(zhì)量的控制難度加大。因此，很多商品混凝土企業(yè)技術(shù)人員把機(jī)制砂和天然河砂復(fù)合使用，以穩(wěn)定混凝土質(zhì)量。

麻剛砂是使用風(fēng)化的麻剛石（圖 1）進(jìn)行機(jī)械破碎形成的一種顆粒形狀滿足機(jī)制砂要求的風(fēng)化砂，顏色常呈暗紅褐色、黃褐色、紅褐色，顆粒表面有白色石灰類的物質(zhì)，用手可將白色物質(zhì)捻成粉狀，部分較大的風(fēng)化顆粒可以用手掰開。麻剛砂粗顆粒棱角分明，用手搓有錐刺感，級配分布明顯呈現(xiàn)大于 2.36mm 和小于 0.30mm 的顆粒較多，中間顆粒較少。用風(fēng)化石和麻剛石生產(chǎn)的機(jī)制砂，含有較多的松軟顆粒和風(fēng)化顆粒，對混凝土的工作性、強(qiáng)度和耐久性將產(chǎn)生不利的影響。分別采用河砂與麻剛砂作為細(xì)骨料，配制 C30 混凝土（配合比見表 3），并對比兩種混凝土的性能（表 4）。

圖1　風(fēng)化的麻剛石

表3　C30 混凝土配合比 kg/m3

表4　河砂和麻剛砂對混凝土性能的影響

從試驗結(jié)果可以看出，使用麻剛砂生產(chǎn)的混凝土坍落度損失較快，1h 坍落度損失 90mm，擴(kuò)展度全部損失，混凝土失去流動性；麻剛砂配制的混凝土各齡期的強(qiáng)度均低于河砂配制的混凝土強(qiáng)度，而且隨著混凝土齡期的增加這種差距逐漸增大；麻剛砂配制的混凝土碳化深度明顯大于同齡期河砂配制的混凝土碳化深度，且隨著齡期的增長，差別越來越大。

3 影響機(jī)制砂中亞甲藍(lán)值的因素

亞甲藍(lán)值是機(jī)制砂的一項重要指標(biāo)，國家標(biāo)準(zhǔn)對亞甲藍(lán)值進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，如 GB/T 14684—2011《建筑用砂》規(guī)定機(jī)制砂的亞甲藍(lán)值<1.4，當(dāng)亞甲藍(lán)值≥1.4 時，配制高強(qiáng)混凝土?xí)r應(yīng)嚴(yán)格限制石粉含量。

3.1 母巖巖性對機(jī)制砂亞甲藍(lán)值的影響

我國幅員遼闊，不同類型的巖石呈帶狀分布，機(jī)制砂生產(chǎn)廠家大多就地取材，而生產(chǎn)機(jī)制砂的母巖對機(jī)制砂的 MB值有沒有影響，影響情況如何？針對這一問題，采用六種常見的母巖生產(chǎn)的機(jī)制砂，石粉含量均為 7%，檢測其亞甲藍(lán)值，經(jīng)試驗檢測（表 5）發(fā)現(xiàn)母巖對 MB 值的影響很小，在生產(chǎn)過程中完全可以忽略母巖巖性對 MB 值的影響。

表5　機(jī)制砂巖性對亞甲藍(lán)值的影響

3.2 機(jī)制砂的石粉含量對亞甲藍(lán)值的影響

機(jī)制砂的母巖巖性對亞甲藍(lán)值雖然略有影響，但影響較小，完全可以忽略。采用石灰石生產(chǎn)的機(jī)制砂，觀察石粉含量的變化對機(jī)制砂亞甲藍(lán)值的影響。從表6中可以看出，機(jī)制砂的石粉含量從 7% 增加到 25%，該機(jī)制砂的亞甲藍(lán)值由 0.30 增大到 0.80，機(jī)制砂的亞甲藍(lán)值隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加而變大。即使石粉含量增加到 25%，亞甲藍(lán)值為0.80，也遠(yuǎn)小于國標(biāo)規(guī)定的 1.4。由此可見，機(jī)制砂中的石粉對亞甲藍(lán)的吸附量很小，機(jī)制砂的石粉含量不是影響亞甲藍(lán)值的主要因素。

表6　石灰石粉含量對機(jī)制砂亞甲藍(lán)值的影響

3.3 泥粉含量對亞甲藍(lán)值的影響

通過上文的分析，可以看出機(jī)制砂的母巖巖性和石粉含量都不是影響機(jī)制砂亞甲藍(lán)值的主要因素，為了了解泥粉含量對機(jī)制砂亞甲藍(lán)值的影響，選擇一種石粉含量為 7% 的機(jī)制砂，分別添加不同摻量和不同種類的泥粉，觀察機(jī)制砂亞甲藍(lán)值的變化情況（表 7）。

表7　泥粉含量對機(jī)制砂亞甲藍(lán)值的影響

從表7可以看出，在機(jī)制砂中添加泥粉，隨著泥粉含量的增加，亞甲藍(lán)值有較大幅度的增大；試驗中采用的三種泥粉，在添加泥粉含量相同的情況下，雖然對亞甲藍(lán)值影響的程度不同，但對亞甲藍(lán)的吸附作用均大于機(jī)制砂母巖變化和石粉含量變化的影響，因此，泥粉含量的變化是影響亞甲藍(lán)值變化的主要因素。機(jī)制砂的石粉和泥粉雖然粒徑都小于75μm 顆粒，但兩者對混凝土的作用是絕對不能等同的。

綜合亞甲藍(lán)值影響因素的分析可以看出，亞甲藍(lán)值主要是測定機(jī)制砂中粒徑小于 75μm 的顆粒是石粉還是泥粉。

4 機(jī)制砂中石粉含量對混凝土性能的影響

在生產(chǎn)機(jī)制砂的過程中不可避免地產(chǎn)生粒徑小于 75μm顆粒，這些顆粒既可能是石粉也可能是泥粉。石粉和泥粉是兩種截然不同的物質(zhì)，石粉和泥粉粒徑都比較小，在混凝土漿體中可以起到填充作用，但二者的結(jié)構(gòu)完全不同，石粉結(jié)構(gòu)密實，對水僅存在表面物理吸附，而泥粉是類似于海綿的層狀松散結(jié)構(gòu)，吸水率較高，吸附水后通常會發(fā)生膨脹，進(jìn)而影響混凝土強(qiáng)度和耐久性；其次泥粉的主要成分為蒙脫石、伊利土和高嶺土等，對外加劑有強(qiáng)烈的吸附作用，石粉通常是機(jī)制砂生產(chǎn)過程中形成的細(xì)小顆粒，與母巖化學(xué)性質(zhì)一致，對外加劑吸附較低。泥粉與石粉雖然粒徑比較相近，但二者存在本質(zhì)的區(qū)別，對混凝土產(chǎn)生的影響也大相徑庭，隨著機(jī)制砂中泥粉含量的增加，泥粉吸附水和外加劑的能力相應(yīng)增加，混凝土用水量提高且坍落度損失加快。當(dāng)泥粉含量較大時，也會對混凝土的強(qiáng)度、抗凍性、抗?jié)B性等耐久性能產(chǎn)生不利的影響。

4.1 機(jī)制砂中石粉對混凝土工作性的影響

石粉的粒徑小于 75μm，在一定程度上可以看作是一種惰性礦物摻合料，機(jī)制砂中的石粉可以調(diào)整膠凝材料的級配，尤其是在水泥細(xì)度較細(xì)的情況下造成膠凝材料中缺少45～75μm 的顆粒，機(jī)制砂石粉可以有效補(bǔ)充這一部分顆粒，改善膠凝材料體積的空隙率。使用表3的 C30 配合比，驗證機(jī)制砂中石粉含量對混凝土工作性能的影響，結(jié)果見表 8。

表8　不同石粉含量對混凝土性能的影響

在商品混凝土生產(chǎn)過程中應(yīng)根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級的變化選擇合適石粉含量的機(jī)制砂。石粉含量太少起不到增加漿體體積改善工作性，降低混凝土泌水、離析的目的；石粉含量也不宜過高，過高造成需水量增加，混凝土工作性下降。因此要把握一個度，不能太高也不能太低，控制在一個合適的范圍[1]。對于強(qiáng)度等級低于 C30 的混凝土，膠凝材料較少，機(jī)制砂中含有 10%～15% 的石粉可以補(bǔ)充膠凝材料，增加漿體量，改善混凝土的和易性；但對于強(qiáng)度等級高于 C60的混凝土而言，混凝土本身的膠凝材料較多，混凝土黏度較大，應(yīng)適當(dāng)控制石粉含量，降低混凝土黏度，石粉含量宜控制在7%～10%；強(qiáng)度等級大于 C80 的超高強(qiáng)混凝土的石粉含量應(yīng)低于 3%～5%。

4.2 機(jī)制砂中石粉對混凝土力學(xué)性能的影響

機(jī)制砂的石粉含量對混凝土抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響，對于某一強(qiáng)度等級混凝土來說，隨著機(jī)制砂石粉含量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度先增加后降低（見圖 2）。

圖2　機(jī)制砂石粉含量對混凝土抗壓強(qiáng)度影響[2]

這是由于機(jī)制砂的石粉含量在混凝土中主要起到兩個方面的作用：一方面，少量的機(jī)制砂可以有效填充水泥石與骨料之間的空隙，提高混凝土密實度，隨著機(jī)制砂含量的增加表現(xiàn)出混凝土強(qiáng)度隨之增加；另一方面，隨著機(jī)制砂石粉含量的增加，當(dāng)石粉含量超過該強(qiáng)度等級最佳含量時，會對混凝土的顆粒級配產(chǎn)生不利的影響，再加上石粉的比表面積過大，會造成混凝土的需水量變大，和易性變差。因此，對于中低強(qiáng)度等級的混凝土而言，機(jī)制砂的石粉含量存在一個最佳值[3]，可由下式計算得出：

mw/(mc+ms·x)=0.4

式中：

mw——用水量，kg/m3；mc——水泥用量，kg/m3；ms——砂用量，kg/m3；

x——代表石粉最佳含量的推測值，%。

4.3 機(jī)制砂中石粉含量對混凝土抗?jié)B性能的影響

機(jī)制砂中的石粉可以有效改善混凝土材料的顆粒級配，降低混凝土材料的空隙率，阻止水泥水化過程中產(chǎn)生的毛細(xì)孔，石粉含量越大，阻斷透水通道的能力越強(qiáng)，越有利于改善混凝土的抗?jié)B性能；另一方面，石粉比表面積較大可以有效改善中低強(qiáng)度混凝土的黏聚性和保水性，提高抗離析能力，降低水泥石的微觀缺陷。

4.4 機(jī)制砂石粉含量對抗裂性的影響

機(jī)制砂石粉含量的增加將使混凝土的收縮增大，不利于混凝土塑性開裂的控制。對于低強(qiáng)度等級混凝土而言，機(jī)制砂石粉含量超過 10% 后，隨著石粉含量的增加，混凝土裂縫產(chǎn)生的時間提前，裂縫的條數(shù)和寬度增加。而對于高強(qiáng)度等級的混凝土機(jī)制砂石粉含量超過 7% 以后，混凝土抗裂性變差的情況更加明顯。

5 結(jié)論

（1）機(jī)制砂的特征表現(xiàn)為：級配不合理，“兩頭大、中間小”，細(xì)度模數(shù)偏大、棱角較多、比表面積大。在使用機(jī)制砂生產(chǎn)混凝土?xí)r，應(yīng)適當(dāng)提高砂率和用水量。在生產(chǎn)過程中采用機(jī)制砂預(yù)濕技術(shù)，克服因其吸水造成的坍落度損失。

（2）不同母巖生產(chǎn)的機(jī)制砂對混凝土強(qiáng)度和工作性影響不大，而機(jī)制砂中的松散顆粒是造成混凝土質(zhì)量下降的主要原因。

（3）母巖的品種和石粉含量的大小對亞甲藍(lán)值的影響較小，明顯小于泥粉對亞甲藍(lán)值的影響。泥粉是影響亞甲藍(lán)值的首要因素，泥粉對混凝土的不利影響在使用機(jī)制砂的過程中應(yīng)同樣給予重視。

（4）機(jī)制砂的石粉含量應(yīng)根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級進(jìn)行選擇，低強(qiáng)度等級混凝土膠凝材料較少，可以選擇石粉含量較大的機(jī)制砂，而高強(qiáng)度等級混凝土應(yīng)選擇石粉含量較小的機(jī)制砂。適宜石粉含量的機(jī)制砂可以提高混凝土的強(qiáng)度、工作性、抗?jié)B性和抗裂性。

[1] 李北星，周明凱，蔡基偉．機(jī)制砂中石粉對不同強(qiáng)度等級混凝土性能的影響研究[J]．混凝土，2008.07: 51-54．

[2] 張如林，陳玉前，劉書童．機(jī)制砂石粉含量對混凝土的性能影響研究[J]．混凝土，2016.03: 84-85．

[3] 王雨利，王衛(wèi)東，周明凱．中低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土石粉含量確定的研究[J]．2012.10: 154-157．

［通訊地址］河南省舞陽縣（人民路中段）公路管理局

（462400）

包國會（1968—），主要從事混凝土路面施工及項目管理工作。