機制砂及機制砂混凝土研究應用現狀綜述

劉貞鵬，王 晶，陸 芳，覃宏海

(廣西交通職業技術學院 路橋工程系，廣西 南寧 530216)

機制砂及機制砂混凝土研究應用現狀綜述

劉貞鵬，王 晶，陸 芳，覃宏海

(廣西交通職業技術學院 路橋工程系，廣西 南寧 530216)

鑒于機制砂與天然砂材料特性及在混凝土中應用的不同，對機制砂特性、生產工藝、質量標準，機制砂混凝土配合比設計，尤其是機制砂中石粉含量及特性對混凝土性能影響的研究應用現狀進行了綜述，對存在問題進行了分析。

機制砂；機制砂混凝土；現狀；綜述

1 引 言

隨著天然砂的日漸短缺，機制砂替代天然砂已成為混凝土行業可持續發展的必由之路。天然砂是自然生成、經人工開采和篩分得到的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，其中粒徑小于0.075mm的稱為泥；而機制砂主要是經除土處理，由機械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，其中粒徑小于0.075 mm的稱為石粉。機制砂的材料特性與天然砂有很大的區別，這也使機制砂混凝土在性能表現、配合比設計及生產、施工等方面與天然砂混凝土存在較大差異。

盡管國內外已對機制砂及其在混凝土中的應用進行了眾多研究，并在工程實踐中得到了廣泛運用，但是在機制砂生產工藝、質量標準，石粉活性、與外加劑相容性、對混凝土性能影響以及機制砂混凝土配合比設計等許多方面仍存在較大爭議，本文簡要地對機制砂及機制砂混凝土的研究應用現狀進行了總結，對存在問題進行了分析，以期為機制砂在混凝土中的推廣應用提供一些指導和啟發。

2 石粉含量及特性

機制砂的生產過程中不可避免地會產生一定數量的石粉，機制砂中的石粉不同于天然砂中的泥，其礦物成分與機制砂母巖相同，主要由0.04～0.075mm的微粒組成，構成機制砂的微細級配，是機制砂的重要組成部分。石粉含量及特性對機制砂混凝土性能的影響，是機制砂混凝土研究的核心內容。

石粉對機制砂混凝土拌合物工作性的影響，目前還沒有形成一致的結論，有人認為石粉增大了機制砂的比表面積，增加了需水量，對工作性不利；有人認為石粉增加了漿體，填充了顆粒間的空隙，降低了顆粒間的摩阻力，從而可以改善拌合物流動性，同時石粉還會增加漿體粘滯性，減少拌合物泌水離析現象。實際上，石粉對機制砂混凝土拌合物工作性的影響既有正效應也有負效應，石粉含量不同時，石粉的正效應與負效應大小也不同，存在一個最佳的石粉含量，但對不同強度等級混凝土而言，石粉的最佳含量不同。機制砂中適量的石粉還可以增加混凝土拌合物的密實性和穩定性，從而提高混凝土的強度和抗滲性能，對混凝土的體積穩定性也大有益處，并且石粉的存在基本不影響礦物摻合料對混凝土的作用效果。

關于石粉在水泥水化過程中是否具有活性，意見也不統一。多數人認為石粉沒有活性，不參與水泥的水化反應，也有人認為石粉具有晶核效應和微弱活性，一方面石粉微粒在水泥水化過程中起晶核作用，誘導水化產物析晶，促進水泥水化；另一方面石粉本身可與C3A反應生成水化碳鋁酸鈣，還能抑制水化早期形成的鈣礬石向單硫型硫鋁酸鈣轉化，從而提高水泥基材料的強度，并認為石粉活性主要決定于碳酸鹽礦物成分的含量，在水泥水化早期表現較為明顯而后期不明顯?？陀^來說，即便石粉并非完全惰性，也不同于活性礦物摻合料，在混凝土中更多地表現為微集料的填充效應，優化混凝土的孔結構，使混凝土更均勻，增加漿體和界面過渡區的密實性，提高混凝土強度，但當石粉含量過高時，水泥石或界面過渡區中出現游離態的石粉，則將不利于集料與水泥石的粘結，降低混凝土性能。

機制砂石粉中往往含有部分泥粉，由此導致機制砂對外加劑的反應比天然砂更為敏感，隨著MB值的提高，機制砂對外加劑尤其是聚羧酸系減水劑的吸附增強，混凝土工作性及體積穩定性劣化顯著，嚴格控制石粉中的含泥量可以提高機制砂與外加劑的適應性，這也是眾多混凝土工程長期以來限制石粉含量的重要原因，在MB值滿足國標要求的前提下可以適當放寬石粉含量限值。

3 機制砂特性

機制砂由機械加工而成，其材料特性與天然砂有較大不同，機制砂大多級配較差，呈現出“兩頭多中間少”的特點，2.36 mm以上及0.075 mm以下顆粒偏多，而水洗后又導致0.6 mm以下顆粒不足，使機制砂混凝土拌合物工作性不良。余川認為機制砂良好的級配曲線形狀是拉伸的正S形，下凸形次之，拉伸的反S形和上凸形最差。

機制砂往往表面粗糙、多棱角，相同級配的機制砂棱角性及空隙率均大于天然砂，這一方面會增大混凝土拌合物的屈服應力而降低和易性，另一方面則會加強細集料與漿體的粘結而提高混凝土的強度與體積穩定性，機制砂混凝土抗壓、抗拉強度均高于天然砂混凝土，干縮率小于天然砂混凝土。不過當前關于機制砂特性與機制砂混凝土性能的研究多局限于石灰巖機制砂，對其他巖性機制砂的研究較少。另外對高強高性能機制砂混凝土的研究較少，對機制砂混凝土長期性能的研究不充分，且研究成果存在爭議，導致機制砂在重要混凝土工程中較少使用，這也成為制約機制砂混凝土發展的關鍵所在。

要解決機制砂混凝土拌合物工作性較差的問題，必須保證良好的機制砂品質，包括粒形合理、級配良好、石粉含量適宜、含泥量低等，這需要選擇良好的制砂設備及合理的制砂工藝。

4 機制砂生產工藝及質量標準

天然砂的級配、細度模數等指標天然形成，較難控制，而機制砂生產可控性強，其級配、細度模數及石粉含量等指標在一定范圍內均可控，但由于我國當前缺少優良制砂工藝的研究，多數機制砂生產企業工藝簡單、管理水平低下，不愿增加工藝及成本對相關基本指標進行控制，機制砂普遍粒形較差、級配不良。其實機制砂與天然砂的本質區別就在于其多項指標都是可以控制并且需要控制的。

機制砂石粉中含泥量過高會影響混凝土拌合物工作性及硬化混凝土強度、耐久性，限制含泥量多數采用水洗方法，但水洗(除土處理)應在原料加工前進行，即采用水洗后的巖石加工機制砂，加工后盡可能保留和利用機制砂中的石粉，而不是加工后再盲目水洗，否則會帶走很多粒徑大于0.075 mm的顆粒，破壞機制砂的自然級配。

未經處理的機制砂一般含有至少10%的石粉，通常采用亞甲藍試驗定性表征石粉中含泥量的高低，規范根據MB值對石粉含量限值作了規定，最高不超過10%，盡管也注明了在試驗驗證的基礎上，允許供需雙方根據使用地區和用途協商確定，但在工程應用中，對石粉含量的這種嚴格規定客觀上加劇了人們對石粉在機制砂混凝土中作用的誤解，同時也不利于機制砂的生產及推廣應用。實際上機制砂并非“越干凈越好”，適量的石粉對中低強度等級混凝土是有益的。

現行國標僅對石粉含量上限作了規定，而忽略了當石粉含量過低時，機制砂混凝土拌合物極易泌水、離析，普遍認為機制砂的石粉含量存在一個最佳范圍，規范可以對石粉含量給出范圍值，而不是小于某個限值，同時在不同混凝土用途、不同強度等級等情況下，機制砂中石粉的最佳含量及最高限值應當有所區別，認為高強度等級混凝土中石粉含量可以采用國標的要求，而低強度等級混凝土要求10%則過于苛刻，很難滿足低強度等級混凝土的配制要求。應綜合石粉對機制砂混凝土性能的影響規律，更加科學合理地確定機制砂中所允許的石粉含量，同時當前規范對石粉特性的表征較為簡單(粒徑和MB值)，應采用多元化指標表征并探明其特性。

5 機制砂混凝土配合比設計

當前機制砂混凝土的配合比設計理論及方法還不成熟，多數還是沿用天然砂混凝土的配制方法，只是簡單地通過適當提高砂率等方式改善混凝土拌合物工作性，而忽視了機制砂與天然砂之間的一些本質區別。已有一些研究者對機制砂混凝土配合比設計方法進行了積極探索，比如西南交通大學李固華教授在普通混凝土配合比設計和高性能混凝土全計算法配合比設計的基礎上提出了粉體當量體積法。該方法把膠凝材料和粒徑小于0.075 mm的其他材料(包括石粉)一起作為粉體，針對不同粉體對混凝土拌合物和易性的不同影響，引入當量系數的概念，即在規定的漿體稠度下，各種粉體單位體積用水量與水泥單位體積用水量之比，在計算粉體當量總體積時，粉體體積要乘以當量系數，采用合理的粉體當量總體積即可較好地解決低強度等級機制砂混凝土拌合物工作性差的問題。

6 結 語

機制砂在混凝土中的應用越來越廣泛，但機制砂及其石粉特性對混凝土性能的影響仍存在較多爭議，導致機制砂質量標準較難執行。應全面認識機制砂與天然砂的不同，準確表征其材料特性，系統研究這些特性對混凝土性能的影響，尤其應加強機制砂生產工藝的研究，提高機制砂產品質量，促進機制砂在混凝土行業中的持續健康發展。

[1] 李北星，周明凱，等.石粉與粉煤灰對C60機制砂高性能混凝土性能的影響[J].建筑材料學報，2006.8，9(4)：381-387.

[2] 王稷良.機制砂特性對混凝土性能的影響及機理研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[3] 蔡基偉.石粉對機制砂混凝土性能的影響及機理研究[D].武漢：武漢理工大學，2006.

2016-05-12

劉貞鵬(1989-)，男，山東費縣人，主要從事筑路材料相關的教學和研究。

U416.1

C

1008-3383(2017)02-0020-02