機制砂混凝土應用研究現狀及存在問題之探析

范江平

福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 福州 350000

1 引言

機制砂是通過制砂機與其它附屬設備加工而成的砂子，砂體多呈灰白色或者黑色，粒徑均小于4.75mm 的巖石、礦山尾礦或工業廢渣顆粒，但不包括軟質、風化的顆粒，其中，粒徑小于75μm 的石粉顆粒含量占據5～10%的比例，而粒徑大于2.36mm和小于0.15mm 顆粒較多，砂粒外形多為方矩體或者三角體，質地較粗。由于天然河砂的過度開采，在短時間內無法再生的天然砂資源驟減，同時對自然生態環境也造成了嚴重破壞。因此，我國著重加大了對機制砂的研制力度，以機制砂為主要細集料的混凝土逐步應用于建筑工程與交通水利工程建設當中，并取得了理想的應用效果。

2 機制砂混凝土應用研究現狀分析

2.1 機制砂對混凝土工作性能的影響

由于機制砂中，粒徑在75μm 以下的石粉含量控制在10%，因此，這一級配的顆粒極易填充骨料空隙，在混凝土集料當中起到潤滑作用，進而降低了骨料的需水量，通常情況下，當機制砂中的石粉含量在5～10%之間時，不用增加水量，骨料的工作性能依然良好［1］。

2.2 機制砂對混凝土力學抗壓、抗折強度的影響

研究表明，機制砂混凝土較天然砂混凝土相比，強度較高，這主要是由于機制砂當中的石粉在水泥水化反應中，起到晶核的作用，使水泥水化的最終產物析出晶體，進而生成水化的碳鋁酸鈣。與此同時，機制砂中的石灰石粉細度越大，活性效應越明顯，尤其對于粒徑在0.16mm 以下的微小顆粒來說，當含量增加至20%以上時，混凝土的密實性就會受到影響，由此可見，當機制砂顆粒級配不符合標準時，在水泥含量不變的情況下，機制砂越多，混凝土的抗壓強度反而會大幅降低。

此外，當機制砂細度增大時，混凝土的抗折強度也相應增大，如果在拌合混凝土過程中，增加石灰石粉的摻量，混凝土的早期強度將有所提升，但是，石灰石粉的增加量應嚴格控制在0～15%的范圍之內，如果超過15%，混凝土的抗折強度將明顯下降。

2.3 機制砂對混凝土體積穩定性的影響

在混凝土拌合過程中，如果固定水泥用量以水灰比，機制砂混凝土的彈性模量將遠遠高于天然砂混凝土。究其原因主要由于，機制砂質地粗糙，棱角分明，這些方矩體或者三角體顆粒在砂漿當中充當著骨架的角色，對水泥石起到穩固作用，同時，水泥石與機制砂的結合面，粘結度較大，粘結面不易產生孔隙，有效分散了內部應力。此外，機制砂中的石粉顆粒在水化產物當中起到結晶作用，使水泥石的強度增加，不易產生變形。

實驗表明，機制砂中石粉含量對混凝土體積穩定性的影響數據差別較大，每一組實驗結果中的影響規律也各不相同。通過與天然砂混凝土實驗進行比對，隨著齡期的增長干縮率早期增加明顯，后期略微增加，相同齡期下隨著石粉含量的增加，干縮率呈現出總體增大的趨勢，當石粉含量超過12%時干縮率又有所減少。經過實驗論證，當石粉含量為12%時，機制砂混凝土的收縮率最大。對于粒徑小于0.075mm 的石粉顆粒來說，在混凝土拌合物當中起到增加水泥漿含量的作用，單位體積水泥漿多，混凝土的干縮率就會增大。通過選取石粉含量為（0～20%）的機制砂做混凝土干縮實驗發現，混凝土的干縮率受石粉含量的影響顯著，即石粉含量每增加1%，混凝土的干縮率也跟著增加1%，達到一定峰值后會相應減少。

此外，混凝土體積穩定率與混凝土的齡期也有著密切關聯，齡期在14 天之內的混凝土，干縮率隨著石粉含量的增加而增大，齡期在14 天之后的混凝土，干縮率以7%的石粉含量為臨界點，當石粉含量大于等于7%時，隨著石粉含量的增加，干縮率呈現出下降趨勢，當石粉含量小于7%時，隨著石粉含量的增加，干縮率呈現出增長態勢，由于機制砂的石粉含量增加了混凝土早期開裂傾向，所以要加強早期養護減少開裂情況。

2.4 機制砂對混凝土耐久性能的影響

混凝土耐久性能主要表現在滲透系數的大小，當機制砂中石粉含量增加時，混凝土的滲透系數減小，混凝土的耐久性能越高。這主要由于機制砂中的石粉發揮了填充作用，阻塞了氣孔，隨著石粉含量的增加，氣孔阻塞越加明顯，因此，滲透系數越小，混凝土的抗滲性越好。

對石灰石粉取代水泥對混凝土抗滲性能的影響研究表明，機制砂中的石粉本身不屬于惰性材料，但是，它卻屬于一種膠結材料，在混凝土拌合料當中扮演著微集料的角色，當這種微集料取代水泥后，水泥的水化產物相應減少，混凝土骨料的空隙相應增大，這就使得混凝土的密實度變差，因此，當石灰石粉取代水泥后，混凝土的滲透系數增大，抗滲性能越來越差。研究結果顯示，采用外摻石粉的方法，能夠有效改善混凝土的抗滲性能，抗滲透性較好［2］。如果采用內摻石粉的方法，將對混凝土的抗滲性能造成不利影響，導致混凝土耐久性能下降。

2.5 含泥量對混凝土強度的影響

通過測試不同泥粉含量對機制砂混凝土強度的影響實驗結果表明：混凝土的抗壓強度隨著石粉含量的增加而逐漸下降，當泥粉含量由0%增加至8%時，混凝土坍落度下降超過60mm，而抗壓強度則下降16.9%，這主要是由于含泥量的增加，混凝土的需水量也不斷增加，此時，混凝土的黏性增強，使得強度下降。此外，當機制砂中的含泥量過高，將嚴重阻礙水泥的正常水化過程，機制砂表面因此形成一層覆蓋膜，抑制了水泥漿體與骨料的結合，形成了強度薄弱區，導致水泥漿體與骨料之間黏結力降低，進而影響混凝土的強度。如果含泥量攪拌不均勻而形成泥團，混凝土強度惡化將更加嚴重。

3 機制砂混凝土應用研究過程存在的問題

目前，機制砂混凝土與天然砂混凝土相比，在性能方面還有所差別，尤其是高性能、高強度混凝土的研制情況，還需要進一步改善，比如砂率、石粉含量、是否摻用礦物細摻料及摻量的多少等，并沒有取得實質性進展。同時，由于機制砂質地粗糙，表明棱角分明，這就導致混凝土的流動性較差。此外，在制備高強混凝土時，需要大量的膠凝材料，除了石粉以外，還需要添加硅粉，以提升混凝土的強度，但是，隨著石粉含量的增加，需水量也相應增大，進而增加了混凝土的粘度，這樣，將直接影響混凝土的各方面性能，給工程施工帶來諸多不利影響。

4 結語

《關于在全省推廣應用機制砂的通知》閩建建〔2014〕7 號），在全省范圍內推廣應用機制砂，以保護天然河砂資源，實現建材行業綠色發展。機制砂屬于人造砂，無需通過開采、挖掘等作業工序，就可以直接用來制備混凝土，既節省了開采成本，同時也保護了自然生態環境，因此，機制砂混凝土具有廣闊的應用前景，也必將成為各項工程建設當中的常規性原材料。