機制砂對混凝土性能影響因素的探討

梅 超 費洗非 郭 偉 梁家斌

（珠海春禾新材料研究院有限公司）

0 引言

隨著我國基建工程地進行，城鎮化程度不斷地提高，我國混凝土產量也在逐年增加，目前用于混凝土制備的砂石主要是自然砂，而天然砂已經無法完全滿足工程建設的需要[1]，而且隨著國家生態文明的不斷推進，各個地區也出臺了關于自然砂石限采或禁采的政策。所以，為了保護我們的生態環境，同時確保工程建設能夠穩定地進行，選用機制砂取代自然砂來制備混凝土[2]已經成為了當前實際工程和科學研究的熱點。

⑴自然砂

天然砂是在自然中經過化學、物理、生物共同作用風化后、然后通過河流的搬運和分選、最終形成的粒徑小于4.75mm 的巖石顆粒，機制砂按照產源的不同主要分為河砂、海砂、山砂，是一種短時間內無法再生的資源[3]。機制砂經過長時間的風化后，表面能降低，能夠在混凝土內部穩定存在。

⑵機制砂

機制砂是由巖石首先經過除土開采、然后機械破碎、最后篩分成的粒徑小于4.75mm 的顆粒，但是不包含風化巖石和軟質巖顆粒，它具有強度較高、物理力學性能好[4]、石粉含量可控、級配穩定等優點，可以提高混凝土的密實程度，改善混凝土工作性能[5]，同時機制砂的原材料中可加入礦物廢渣、建筑垃圾，緩解了資源和環境的壓力，已經被廣泛地應用到了預拌混凝土中[6]。

機制砂的質量除了與母巖的巖性有關，還與其生產工藝有關，不同的破碎、篩分和除粉工藝決定了機制砂的粒形、級配、石粉含量等最終都會對混凝土的性能產生巨大的影響[7]。

1 機制砂影響混凝土性能的因素

1.1 機制砂的巖性

目前，市場上用于加工機制砂的巖石種類較多，機制砂母巖的不同對制備的混凝土性能會有一定的影響。研究表明，利用不同種類的機制砂制備的混凝土，其力學性能的差異與養護齡期有關，唐凱靖[8]選用玄武巖機制砂和石英質機制砂和河砂分別配制了C50 混凝土，并測試了混凝土的抗壓強度，結果顯示，二者的3 天抗壓強度相差達15.5MPa，而二者的28 天抗壓強度相差則減小到了2.3MPa。同時混凝土的強度等級也會影響不同的機制砂混凝土力學性能的差異。湯晴[9]分別利用石灰巖和凝灰巖機制砂配制了不同強度等級（C30、C60、C80）的混凝土，通過測試二者的力學性能后發現，在混凝土的強度等級比較低時，二者的28 天抗壓強度相差很小，而隨著配制的機制砂混凝土強度等級的提高，二者的28 天抗壓強度相差會變大，而且利用石灰巖配制的機制砂混凝土的力學性能明顯比凝灰巖機制砂混凝土好。而宋少民[10]等選取了六種常見不同巖性機制砂，配制了C30 和C50 兩種混凝土，研究了在相同級配、粒形的條件下，機制砂巖性對混凝土28 天抗壓強度的影響。結果表明，對于C30 混凝土，利用石灰巖和花崗巖配制的機制砂混凝土的28 天抗壓強度比較接近，二者相差約為5MPa；對于C50 混凝土，28 天抗壓強度最高的石灰巖機制砂混凝土與最低的花崗巖機制砂混凝土相差約為20MPa。

機制砂的巖性影響混凝土力學性能的原因主要是不同的機制砂母巖自身的成份、風化程度和雜質含量不一樣，導致制得機制砂的質均性和在混凝土中的分散性有差異，最終會影響機制砂與混凝土結合的緊密程度[11]。

1.2 機制砂的摻量

為了緩解對自然砂資源的開采和消耗，在實際工程中常常利用機制砂來代替部分自然砂，與自然砂一起混合使用來制備混凝土，但是機制砂的摻量對混合砂混凝土的各項性能有著重要的影響。鄧翀[12]等在研究了機制砂的摻量對混凝土各項性能的影響后發現，機制砂取代部分河砂能夠增強混凝土早期的抗裂性能，但是也會使混凝土的干縮變大，隨著機制砂摻量的增加，混凝土的流變性會逐漸減小，當機制砂摻量小于40%時，夠抑制混凝土產生的徐變，而摻量超過40%時反而會使混凝土的徐變增大。

與自然砂相比，機制砂表面不規則，比較粗糙，與水泥的結合更為緊密，這能夠提高混凝土的強度[13]，同時適量的機制砂中含有的石粉還具有微料填充的效應同時還能加速水泥的水化反應，這也有利于提升混凝土的力學性能[14]。但是當機制砂的摻量很大時，使得機制砂向混凝土中帶入的石粉含量過多，使混凝土中自由水與水泥比增大，部分自由水沒有參與水化反應而蒸發，導致混凝土的干縮增大，同時過量的石粉還會削弱骨料的骨架作用，使混凝土的力學性能下降。

1.3 機制砂的級配

機制砂不同的級配主要會對膠砂的流動度、膠砂的力學性能以及混凝土的工作性能產生影響。陳景[15]等通過篩分試驗方法將機制砂各級配進行篩分之后按照一定規律進行重新配置，研究了機制砂不同的級配對混凝土力學性能的影響，結果表明，當機制砂篩底篩余在10%～12%時，混凝土的強度最佳。喻萍[16]等在制備并測試了不同級配的機制砂膠砂和混凝土后發現，機制砂中0.6mm 累計篩余量的多少對機制砂膠砂的流動性能影響很大。當0.6mm 機制砂的累計篩余量在40%～77%之間時，機制砂膠砂的流動度隨著0.6mm 累計篩余余量的增加而變大。而艾志勇[17]等在研究了機制砂不同的級配對高強混凝土的性能后發現：1.18mm～4.75mm 的粒級組主要影響的是混凝土的泌水性，0.3～1.18mm 和0.075mm～0.3mm 的粒級組則影響的是混凝土的黏聚性。

研究表明機制砂良好的級配能一方面為混凝土提供更合理的骨架[18]，減少混凝土內部界面過渡的缺陷，另一方面能夠降低孔隙率[19]，使得混凝土的包裹性更好，進而提升混凝土的工作性能。

1.4 機制砂的石粉含量

機制砂在生產的過程中，會伴隨著部分石灰和石粉的出現，而石灰石粉含量的多少對混凝土的工作性能和強度有較大的影響。康利棟等[20]在制備了不同石灰石粉含量的機制砂混凝土后，通過測試其抗壓強度發現，機制砂混凝土中的石灰石粉含量存在最佳的臨界值，即15%，當石灰石粉含量為15%時，混凝土的抗壓強度達到最高。一旦石灰石粉的含量超過15%之后，混凝土的工作穩定性就會出現比較明顯的下降。但是石粉的含量在機制砂混凝土中也不是越低就越好，鄭銳[21]在進行了石粉含量對機制砂混凝土性能影響的試驗后得出，在機制砂各項參數固定而且指標都符合條件的前提下，當石粉含量小于3%時，混凝土的粘性較差，導致混凝土的密實度和抗拉性能較差，抗壓強度較低。所以在強度不同的機制砂混凝土中，石粉的含量都應該存在一個最佳的范圍。程小栓等[22]通過調整不同機制砂混凝土中的石粉含量，研究了石粉的含量對不同強度混凝土工作性能的影響，結果表明在低強的混凝土中石粉的含量最佳為10%～15%，而在強度很高的混凝土中石粉含量最佳為7%～10% 。

適量的石粉在機制砂混凝土中不僅能填充骨料和水化產物之間的間隙[23]，而且石粉具有的強吸水性還可以減少混凝土的界面泌水，增強混凝土的密實度，提升混凝土的各項性能[24]。但是一旦機制砂混凝土中的石粉含量過大時，則會使混凝土出現部分游離態的石粉，這不利于集料與水泥石的黏結，當水泥和水用量不變時，過多的石粉吸收水后使水泥漿體的實際水灰比大大減小，水泥水化實際用水量不足，使得混凝土的強度降低[25]。

1.5 其他因素

機制砂混凝土的工作性能除了由上述的關鍵因素決定之外，同時機制砂的破碎方式[26]、顆粒形狀[27]、和泥粉含量[28]等也會對混凝土的各項性能產生影響。

2 研究現狀與不足

目前，對機制砂混凝土的研究主要是針對低強混凝土，而關于高強和高性能的混凝土研究較少[29]，由于機制砂影響混凝土性能的參數有很多，在高強混凝土中，機制砂的級配、石粉含量等與低強混凝土相比有很大的不同[30]，而且為了使機制砂混凝土能夠滿足高性能和高強度的要求，還需要添加其他摻料，如硅粉等，對于這些外摻物在高強和高性能機制砂混凝土中的使用都需要我們進一步去研究和完善。

3 結語

從當前建筑行業和混凝土行業的發展趨勢來看，機制砂混凝土在今后建設工程項目中的應用會越來越多，也越來越普遍，使用機制砂混凝土不僅可以降低建設成本，而且能減少對自然砂資源的開采，保護我們的生態環境，具有廣闊的應用前景。本文在針對機制砂混凝土已有的研究基礎上，總結了機制砂影響混凝土性能的主要因素，并分析了原因，希望能夠對今后機制砂混凝土的研究有所幫助。