機制砂對混凝土性能影響研究現狀

張雪楠

（吉林省建筑工程質量監督站，吉林 長春130011）

0 引言

隨著城市化進程不斷推進，混凝土材料的用量逐年攀升，砂作為混凝土的重要組成材料用量也隨之增加。同時由于天然砂的過度開采帶來的資源短缺和環境問題也日漸凸顯，機制砂作為天然砂的替代產品將成為未來混凝土的重要組成材料。

機制砂是經除土、機械破碎、篩分制成的粒徑＜4.75 mm巖石、礦山尾礦或工業廢渣顆粒，但不包括軟質、風化的顆粒。機制砂性能由破碎方法和原材料性質決定[1-2]，機制砂相較于天然砂存在表面粗糙、顆粒棱角多、較高的石粉含量、級配差[3-4]，從而拌制的混凝土存在需水量高、和易性差、易離析泌水等問題[5]，同時由于顆粒表面粗糙、棱角多增加了機制砂顆粒表面與水泥漿體之間界面過渡區面積，從而改善混凝土力學性能[6]。文中主要闡述機制砂原材料來源、制備工藝、石粉含量對混凝土性能影響研究現狀。

1 機制砂原料來源對混凝土性能影響

根據機制砂原材料的來源不同，機制砂可分為巖石破碎得到的機制砂、尾礦破碎得到的機制砂和工業廢渣破碎得到的機制砂。

1.1 巖石破碎得到的機制砂

巖石破碎得到的機制砂由于原材料巖性存在差異，機制砂的微觀形貌、表面宏觀形態、石粉含量和級配也存在差異，因此采用不同原材料制備的機制砂對混凝土性能也存在一定差異。宋少民等[7]選取了安山巖、花崗巖、凝灰巖、石灰巖、石英巖和片麻巖6種不同巖性的機制砂，對它們的表面織構和成分進行分析，發現安山巖、石灰巖、石英巖表面光滑，花崗巖、凝灰巖、片麻巖表面粗糙，除石灰巖屬于鈣質機制砂以外，其余均屬于硅質機制砂。研究考察了不同巖性機制砂對混凝土和易性和與水泥適應性的影響，結果表明，表面粗糙的機制砂對混凝土和易性影響較大并且與減水劑的適應性較差，鈣質機制砂對混凝土和易性的不利影響整體上低于硅質機制砂。孫星海等[8]分別采用了以石灰巖為主的機制砂、泥灰巖為主的機制砂和石英巖為主的機制砂，研究了機制砂巖性對其宏觀形貌的影響，結果表明，由于礦物組成及晶相分布的原因，采用相同破碎方法3種機制砂的圓形度為泥灰巖為主的機制砂＞石灰巖為主的機制砂＞石英巖為主的機制砂，長徑比為石英巖為主的機制砂＞石灰巖為主的機制砂＞泥灰巖為主的機制砂，當粒級達到0.60 mm這個臨界值時破碎顆粒的圓形度和長徑比均會有一個較為明顯的變化，此時圓形度最低、長徑比最大，孫星海等認為0.60 mm粒級在膠砂配比中影響高于其他粒級。

綜上所述,從微觀形貌上看鈣質機制砂相較于硅質機制砂表面顯微結構更為粗糙不平,能夠顯著提高界面過渡區粘結面積,在一定程度上提高機制砂混凝土的力學性能。從表面宏觀形態上看鈣質機制砂相較于硅質機制砂具有更高的圓形度和更低的長徑比，圓形度和長徑比直接影響新拌混凝土的工作性能，圓形度較低、長徑比較大時混凝土工作性能降低。因此，在選擇制備機制砂的基巖時應對巖石成分進行分析，優先選取鈣質基巖為制備機制砂的原料。

1.2 尾礦破碎得到的機制砂

常見的尾礦破碎得到的機制砂為鐵尾礦機制砂，其是在選礦廠將礦石磨細提取有用組分后經分級篩分后的材料。王成偉等[9]研究了相同配合比條件下鐵尾礦砂取代河砂比例對混凝土坍落度和抗壓強度的影響，隨著鐵尾礦機制砂取代河砂比例增加其坍落度略有降低，但其抗壓強度呈現增加趨勢，結果表明采用鐵尾礦砂配制的混凝土性能能夠滿足采用河砂配制的混泥土的性能要求。劉文燕等[10]采用鐵尾礦砂取代細度模數為3.5的碎石破碎得到的機制砂，發現當采用鐵尾礦機制砂取代率為40%的混合砂配制混凝土，在相同配合比條件下其工作性能、力學性能和耐久性能均優于只用碎石機制砂配制的混凝土。因此，鐵尾礦機制砂不僅可以取代河砂，還可以與級配較差的機制砂混合使用改善其顆粒級配，使其可以用于生產混凝土。

1.3 工業廢渣破碎得到的機制砂

由于工業廢渣來源較廣，故采用工業廢渣破碎得到的機制砂與河砂性質差異較大。目前，對采用工業廢渣破碎得到的機制砂制備混凝土的研究較多。如采用廢陶瓷制備的機制砂，其物理力學性能與河砂存在一定差異，且表面粗糙顆粒間摩擦力增加，研究表明隨著廢陶瓷機制砂取代河砂量的增加混凝土工作性能降低、抗壓強度先上升后降低[11]，如圖1所示，任非認為工作性能降低和抗壓強度上升是由于廢陶瓷機制砂表面粗糙摩擦力增加所致，廢陶瓷機制砂取代河砂比例為50%時效果最佳，當廢陶瓷機制砂取代率繼續增加，需水量增加，反應速度減慢，使得包裹在機制砂表面的反應產物數量減少，抗壓強度降低。另外，鎳渣砂作為混凝土細集料也是可行的，周敏等[12]采用鎳渣砂部分取代機制砂制備了普通混凝土和高強混凝土并對其相關性能進行研究，鎳渣砂能夠改善混凝土流動性能，但過量的鎳渣砂對混凝土的泌水影響明顯，當鎳渣砂摻量為10%～30%時既能改善混凝土流動性同時又具有良好的保水性，并且普通混凝土的抗壓強度和抗氯離子滲透性能提高。

2 機制砂制備工藝對混凝土性能影響

機制砂根據生產工藝可以分為濕法生產水洗機制砂和干法生產機制砂。濕法水洗機制砂相較于干法生產機制砂含粉量低，因此其需水量低，但是由于粗顆粒較多級配不太合理，采用濕法水洗機制砂配制混凝土很容易產生泌水離析與和易性較差的問題，另外采用水洗工藝會產生大量泥漿對周邊環境造成影響。干法生產機制砂具有細度細、含粉量較高、顆粒級配較好等優點，對混凝土和易性影響較小，但是含粉量較高將致使混凝土需水量增加，并且由于細粉吸附性較強，外加劑用量增加成本增加，同時較高的含粉量對混凝土物理力學性能和耐久性能均有一定程度的不利影響。

董藏龍等[13]分別對水洗砂和干法制砂得到的2種機制砂進行檢測，發現水洗砂的MB值為0.9、需水量為112%，優于干法制砂的MB值1.2、需水量121%，并將2種機制砂進行摻配，在水洗砂和干法制砂摻配比例為7:3時，其工作性能、力學性能和耐久性能最佳。艾春琿等[14]分別采用了水洗機制砂和干法生產機制砂配制混凝土，發現水洗機制砂相較于干法生產機制砂配制混凝土易出現泌水與和易性差的問題，引起這一問題的主要原因是水洗機制砂細度模數較大、含粉量較少且顆粒形態不佳，艾春琿等通過采用保水型母液復配的減水劑有效的克服了水洗機制砂混凝土易出現泌水與和易性差的問題。

3 機制砂中石粉含量對混凝土性能的影響

機制砂中的細粉由與母巖化學成分相同的石粉和黏土質泥粉組成，現行國家標準GB/T 14684—2011將它們統稱為石粉。由于組成石粉的母巖性質和黏土質泥粉含量的差異，其吸附性能也存在一定的差異，國家標準GB/T 14684—2011采用亞甲藍（MB）值表示石粉吸附性的大小，研究表明隨著石粉MB值增加存在新拌混凝土工作性能降低、混凝土力學性能和耐久性能降低等問題[15]。

目前，國內外對石粉含量對混凝土性能影響的研究較多，但存在一定的爭議，部分研究人員[16-17]認為在一定范圍內石粉含量對機制砂混凝土的工作性能和抗壓強度具有積極地作用，存在最佳的石粉含量，謝開仲等[18]研究表明不同巖性機制砂混凝土力學性能差異與石粉含量有關，隨著石粉含量增加混凝土峰值應力與峰值應變呈先增加后降低的趨勢，在應力和應變極大值時，石粉含量為最佳。王旭昊等[19]研究了石粉含量對C45凝灰巖機制砂混凝土性能的影響，結果表明，隨著石粉含量增加相關性能均呈現先增大后減小的趨勢，存在最佳石粉含量，并通過控制機制砂石粉含量使C45凝灰巖機制砂混凝土的綜合性能優于C45天然砂混凝土。另一部分研究人員[20-21]認為增加石粉含量會降低機制砂混凝土的工作性能和抗壓強度，這可能是由于不同巖性機制砂石粉吸附性差異引起的,王振等[22]研究表明凝灰巖和石灰巖石粉對膠砂強度的影響優于其它巖性石粉。

4 機制砂混凝土存在技術問題及對策

前已述及機制砂相較于天然砂存在表面粗糙、顆粒棱角多、較高的石粉含量、級配差，對機制砂混凝土的工作性能和力學性能影響較大。在機制砂應用過程中可采取以下措施。

1）由于機制砂表面粗糙、顆粒棱角多，從而使新拌混凝土易出現泌水、和易性差、流動度不佳等問題進而影響硬化混凝土強度，可采用保水型外加劑以改善機制砂混凝土性能。

2）機制砂制備過程中存在較多石粉，由于不同巖性石粉的需水量和對外加劑的吸附不同，因此應通過試驗確定石粉最佳含量，以降低石粉含量對機制砂混凝土工作性能和對外加劑用量的影響。

3）由于機制砂存在級配差的問題，只有選用級配良好的機制砂才能制備性能符合要求的混凝土，可以通過不同級配機制砂之間摻配使用改善機制砂混凝土性能。

4）選擇適宜的母巖作為機制砂的原材料，并對機制砂的宏觀形貌（如圓形度、長徑比）和亞甲藍（MB）值進行控制，以降低機制砂對混凝土性能的不利影響。

5 結語

機制砂作為天然砂的替代品將成為混凝土的重要組成材料，其大量使用具有可觀的經濟效益和環境效益。然而，由于機制砂相較于天然砂存在諸多問題，在一定程度上限制了機制砂在混凝土中的應用，并且不同巖性的機制砂對混凝土性能影響存在一定差異。因此，為獲得符合要求的機制砂混凝土，應結合機制砂自身特點合理使用。