机制砂在混凝土中应用的探讨

　　詹文华 魏盛春

　　随着基础设施建设规模不断扩大，混凝土的需求量越来越大，砂作为混凝土骨料的消耗量也越来越大。近年来，超量开采，毁田挖沙等现象日益严重，国家和各地政府相继出台了禁采和限采天然砂的规定。因此解决天然砂困乏的问题，成为混凝土行业面临的一大难题。目前代替天然砂应用最多的是机制砂。
 

　　应用实例证明，机制砂只要具有足够高的硬度和强度，良好的级配和粒形，不含有害杂质，经过合理的制造工艺后都完全满足建筑用砂的要求。

　　国内外很多研究者普遍认为，机制砂能够很好的应用在高性能混凝土中，并且适量的石粉能够改善高性能混凝土的工作性和强度等诸多性能。

　　机制砂定义

　　2011年修订的GB/T4684-2011《建设用砂》定义机制砂是指经除土处理，由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风的颗粒。

　　《公路水运工程混凝土用机制砂生产与应用技术规程》(DB36/T 1153-2019)要求机制砂施工工艺除了机械破碎和筛分外，增加了整形和控粉;《混凝土用机制砂质量及检验方法标准》(DBJ41T 232-2020)增加了“卵石、建筑固体废弃物”可作为机制砂母材。

　　机制砂特点

　　1.机制砂的优点

　　机制砂的母材种类繁多，且资源丰富。国家和地方标准中明确岩石、矿山尾矿、工业废渣和建筑固废都可以作为机制砂的母材使用。

　　机制砂中的石粉可以起到填充作用。机制砂中含有一定量的石粉，石粉与天然砂中泥的成分不同，所起的作用也不同。泥的颗粒一般都小于0.016mm，而石粉的颗粒为0.016～0.075mm。通常情况下，泥附着于砂的表层，切断了砂与水泥的粘结，导致混凝土的粘结性较差，而适量石粉颗粒均匀分布在骨料的空隙中，产生微骨料效应，有利于机制砂混凝土强度提高。

　　机制砂的细度模数和颗粒级配可以调整。机制砂作为人工砂可以根据工程的需要，结合原材料的性质和混凝土的要求，通过调整制砂设备、工艺流程来调节砂的细度模数和颗粒级配。级配优良、粒形圆润的机制砂有助于提升混凝土的工作性能，并降低骨料体系的空隙率，提升混凝土的力学性能。

　　机制砂质量可以得到保障。机制砂可以采用生产线生产，自动化程度高，在质量方面可以得到很好的保证。可以从原材料以及破碎、整形等工艺流程方面建立具体的质量监控体系，使得机制砂质量得到良好的保障。

　　机制砂的物理力学性能较好。机制砂在生产过程中可以选用一些硬质的岩石、固废等原材料，不选择质软、有风化痕迹的岩石，对含泥量进行人工控制，这样可以对机制砂的物理力学性能进行很好的控制。

　　2.机制砂的缺点

　　机制砂的级配较差。天然砂经过长期的自然风化，颗粒外观比较浑圆，表面非常光滑。天然砂的细度模数大多为2.6～3.0mm，级配较好。而机制砂颗粒尖锐、多棱角、表面粗糙，细度模数基本在3.0mm以上，中间粒径颗粒偏少，颗粒的级配较差，导致混凝土的和易性较差。

　　机制砂的质量波动较大。机制砂原材料的选材范围较大，从2002年国家标准《建设用砂》中的1种岩石到2020年《混凝土用机制砂质量及检验方法标准》中5种：岩石、卵石、建筑固体废弃物、矿山尾矿、工业废渣，如果机制砂在选用原材料方面出现变化，那么就容易造成机制砂的质量波动，这样就会给相应的施工造成较大的难度。

　　机制砂颗粒的孔隙率偏大。经过机械破碎、筛分的机制砂表面粗糙、棱角多，加之大粒径的颗粒偏多，导致混凝土骨料间孔隙率较天然砂骨料增加。

　　机制砂对混凝土性能的影响

　　随着我国城镇化的发展和基础设施建设的大规模进行，混凝土作为工程重要的结构材料用量巨大。机制砂作为混凝土主要的组成部分，其性能是影响混凝土性能的主要因素。

　　1.机制砂的粒形

　　机制砂的粒形没有天然砂圆润。经过机械破碎得到的机制砂颗粒形状不规则，片状、针状较多，表面粗糙，导致机制砂的和易性较差，骨料间的空隙率较大。为获得较好的颗粒粒形，许多砂石企业采用整形设备对颗粒进行整形的方法。颜广通过试验验证，经过整形的机制砂混凝土拌合物性能如初始坍落度、流动性、抗压强度等都优于未整形的机制砂混凝土。

　　2.细度模数

　　细度模数是用来表征机制砂粒径粗细程度及类别的指标。细度模数越大，表示机制砂的粒径越大。普通混凝土用机制砂的细度模数范围在3.7～1.6mm，以中砂为宜。机制砂的规格按细度模数分为：粗砂、中砂、细砂、特细砂4种规格。其细度模数分别为：粗砂3.7～3.1mm;中砂3.0～2.3mm;细砂2.2～1.6mm;特细砂1.5～0.7mm。机制砂的细度模数可以通过生产设备控制，以满足不同建筑工程需要。

　　3.颗粒级配

　　机制砂的颗粒级配用颗粒各粒径的搭配比例表示。机制砂颗粒级配可以通过调整进料级配、进料量、破碎机转速、筛网尺寸等方面实现。机制砂级配是影响机制砂产品性能的重要因素，机制砂级配改变对于其应用性能的影响主要是由于其级配改变造成了相应的机制砂的堆积状态的改变。

　　4.石粉含量

　　机制砂中粒径小于75μm的颗粒称为石粉。在机制砂生产过程中会产生一定量的石粉，这是天然砂和机制砂的主要区别之一。石粉的比表面积大，增加用水量;同时适量的石粉可以完善混凝土骨料的级配，改善混凝土的和易性，提高混凝土的密实性，所以在实际应用中，需要掌握好石粉的用量。

　　5.有害物质

　　机制砂中常见的有害物质有云母、轻物质(如树叶、草等)、有机物、氯化物、硫化物以及硫酸盐等。云母呈薄片状，表面光滑，容易沿节理开裂，因此与水泥浆体的粘结性能差，若含量过高对混凝土和易性及砂浆抗冻性产生较大影响;轻物质会增大混凝土空隙率，降低混凝土强度;硫化物及硫酸盐会在混凝土硬化后发生化学反应生成三氧化二铁，体积膨胀，导致混凝土鼓包、开裂、脱落。

　　6.坚固性

　　机制砂在外力作用下抵抗破坏的能力用坚固性来表示，在外力作用下质量损失过多，其配制出的混凝土抗疲劳、耐磨、抗腐蚀等能力就会下降。《建设用砂》定义的硫酸钠溶液5次循环浸泡后质量损失不超过8%，10%;英国及欧洲标准BSEN12620：2002+AI：2008经饱和硫酸镁溶液循环浸泡5次后的质量损失不超过18%，25%或35%。

　　改善机制砂混凝土和易性方法

　　机制砂颗粒尖锐、多棱角、表面粗糙，容易产生离析，影响混凝土的和易性。

　　1.适当掺入细砂

　　根据使用要求的不同，适当掺入细砂，提高混凝土中细骨料的含量。郜进良等研究表明，在混凝土中的小颗粒比表面积大，其表面可以吸附大量的自由水，可以提高混凝土的保水性。机制砂中小颗粒与水泥、水混合形成细砂浆在混凝土拌和物中减小粗骨料之间的摩擦阻力，起到润滑剂的作用，能够增大拌和物流动性，因此在混凝土中适量掺入细砂可以提高混凝土的和易性。

　　2.控制石粉用量

　　2011年修订的国家标准GB/T4684-2011《建设用砂》在2002年国家标准GB/T4684-2001《建设用砂》基础上将石粉含量3%～7%的最高限值放宽到10%。这不仅减少了机制砂的生产成本，还有利于机制砂混凝土的工作性能和力学性能。

　　石粉的微级配和粗糙表面在混凝土的界面起到很好的填充效应、晶核效应、活性效应、保水效应和润滑效应。它使浆体密实，孔隙率小，降低浆体周围的实际水灰比，改善混凝土的和易性。因此，适量石粉既可以起到活性润滑、密实作用，又使混凝土的物理力学性能、耐久性得到改善。

　　3.添加外加剂

　　建筑施工中常用的机制砂整体粗糙，细粉颗粒含量较少，势必会导致混凝土空隙率偏大，无法形成良好的空间搭配，导致混凝土和易性不佳。由于中间颗粒的缺失，混凝土会出现不同程度的离析、泌水现象，且由于混凝土空隙率增加，导致混凝土的抗压强度会出现明显的下降。在进行混凝土配比调整时，仅靠提高砂率和石粉含量不会取得很好的效果，必须选用适宜的外加剂来提高混凝土的和易性，使混凝土更容易浇注和捣实。

　　机制砂在混凝土中应用的意义

　　1.实现资源优化配置

　　机制砂可以选用岩石如石灰岩，花岗石，板岩和未风化层的岩层等作为原材料，这样可以在很大程度上缓解天然砂资源日益枯竭的现象，同时由于机制砂的生产成本相对较低，在一定程度上大量使用机制砂代替天然砂作为混凝土骨料可以实现对天然砂资源的合理利用。

　　2.减少环境污染

　　2011年修订的国家标准《建设用砂》中增加了“矿山尾矿、工业废渣颗粒”可作为机制砂的原材料;2020年实施的地方标准《混凝土用机制砂质量及检验方法标准》中增加了“卵石、建筑固体废弃物”可作为机制砂的原材料，这些原材料的加入，不但减少了固体废弃物对环境的污染，还能够减少天然砂开采过程中对农田、水源等造成的危害。

　　3.节约生产成本

　　由于天然砂储量不足，加上国家和地方政府各项环保措施的出台，天然砂的价格越来越高。而机制砂原料充足，加工设备和工艺成熟，价格相对天然砂较低，在符合使用要求的情况下，使用机制砂能够大幅降低成本。贾波等通过现场应用案例分析得到：使用合格的机制砂拌制混凝土，每方混凝土生产成本能够降低10.8元。
 

　　结 语

　　综上所述，机制砂可以很好的应用于建筑材料中，根据工程建设的需要调整机制砂混凝土的性能，对于机制砂混凝土存在的缺陷问题，需要在确保混凝土的力学性能的基础上采用相应的方法进行改善。