机制砂混凝土研究进展

　　随着自然资源的枯竭和人类环境保护意识的增强，利用人工机制砂代替天然河砂用于水泥混凝土和工程建设，成为时代发展的必然。机制砂是粒度小于4.75mm，由石灰石、花岗岩、玄武岩、片麻岩、砂岩和其他石块通过破碎、研磨和筛分工艺制成。而在我国大力推进可持续发展战略的背景下，机制砂可由高炉尾矿、建筑垃圾等固体废弃物来生产，来打造绿色循环经济，产生可观的环保和经济效益。随着天然河砂资源的枯竭和河砂限采相关政策的施行，机制砂凭借其原料充足且绿色环保的优势正在逐步成为我国建筑用砂的主要品种。在目前供不应求的市场环境下，砂石企业良莠不齐，机制砂的来源频繁变化、技术性质不稳定已为常态。作为构成混凝土骨架的关键原料，混凝土的性能会受到机制砂的技术性质起伏影响，导致混凝土的性能下降，在生产混凝土的过程中，经常出现的水、离析、和易性差等现象是最主要的表现，前者会影响混凝土的拌和物工作性能，甚至发生混凝土的强度指标达不到设计值的情况，从而造成严重的工程事故。

　　本文对机制砂混凝土配合比设计方法进行了概括，对以机制砂为细骨料的混凝土的性能进行了评估，并根据国内学者的研究做出总结与展望。

　　机制砂混凝土配合比设计方法

　　为保护自然资源以及维护生态环境，近几年国家大力限制河砂的开采，同时为保证建筑的安全，严格限制海砂的使用，山砂由于含泥量较高因此可使用性较低。天然砂的使用几近退出混凝土用主力砂源，使用机械破碎的机制砂已经成为了建筑行业的主力砂源。

　　由于砂源的改变，混凝土出现很多的不适应性，然而，当前的混凝土配合比设计难以应对砂源的变化，为了适应新的砂源，一些研究人员提出了新的配合比设计方法。

　　北京城建混凝土有限公司副总工程 师公司、研究所所长朱效荣提出了一种数字量化混凝土制造技术，本文简称数字量化法，主要内容如下：首先，混凝土的用水量由机制砂的压实含水率，粗骨料饱和面干含水率和水泥材料标准稠度组成;其次是不认可水灰比定律及其混凝土制备技术理念，认为在用水量确定后，通过胶凝材料活性和用量满足混凝土强度要求。

　　北京科技大学教授刘娟红和北京建筑工程学院教授宋少民提出了一种计算混凝土配合比的新方法，称为基于原材料质量的混凝土配合比设计方法，简称原材料法。核心内容包括：

　　1.舍弃保罗米公式，根据项目的具体条件和要求以及当地原材料的性能，确定水泥材料的总量，并通过查找表格选择水胶比;

　　2.建立胶凝材料用量计算公式，依据混凝土强度等级、骨料品质以及胶凝材料需水行为影响因子进行计算;

　　3.不以砂率为主进行计算，混凝土用粗骨料用量通过查阅表格确定。《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)中规定的方法，简称为规范法，对于机制砂也做出微调，在选择砂率这一步骤中加人注解，当使用机制砂时可增加1%～2%的砂率。

　　国际知名的统计学家与工程管理专家田口玄一还提出了正交实验设计方法，该方法的优点是在推断出最佳方案的基础上，更深一步的分析，从而得到各种因素信息，主要方法是在众多实验方案中选择一些具有代表性的实验方案，分析结果。核心内容是根据多因素多水平设计正交实验表，优选出最佳的材料配合比。

　　机制砂混凝土性能的研究

　　机制砂与天然河砂在性质上的区别，决定了两者在性能上的差异，并主要体现在工作性能、力学性能和耐久性三方面。

　　1.机制砂的特性

　　机制砂的出现，在一定程度上能够取代河砂作为混凝土的细骨料，其原因在于：首先，为了满足各种各样的工程要求，特定的工程需使用定制的机制砂，通过机械打磨机制砂的级配方便可靠;其次，在表面粗糙度方面，天然砂比机制砂光滑，前者因受雨水侵蚀作用，而后者则因由机械破碎制成，因此机制砂能比天然河砂更好地发挥细骨料填充作用，进而改善混凝土的和易性;然后，在力学性能方面，机制砂混凝土的抗压、抗拉、抗折强度等均高于河砂混凝土，且干燥收缩率更低;最后，机制砂的生产更加绿色经济环保，可用混凝土废料或者碎石来生产，实现废物利用。然而，它也存在一些缺陷，比如以0.075mm为界，低于此级配的机制砂制成的混凝土的强度较小。以下详述机制砂的特点。

　　生产特点：机制砂的生产大多是利用岩石、矿石破碎而成的砂石以及建筑垃圾等废弃物来生产，所以可以选择得到想要的机制砂的属性。也就是机制砂的细度模数、颗粒形貌、级配等均可以按需分配。

　　级配情况：机制砂的颗粒分布情况大致上可以总结为两头大、中间少的特点，以2.36mm及0.15mm为界。大于前者和小于后者的颗粒偏多，并且还存在一个粒级没有砂粒的情况。总体上，机制砂的级配能够满足河砂的技术规范要求。

　　颗粒形状：机制砂的制作是通过机械破碎岩石、矿石或者建筑废弃料而成，因此，其形状大多呈现不规则的状态，这之间，以片状的颗粒居多。正是由于其颗粒表面粗糙，形状的不规则，进而能够帮助水泥拌合料更好地混合。但同时也会产生一些不良影响，在混凝土的生产过程中出现水、离析、和易性差等现象。

　　石粉含量：石粉的存在，区分开了机制砂与天然河砂。石粉的加人，可以改善混凝土的和易性，泵送性能，完善骨料集配。使得混凝土的各个方面性能得到显著提升。

　　2.机制砂混凝土的工作性能

　　为了达到工程要求，泵送混凝土泵送前后的混凝土工作性能要求不变也可以略有变化。然而机制砂集配大、颗粒形貌较为尖锐且石粉的含量很大，种种因素共同促使机制砂混凝土的可泵性差的特点，在泵送过程中管道的堵塞也就成为了一种常见的现象。机制砂混凝土的泵送指标也因此被提出了更多的标准。

　　机制砂混凝土的可泵性受诸多成分作用：

　　杭州市交通规划设计研究院周润翔在分析影响机制砂自密实混凝土泵送性能的要素的研究中，提出了三种影响要素：石粉浓度、细度模数、MB值。实验研究发现当石粉浓度为10%、细度模数为2.8时，机制砂自密实混凝土的泵送性能会大幅提升，当MB大于1.3时，机制砂自密实混凝土的泵送性会有一定程度的下降。有学者将聚羧酸减水剂与粉煤灰、石墨粉和沸石粉一起使用，增加了混凝土的可泵性。

　　曹振生等以水粉比、砂率、石粉含量等成分对混凝土泵送性能的影响为切入点，发现对混凝土泵送性能作用最强的是水和胶凝材料的比率以及砂在胶凝材料总量中的占比，粗骨料占胶凝材料总量的比率影响甚微，为了达到最佳的泵送性能，砂率控制在45%，粉煤灰掺量在30%以下，石粉掺量10%。

　　中电建路桥集团有限公司吴银芳等在研究机制砂自密实混凝土泵送性能影响因素时发现，在混凝土的配合比设计时，可以变化其粉煤灰的添加量来改变泵送性能。从而达到泵送性能的指标，实验数据显示，当粉煤灰的掺量低于50%时，自密实混凝土的泵送性会呈现出逐渐上升的趋势。大于50%，泵送性能反之下降。综上所述，对于机制砂泵送混凝土而言，理应存在一个最佳石粉掺量和最佳粉煤灰掺量能使混凝土的泵送性能得到提升。

　　毋庸置疑，由于强度和压实度，良好的混凝土和易性可以显著减少水泥消耗，延长结构的使用寿命。因此，国内很多学者对机制砂混凝土的和易性进行了研究。杨家伟等研究了各种掺量对低强度混凝土和易性及强度的影响，发现，混凝土的和易性会在石粉含量达到24.8%时最优异。

　　国内大量学者研究发现，机制砂高性能混凝土落度、流动度和强度都会伴随石粉含量的提高，而随着时间的增长而减小。艾长发等将机制砂颗粒的组成分为两类，以1.18mm的粒径为边界。粒径小于1.18mm的颗粒主要影响混凝土的粘聚性，其含量过多将导致混凝土黏稠、和易性降低，难以泵送浇筑。

　　宋少民等采取选用选择六种不同岩性的普通机制砂来进行对比实验的方式，从机制砂岩性的角度出发，它对混凝土和易性的影响还与机制砂混凝土的其他性质挂钩，比如机制砂的石粉含量、表面结构、成分组成等。结果表明，从性能上来看，钙质机制砂整体上优于硅质机制砂;从对混凝土和易性的影响来看，这些有着不规则砂砾的表面结构以及高的石粉含量的花岗岩、凝灰岩和片麻岩有着举足轻重的影响。随着我国基础设施建设的发展，长距离机制砂水泥混凝土泵送工艺的应用势在必行，这也就导致对机制砂混凝土和易性的要求不断提高。

　　3.机制砂混凝土的力学性能

　　大多数国内外研究者都主张机制砂混凝土的力学特性高于天然河砂混凝土，一部分学者从石粉的影响角度出发。王建国等深入研究了石粉含量在玄武岩机制砂中对混凝土力学特性的影响，其方法是将相当量的机制砂替换成石粉，这样就可以生产出满足工程中所需的力学性能要求的高强机制砂混凝土，如果在混凝土的用水量与胶凝材料用量比值没有发生改变的前提下，机制砂混凝土的石粉含量应该限制在5%～7%，因为此时的混凝土已经具备了良好的力学特性，与此同在抗压强度方面，机制砂产物明显优于天然河砂产物。

　　许多国内外学者认为在机制砂混凝土中加入等量的石粉后，混凝土的抗压强度和和劈裂强度会有一个峰值，因此，可以确定一个最优的石粉含量，此时混凝土的力学性能达到最佳，且强度优于天然河砂混凝土。周明凯等发现石粉在机制砂中能发挥出良好的包裹和填充优势，改善粘聚性，从而有效提高混凝土的强度。除了从石粉的影响角度展开研究，还有部分学者从机制砂级配、颗粒形貌以及混凝土骨料成分的角度切人，探究其影响程度。王稷良将级配作为影响因素，以天然河砂与机制砂为研究对象，研究其强度的区别。试验结果表明，与天然砂混凝土相比，机制砂混凝土的强度要高出2MPa。郭立贤等研究机制砂不同岩性及石粉含量对MB值、砂浆流动性及C35混凝土力学性能的影响，发现在石粉含量添加7%时，用花岗岩和石灰岩机制砂制备的C35混凝土每一项力学性能指标都会优于同一时间的用河砂制备的混凝土。谢华兵采用颗粒粒形综合指数对机制砂颗粒形貌进行表征，并认为粒形综合指数高的机制砂制备的砂浆其力学性能更优。部分研究者研究了片状颗粒含量对高强大流态混凝土抗压强度，得出机制砂片状颗粒含量不应大于20%(质量分数)。张淑云等以骨料成分作为切入点，研究其对混凝土力学性能的影响。发现在抗压性能及劈拉强度方面，用机制砂作为细集料的混凝土其两者强度均高于天然河砂混凝土。.

　　4.机制砂混凝土的耐久性能

　　众多国内研究者研究发现在提高混凝土抗渗性能、抗碳化性能方面，掺加石粉是一个有效的措施，在抗冻性能上，可以不考虑石粉含量变化对混凝土抗冻性能产生不利影响。例如宋军强研究了影响花岗岩机制砂耐久性因素，考虑到机制砂的性质，提出以石粉含量作为变化参数，得出在混凝土在加人石粉后，其在第56d的试验时间时，它的抗氯离子渗透性能逐渐优化提升。在认识到加人石粉会增加机制砂混凝土耐久性的基础上，很多学者便在研究最佳的石粉掺量。李北星等以石粉含量为切入点，研究了三种掺量5%、7%、10%的石粉浓度在由花岗岩机制砂中对C50机制砂海工混凝土耐久性的影响，以天然河砂混凝土作为对比对象。发现为了使得混凝土的抗碳化性能、抗硫酸盐侵蚀性能等耐久性指标皆达到最佳，同时优于河砂混凝土，石粉浓度应控制在7%，另一方面，为了提高了浆体的氯离子结合能力，可以额外掺加4.5%～15%的石粉，氯离子结合能力到达峰值时，石粉含量为7.5%。肖志敏等研究了不同石粉含量(3%、6%、9%、12%)机制砂对C30、C50混凝土拌合物性能耐久性能的影响，结果表明为了实现混凝土拌合物耐久性最优，在C30混凝土中，机制砂石粉浓度应为12%;在C50混凝土中，机制砂石粉浓度应为9%。同时也有学者研究发现，对于C30混凝土而言，石粉浓度在5%时，以机制砂作为细集料的混凝土的抗渗性得到显著提升。对此也有研究者给出了反对意见，认为用同等含量的石粉代替水泥，不利于提升混凝土的抗渗性能。其中机理是，粒度较小的微集料，虽然可以发挥微集料的填充作用，但最终的水化产物会有所减少，导致密实度下降。这样，由于石粉含量的提高，机制砂混凝土的抗渗性能会随着水泥拌合物中的氯化物离子扩散系数增加而降低。

　　结语

　　目前，国内外学者针对机制砂的配合比设计优化、工作性能、力学性能和耐久性能展开深入研究。机制砂中较低含量的泥粉可改善新拌混凝土的和易性，但过高的泥粉含量会阻碍正常的水泥水化作用，在集料与水泥石的界面过渡区形成大量微裂纹，降低混凝土的物理力学性能。优异的级配可将较细的颗粒与较粗颗粒混合，从而使得结构密实，使混凝土形成最紧密堆积结构，改善混凝土的整体性能。机制砂表面粗糙且富有棱角的颗粒形貌影响了细集料与水泥石之间的结合作用，混凝土的工作性能会在一定的范围内有所下降，然而，当涉及机制砂混凝土的力学性能，前者对其几乎没有影响。因此，在机制砂混凝土的实际应用中，应充分认识到机制砂特性对混凝土性能的影响，生产中关注颗粒级配与颗粒形态之间的关系，以尽可能提高机械砂混凝土的性能，前提是减少材料用量。随着机制砂石骨材效率的日益提升，机制砂骨材产业已形成工业体系的主要部分。目前，目前进行的试验与研究主要显示出如下问题。

　　1.随着对机制砂混凝土研究的深人，国内外学者发现机制砂中参差不齐的原材料以及一种质量控制指标对混凝土性能的影响是目前绝大部分研究的现状，在未来的研究中，可以跳出这一思维惯性，考虑多影响因素的耦合作用。

　　2.在原材料设计方面，传统方法考虑多因素多水平的实验往往过于繁琐且效率较低，可以利用正交试验设计进行组成设计，使设计更加科学合理。

　　3.为了达到机制砂混凝土泵送的要求，使混凝土的工作性能得到更进一步的改善，同时确保提高石粉掺量能够用于增加机制砂混凝土的强度，这是未来需要研究的方面。(戚定成)