機(jī)制砂混凝土應(yīng)用研究現(xiàn)狀及存在問題之探析

范江平

福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350000

1 引言

機(jī)制砂是通過制砂機(jī)與其它附屬設(shè)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(yè)廢渣顆粒，但不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的顆粒，其中，粒徑小于75μm 的石粉顆粒含量占據(jù)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(zhì)地較粗。由于天然河砂的過度開采，在短時(shí)間內(nèi)無法再生的天然砂資源驟減，同時(shí)對自然生態(tài)環(huán)境也造成了嚴(yán)重破壞。因此，我國著重加大了對機(jī)制砂的研制力度，以機(jī)制砂為主要細(xì)集料的混凝土逐步應(yīng)用于建筑工程與交通水利工程建設(shè)當(dāng)中，并取得了理想的應(yīng)用效果。

2 機(jī)制砂混凝土應(yīng)用研究現(xiàn)狀分析

2.1 機(jī)制砂對混凝土工作性能的影響

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

2.2 機(jī)制砂對混凝土力學(xué)抗壓、抗折強(qiáng)度的影響

研究表明，機(jī)制砂混凝土較天然砂混凝土相比，強(qiáng)度較高，這主要是由于機(jī)制砂當(dāng)中的石粉在水泥水化反應(yīng)中，起到晶核的作用，使水泥水化的最終產(chǎn)物析出晶體，進(jìn)而生成水化的碳鋁酸鈣。與此同時(shí)，機(jī)制砂中的石灰石粉細(xì)度越大，活性效應(yīng)越明顯，尤其對于粒徑在0.16mm 以下的微小顆粒來說，當(dāng)含量增加至20%以上時(shí)，混凝土的密實(shí)性就會(huì)受到影響，由此可見，當(dāng)機(jī)制砂顆粒級(jí)配不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在水泥含量不變的情況下，機(jī)制砂越多，混凝土的抗壓強(qiáng)度反而會(huì)大幅降低。

此外，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度增大時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度也相應(yīng)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(qiáng)度將有所提升，但是，石灰石粉的增加量應(yīng)嚴(yán)格控制在0～15%的范圍之內(nèi)，如果超過15%，混凝土的抗折強(qiáng)度將明顯下降。

2.3 機(jī)制砂對混凝土體積穩(wěn)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(jī)制砂混凝土的彈性模量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然砂混凝土。究其原因主要由于，機(jī)制砂質(zhì)地粗糙，棱角分明，這些方矩體或者三角體顆粒在砂漿當(dāng)中充當(dāng)著骨架的角色，對水泥石起到穩(wěn)固作用，同時(shí)，水泥石與機(jī)制砂的結(jié)合面，粘結(jié)度較大，粘結(jié)面不易產(chǎn)生孔隙，有效分散了內(nèi)部應(yīng)力。此外，機(jī)制砂中的石粉顆粒在水化產(chǎn)物當(dāng)中起到結(jié)晶作用，使水泥石的強(qiáng)度增加，不易產(chǎn)生變形。

實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)制砂中石粉含量對混凝土體積穩(wěn)定性的影響數(shù)據(jù)差別較大，每一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的影響規(guī)律也各不相同。通過與天然砂混凝土實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(xiàn)出總體增大的趨勢，當(dāng)石粉含量超過12%時(shí)干縮率又有所減少。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證，當(dāng)石粉含量為12%時(shí)，機(jī)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(dāng)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(huì)增大。通過選取石粉含量為（0～20%）的機(jī)制砂做混凝土干縮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(dá)到一定峰值后會(huì)相應(yīng)減少。

此外，混凝土體積穩(wěn)定率與混凝土的齡期也有著密切關(guān)聯(lián)，齡期在14 天之內(nèi)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(diǎn)，當(dāng)石粉含量大于等于7%時(shí)，隨著石粉含量的增加，干縮率呈現(xiàn)出下降趨勢，當(dāng)石粉含量小于7%時(shí)，隨著石粉含量的增加，干縮率呈現(xiàn)出增長態(tài)勢，由于機(jī)制砂的石粉含量增加了混凝土早期開裂傾向，所以要加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)減少開裂情況。

2.4 機(jī)制砂對混凝土耐久性能的影響

混凝土耐久性能主要表現(xiàn)在滲透系數(shù)的大小，當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量增加時(shí)，混凝土的滲透系數(shù)減小，混凝土的耐久性能越高。這主要由于機(jī)制砂中的石粉發(fā)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(shù)越小，混凝土的抗?jié)B性越好。

對石灰石粉取代水泥對混凝土抗?jié)B性能的影響研究表明，機(jī)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(jié)材料，在混凝土拌合料當(dāng)中扮演著微集料的角色，當(dāng)這種微集料取代水泥后，水泥的水化產(chǎn)物相應(yīng)減少，混凝土骨料的空隙相應(yīng)增大，這就使得混凝土的密實(shí)度變差，因此，當(dāng)石灰石粉取代水泥后，混凝土的滲透系數(shù)增大，抗?jié)B性能越來越差。研究結(jié)果顯示，采用外摻石粉的方法，能夠有效改善混凝土的抗?jié)B性能，抗?jié)B透性較好［2］。如果采用內(nèi)摻石粉的方法，將對混凝土的抗?jié)B性能造成不利影響，導(dǎo)致混凝土耐久性能下降。

2.5 含泥量對混凝土強(qiáng)度的影響

通過測試不同泥粉含量對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著石粉含量的增加而逐漸下降，當(dāng)泥粉含量由0%增加至8%時(shí)，混凝土坍落度下降超過60mm，而抗壓強(qiáng)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(shí)，混凝土的黏性增強(qiáng)，使得強(qiáng)度下降。此外，當(dāng)機(jī)制砂中的含泥量過高，將嚴(yán)重阻礙水泥的正常水化過程，機(jī)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(jié)合，形成了強(qiáng)度薄弱區(qū)，導(dǎo)致水泥漿體與骨料之間黏結(jié)力降低，進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度。如果含泥量攪拌不均勻而形成泥團(tuán)，混凝土強(qiáng)度惡化將更加嚴(yán)重。

3 機(jī)制砂混凝土應(yīng)用研究過程存在的問題

目前，機(jī)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(qiáng)度混凝土的研制情況，還需要進(jìn)一步改善，比如砂率、石粉含量、是否摻用礦物細(xì)摻料及摻量的多少等，并沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。同時(shí)，由于機(jī)制砂質(zhì)地粗糙，表明棱角分明，這就導(dǎo)致混凝土的流動(dòng)性較差。此外，在制備高強(qiáng)混凝土?xí)r，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(qiáng)度，但是，隨著石粉含量的增加，需水量也相應(yīng)增大，進(jìn)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(jié)語

《關(guān)于在全省推廣應(yīng)用機(jī)制砂的通知》閩建建〔2014〕7 號(hào)），在全省范圍內(nèi)推廣應(yīng)用機(jī)制砂，以保護(hù)天然河砂資源，實(shí)現(xiàn)建材行業(yè)綠色發(fā)展。機(jī)制砂屬于人造砂，無需通過開采、挖掘等作業(yè)工序，就可以直接用來制備混凝土，既節(jié)省了開采成本，同時(shí)也保護(hù)了自然生態(tài)環(huán)境，因此，機(jī)制砂混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景，也必將成為各項(xiàng)工程建設(shè)當(dāng)中的常規(guī)性原材料。