機(jī)制砂對混凝土性能影響因素的探討

梅 超 費(fèi)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(jìn)行，城鎮(zhèn)化程度不斷地提高，我國混凝土產(chǎn)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(jīng)無法完全滿足工程建設(shè)的需要[1]，而且隨著國家生態(tài)文明的不斷推進(jìn)，各個地區(qū)也出臺了關(guān)于自然砂石限采或禁采的政策。所以，為了保護(hù)我們的生態(tài)環(huán)境，同時確保工程建設(shè)能夠穩(wěn)定地進(jìn)行，選用機(jī)制砂取代自然砂來制備混凝土[2]已經(jīng)成為了當(dāng)前實(shí)際工程和科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

⑴自然砂

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

⑵機(jī)制砂

機(jī)制砂是由巖石首先經(jīng)過除土開采、然后機(jī)械破碎、最后篩分成的粒徑小于4.75mm 的顆粒，但是不包含風(fēng)化巖石和軟質(zhì)巖顆粒，它具有強(qiáng)度較高、物理力學(xué)性能好[4]、石粉含量可控、級配穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以提高混凝土的密實(shí)程度，改善混凝土工作性能[5]，同時機(jī)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(huán)境的壓力，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了預(yù)拌混凝土中[6]。

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

1 機(jī)制砂影響混凝土性能的因素

1.1 機(jī)制砂的巖性

目前，市場上用于加工機(jī)制砂的巖石種類較多，機(jī)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(jī)制砂制備的混凝土，其力學(xué)性能的差異與養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān)，唐凱靖[8]選用玄武巖機(jī)制砂和石英質(zhì)機(jī)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(qiáng)度，結(jié)果顯示，二者的3 天抗壓強(qiáng)度相差達(dá)15.5MPa，而二者的28 天抗壓強(qiáng)度相差則減小到了2.3MPa。同時混凝土的強(qiáng)度等級也會影響不同的機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的差異。湯晴[9]分別利用石灰?guī)r和凝灰?guī)r機(jī)制砂配制了不同強(qiáng)度等級（C30、C60、C80）的混凝土，通過測試二者的力學(xué)性能后發(fā)現(xiàn)，在混凝土的強(qiáng)度等級比較低時，二者的28 天抗壓強(qiáng)度相差很小，而隨著配制的機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度等級的提高，二者的28 天抗壓強(qiáng)度相差會變大，而且利用石灰?guī)r配制的機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能明顯比凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土好。而宋少民[10]等選取了六種常見不同巖性機(jī)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(jī)制砂巖性對混凝土28 天抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，對于C30 混凝土，利用石灰?guī)r和花崗巖配制的機(jī)制砂混凝土的28 天抗壓強(qiáng)度比較接近，二者相差約為5MPa；對于C50 混凝土，28 天抗壓強(qiáng)度最高的石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土與最低的花崗巖機(jī)制砂混凝土相差約為20MPa。

機(jī)制砂的巖性影響混凝土力學(xué)性能的原因主要是不同的機(jī)制砂母巖自身的成份、風(fēng)化程度和雜質(zhì)含量不一樣，導(dǎo)致制得機(jī)制砂的質(zhì)均性和在混凝土中的分散性有差異，最終會影響機(jī)制砂與混凝土結(jié)合的緊密程度[11]。

1.2 機(jī)制砂的摻量

為了緩解對自然砂資源的開采和消耗，在實(shí)際工程中常常利用機(jī)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(jī)制砂的摻量對混合砂混凝土的各項(xiàng)性能有著重要的影響。鄧翀[12]等在研究了機(jī)制砂的摻量對混凝土各項(xiàng)性能的影響后發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂取代部分河砂能夠增強(qiáng)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(jī)制砂摻量的增加，混凝土的流變性會逐漸減小，當(dāng)機(jī)制砂摻量小于40%時，夠抑制混凝土產(chǎn)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(jī)制砂表面不規(guī)則，比較粗糙，與水泥的結(jié)合更為緊密，這能夠提高混凝土的強(qiáng)度[13]，同時適量的機(jī)制砂中含有的石粉還具有微料填充的效應(yīng)同時還能加速水泥的水化反應(yīng)，這也有利于提升混凝土的力學(xué)性能[14]。但是當(dāng)機(jī)制砂的摻量很大時，使得機(jī)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(yīng)而蒸發(fā)，導(dǎo)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(xué)性能下降。

1.3 機(jī)制砂的級配

機(jī)制砂不同的級配主要會對膠砂的流動度、膠砂的力學(xué)性能以及混凝土的工作性能產(chǎn)生影響。陳景[15]等通過篩分試驗(yàn)方法將機(jī)制砂各級配進(jìn)行篩分之后按照一定規(guī)律進(jìn)行重新配置，研究了機(jī)制砂不同的級配對混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)制砂篩底篩余在10%～12%時，混凝土的強(qiáng)度最佳。喻萍[16]等在制備并測試了不同級配的機(jī)制砂膠砂和混凝土后發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂中0.6mm 累計篩余量的多少對機(jī)制砂膠砂的流動性能影響很大。當(dāng)0.6mm 機(jī)制砂的累計篩余量在40%～77%之間時，機(jī)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(jī)制砂不同的級配對高強(qiáng)混凝土的性能后發(fā)現(xiàn)：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(jī)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(nèi)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(jìn)而提升混凝土的工作性能。

1.4 機(jī)制砂的石粉含量

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

適量的石粉在機(jī)制砂混凝土中不僅能填充骨料和水化產(chǎn)物之間的間隙[23]，而且石粉具有的強(qiáng)吸水性還可以減少混凝土的界面泌水，增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度，提升混凝土的各項(xiàng)性能[24]。但是一旦機(jī)制砂混凝土中的石粉含量過大時，則會使混凝土出現(xiàn)部分游離態(tài)的石粉，這不利于集料與水泥石的黏結(jié)，當(dāng)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(shí)際水灰比大大減小，水泥水化實(shí)際用水量不足，使得混凝土的強(qiáng)度降低[25]。

1.5 其他因素

機(jī)制砂混凝土的工作性能除了由上述的關(guān)鍵因素決定之外，同時機(jī)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(xiàng)性能產(chǎn)生影響。

2 研究現(xiàn)狀與不足

目前，對機(jī)制砂混凝土的研究主要是針對低強(qiáng)混凝土，而關(guān)于高強(qiáng)和高性能的混凝土研究較少[29]，由于機(jī)制砂影響混凝土性能的參數(shù)有很多，在高強(qiáng)混凝土中，機(jī)制砂的級配、石粉含量等與低強(qiáng)混凝土相比有很大的不同[30]，而且為了使機(jī)制砂混凝土能夠滿足高性能和高強(qiáng)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(qiáng)和高性能機(jī)制砂混凝土中的使用都需要我們進(jìn)一步去研究和完善。

3 結(jié)語

從當(dāng)前建筑行業(yè)和混凝土行業(yè)的發(fā)展趨勢來看，機(jī)制砂混凝土在今后建設(shè)工程項(xiàng)目中的應(yīng)用會越來越多，也越來越普遍，使用機(jī)制砂混凝土不僅可以降低建設(shè)成本，而且能減少對自然砂資源的開采，保護(hù)我們的生態(tài)環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文在針對機(jī)制砂混凝土已有的研究基礎(chǔ)上，總結(jié)了機(jī)制砂影響混凝土性能的主要因素，并分析了原因，希望能夠?qū)窈髾C(jī)制砂混凝土的研究有所幫助。