機(jī)制砂對混凝土性能影響研究現(xiàn)狀

張雪楠

（吉林省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，吉林 長春130011）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，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(huán)境問題也日漸凸顯，機(jī)制砂作為天然砂的替代產(chǎn)品將成為未來混凝土的重要組成材料。

機(jī)制砂是經(jīng)除土、機(jī)械破碎、篩分制成的粒徑＜4.75 mm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。機(jī)制砂性能由破碎方法和原材料性質(zhì)決定[1-2]，機(jī)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(jī)制砂顆粒表面與水泥漿體之間界面過渡區(qū)面積，從而改善混凝土力學(xué)性能[6]。文中主要闡述機(jī)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(xiàn)狀。

1 機(jī)制砂原料來源對混凝土性能影響

根據(jù)機(jī)制砂原材料的來源不同，機(jī)制砂可分為巖石破碎得到的機(jī)制砂、尾礦破碎得到的機(jī)制砂和工業(yè)廢渣破碎得到的機(jī)制砂。

1.1 巖石破碎得到的機(jī)制砂

巖石破碎得到的機(jī)制砂由于原材料巖性存在差異，機(jī)制砂的微觀形貌、表面宏觀形態(tài)、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(jī)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?guī)r、石灰?guī)r、石英巖和片麻巖6種不同巖性的機(jī)制砂，對它們的表面織構(gòu)和成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)安山巖、石灰?guī)r、石英巖表面光滑，花崗巖、凝灰?guī)r、片麻巖表面粗糙，除石灰?guī)r屬于鈣質(zhì)機(jī)制砂以外，其余均屬于硅質(zhì)機(jī)制砂。研究考察了不同巖性機(jī)制砂對混凝土和易性和與水泥適應(yīng)性的影響，結(jié)果表明，表面粗糙的機(jī)制砂對混凝土和易性影響較大并且與減水劑的適應(yīng)性較差，鈣質(zhì)機(jī)制砂對混凝土和易性的不利影響整體上低于硅質(zhì)機(jī)制砂。孫星海等[8]分別采用了以石灰?guī)r為主的機(jī)制砂、泥灰?guī)r為主的機(jī)制砂和石英巖為主的機(jī)制砂，研究了機(jī)制砂巖性對其宏觀形貌的影響，結(jié)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(jī)制砂的圓形度為泥灰?guī)r為主的機(jī)制砂＞石灰?guī)r為主的機(jī)制砂＞石英巖為主的機(jī)制砂，長徑比為石英巖為主的機(jī)制砂＞石灰?guī)r為主的機(jī)制砂＞泥灰?guī)r為主的機(jī)制砂，當(dāng)粒級達(dá)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(rèn)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(zhì)機(jī)制砂相較于硅質(zhì)機(jī)制砂表面顯微結(jié)構(gòu)更為粗糙不平,能夠顯著提高界面過渡區(qū)粘結(jié)面積,在一定程度上提高機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能。從表面宏觀形態(tài)上看鈣質(zhì)機(jī)制砂相較于硅質(zhì)機(jī)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(jī)制砂的基巖時應(yīng)對巖石成分進(jìn)行分析，優(yōu)先選取鈣質(zhì)基巖為制備機(jī)制砂的原料。

1.2 尾礦破碎得到的機(jī)制砂

常見的尾礦破碎得到的機(jī)制砂為鐵尾礦機(jī)制砂，其是在選礦廠將礦石磨細(xì)提取有用組分后經(jīng)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(qiáng)度的影響，隨著鐵尾礦機(jī)制砂取代河砂比例增加其坍落度略有降低，但其抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增加趨勢，結(jié)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(xì)度模數(shù)為3.5的碎石破碎得到的機(jī)制砂，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用鐵尾礦機(jī)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(xué)性能和耐久性能均優(yōu)于只用碎石機(jī)制砂配制的混凝土。因此，鐵尾礦機(jī)制砂不僅可以取代河砂，還可以與級配較差的機(jī)制砂混合使用改善其顆粒級配，使其可以用于生產(chǎn)混凝土。

1.3 工業(yè)廢渣破碎得到的機(jī)制砂

由于工業(yè)廢渣來源較廣，故采用工業(yè)廢渣破碎得到的機(jī)制砂與河砂性質(zhì)差異較大。目前，對采用工業(yè)廢渣破碎得到的機(jī)制砂制備混凝土的研究較多。如采用廢陶瓷制備的機(jī)制砂，其物理力學(xué)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(jī)制砂取代河砂量的增加混凝土工作性能降低、抗壓強(qiáng)度先上升后降低[11]，如圖1所示，任非認(rèn)為工作性能降低和抗壓強(qiáng)度上升是由于廢陶瓷機(jī)制砂表面粗糙摩擦力增加所致，廢陶瓷機(jī)制砂取代河砂比例為50%時效果最佳，當(dāng)廢陶瓷機(jī)制砂取代率繼續(xù)增加，需水量增加，反應(yīng)速度減慢，使得包裹在機(jī)制砂表面的反應(yīng)產(chǎn)物數(shù)量減少，抗壓強(qiáng)度降低。另外，鎳渣砂作為混凝土細(xì)集料也是可行的，周敏等[12]采用鎳渣砂部分取代機(jī)制砂制備了普通混凝土和高強(qiáng)混凝土并對其相關(guān)性能進(jìn)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(dāng)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(qiáng)度和抗氯離子滲透性能提高。

2 機(jī)制砂制備工藝對混凝土性能影響

機(jī)制砂根據(jù)生產(chǎn)工藝可以分為濕法生產(chǎn)水洗機(jī)制砂和干法生產(chǎn)機(jī)制砂。濕法水洗機(jī)制砂相較于干法生產(chǎn)機(jī)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(jī)制砂配制混凝土很容易產(chǎn)生泌水離析與和易性較差的問題，另外采用水洗工藝會產(chǎn)生大量泥漿對周邊環(huán)境造成影響。干法生產(chǎn)機(jī)制砂具有細(xì)度細(xì)、含粉量較高、顆粒級配較好等優(yōu)點(diǎn)，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(xì)粉吸附性較強(qiáng)，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(xué)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(jī)制砂進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)水洗砂的MB值為0.9、需水量為112%，優(yōu)于干法制砂的MB值1.2、需水量121%，并將2種機(jī)制砂進(jìn)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(xué)性能和耐久性能最佳。艾春琿等[14]分別采用了水洗機(jī)制砂和干法生產(chǎn)機(jī)制砂配制混凝土，發(fā)現(xiàn)水洗機(jī)制砂相較于干法生產(chǎn)機(jī)制砂配制混凝土易出現(xiàn)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(jī)制砂細(xì)度模數(shù)較大、含粉量較少且顆粒形態(tài)不佳，艾春琿等通過采用保水型母液復(fù)配的減水劑有效的克服了水洗機(jī)制砂混凝土易出現(xiàn)泌水與和易性差的問題。

3 機(jī)制砂中石粉含量對混凝土性能的影響

機(jī)制砂中的細(xì)粉由與母巖化學(xué)成分相同的石粉和黏土質(zhì)泥粉組成，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684—2011將它們統(tǒng)稱為石粉。由于組成石粉的母巖性質(zhì)和黏土質(zhì)泥粉含量的差異，其吸附性能也存在一定的差異，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684—2011采用亞甲藍(lán)（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(xué)性能和耐久性能降低等問題[15]。

目前，國內(nèi)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(rèn)為在一定范圍內(nèi)石粉含量對機(jī)制砂混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)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(jī)制砂混凝土力學(xué)性能差異與石粉含量有關(guān)，隨著石粉含量增加混凝土峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變呈先增加后降低的趨勢，在應(yīng)力和應(yīng)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?guī)r機(jī)制砂混凝土性能的影響，結(jié)果表明，隨著石粉含量增加相關(guān)性能均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，存在最佳石粉含量，并通過控制機(jī)制砂石粉含量使C45凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的綜合性能優(yōu)于C45天然砂混凝土。另一部分研究人員[20-21]認(rèn)為增加石粉含量會降低機(jī)制砂混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度，這可能是由于不同巖性機(jī)制砂石粉吸附性差異引起的,王振等[22]研究表明凝灰?guī)r和石灰?guī)r石粉對膠砂強(qiáng)度的影響優(yōu)于其它巖性石粉。

4 機(jī)制砂混凝土存在技術(shù)問題及對策

前已述及機(jī)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(jī)制砂混凝土的工作性能和力學(xué)性能影響較大。在機(jī)制砂應(yīng)用過程中可采取以下措施。

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

2）機(jī)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(yīng)通過試驗(yàn)確定石粉最佳含量，以降低石粉含量對機(jī)制砂混凝土工作性能和對外加劑用量的影響。

3）由于機(jī)制砂存在級配差的問題，只有選用級配良好的機(jī)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(jī)制砂之間摻配使用改善機(jī)制砂混凝土性能。

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

5 結(jié)語

機(jī)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(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。然而，由于機(jī)制砂相較于天然砂存在諸多問題，在一定程度上限制了機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用，并且不同巖性的機(jī)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(jī)制砂混凝土，應(yīng)結(jié)合機(jī)制砂自身特點(diǎn)合理使用。