浅析新型建筑材料机制砂

王光明

(中铁二局，四川成都610031)

砂是组成混凝土的主要材料，随着建筑业发展和对建筑工程质量的重视，建筑市场用砂数量越来越大，质量上要求越来越高。而用来保证工程质量的优质天然砂资源却逐渐枯竭，由此引发的工程质量及乱捞滥采导致农田、水利资源问题日趋严重。因此，这些传统天然砂引发的建设与环境之间矛盾成为以后建筑业发展的障碍。这样一来，工程应用中采用天然砂的代替材料——机制砂便成为一种新的趋势。

机制砂资源丰富，取材方便，成本低廉。但国内很多工程界的人士对机制砂的认识比较陌生，没有使用机制砂的经验，因此在推广的过程中有很大的阻力。如何更好认识和利用好机制砂是今后建筑行业值得探索的一个新领域。这不但对我国的基础建设有重大的经济意义，而且有利于建筑行业今后朝资源节约，环境友好型发展。

1 机制砂的特点

2002年实施的(GB/T 14684－2001)《建筑用砂》中定义了机制砂:机制砂是由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75 mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒。机制砂这种人造建筑材料显然与天然河砂有很多不同之处。机制砂的粒型、细度模数、级配、石粉含量等四个方面是影响其配制混凝土性能的主要因素。下面从这四个方面来阐述机制砂的特点。

1.1 粒型

机制砂的粒型主要为角锥型和不规则型。其颗粒形状主要是由母岩材料的层理和岩性、制砂设备以及生产工艺流程不同而变化。粒型会影响集料堆积的紧密性和空隙率，从而影响填充集料空隙的凝胶材料的体积。形状趋于方形、圆形且粒型表面光滑时，新拌混凝土有较好的流动性，反之流动度差。因此机制砂的粒型和表面特征影响混凝土的工作性能。另外，机制砂表面的粗糙增加水泥浆体骨料界面的机械咬合力，使硬化混凝土的强度提高。

1.2 细度模数

没有经过调配的机制砂一般为中粗砂，细度模数偏大，大约在3.3以上。不过机制砂是人工生产的，其细度模数可以人为控制。如果要实现机制砂完全代替天然砂，必须选择合适的制砂设备和改进生产工艺以获取生产细度模数小于3.0，级配优良的机制砂。

1.3 级配

在制备混凝土时，都趋向于使集料达到最佳级配，这就意味着通过不同大小颗粒的集料的最佳比例来获取最紧密的堆积状态，此时的空隙率最小，这样可以减少凝胶材料的用量。机制砂中存在大量的石粉，因此从级配角度来讲适量的石粉作为微填充物是有益的。然而，机制砂并不是级配越好配制的混凝土质量就越高。因为机制砂颗粒表面多棱角，粗糙度大，级配越好，紧密程度加大，骨料之间的摩擦力也会增大，这对混凝土的工作性能会产生不利影响。因此，机制砂在配制混凝土时，要同时考虑凝胶材料的用量和混凝土的工作性这两方面相协调。

1.4 石粉

石粉是机制砂中粒径小于0.075 mm的颗粒。陈家珑的一项研究表明，石灰岩质机制砂中的石粉70%的颗粒分布集中在0.016 mm以上，平均粒径为0.0369 mm，因此石粉的粒度分布决定着它不仅作为骨料之间的填充剂，还在一定程度上改善了混凝土的粘聚性和工作性[1]。石粉对混凝土的各项性能影响的利弊不同，因此机制砂中的石粉含量达到什么样的水平，才能使配制的混凝土的性能达到最佳是很难确定的。经研究表明:石粉的最佳含量受机制砂母岩的种类、粒型、粒度分布、比表面积、级配和细度模数以及混凝土的强度等级、种类、矿物掺合料和使用环境等多方面的因素有关。

2 机制砂替代天然砂的可行性

机制砂与河砂相比，具有级配控制相对稳定，粒型和级配都可以根据使用要求来调整;棱角性好，与水泥浆体的粘结力较强，其最大粒径和含水量均可精确控制等优点。但是这些孤立的性质并不能说明它能够取代河砂在混凝土中发挥很好的骨料性能。因此，下面从机制砂混凝土的工作性能、强度、耐久性等方面来阐述机制砂代替天然砂的可行性。

2.1 机制砂混凝土的工作性

机制砂粒型的棱角性决定其配制出的混凝土具有和易性差、保水性差、泌水性高、粘聚性差等缺点，但是机制砂中的石粉存在填充了不规则多棱角形成的空隙，又会使空隙减少，增加了混凝土的粘聚性，改善了和易性差的缺点。研究表明在低水泥用量的情况下，由于石粉的作用，也可配制出工作性符合要求的混凝土。特别对于碾压混凝土，要求机制砂中的石粉含量不低于12%，以利于混凝土的碾压成型。从这方面来讲，含有石粉的机制砂要优于天然砂。

2.2 机制砂混凝土的强度

机制砂目前可以配制各种强度等级的混凝土。据有关资料介绍，在同等条件下用机制砂配制的混凝土比天然砂配制的混凝土的强度高，这主要因为石粉对混凝土的填充作用，使混凝土更加密实的缘故。

2.3 机制砂混凝土的耐久性

虽然机制砂的棱角粒型使其配制的混凝土骨料空隙率较大，会对机制砂的耐久性产生不利影响，但如果在配制机制砂混凝土时掺加一定量的石粉或天然细砂，就可以达到耐久性要求。机制砂的石粉虽然不具有活性，但是提高了混凝土的密实性，增强了水泥与骨料界面的粘结，改善了水泥石的孔隙结构，从而使与毛细孔隙结构有关的抗渗性和抗冻性得到了提高，达到耐久性好的目的。

3 机制砂的生产

机制砂混凝土能否达到要求，其决定因素是用于配置混凝土的机制砂的质量。机制砂的质量取决于制砂的生产工艺。优良的生产工艺不仅能生产出满足工程要求的机制砂，而且经济性、环保性都很高。一般来说，制作机制砂的设备中，棒磨式、锤式和冲击式等优于反击式、圆锥式和旋盘式;腭式、棍式和旋回式最差。衡量其优劣的标准是制出的机制砂的粒型、细度模数、级配、石粉含量是否能达到工程要求。并且在设备选型时调配好其规格，功率必须与生产的客观环境相适应，要注意与进料粒径，生产能力，效率相匹配。另外，原料的破碎、制砂、筛分设备一定要匹配，这样才能提高生产效率。

生产机制砂的母岩要求洁净、无泥块腐殖物、质地坚硬、无软弱颗粒和风化石，石质要求三级或三级以上，这样才能保证生产出的机制砂的硬度达到要求。机制砂的细度模数是可以在生产中予以控制的，由于各种设备生产出的机制砂的细度模数各不相同，差异性较大，可以用各种机制砂设备同时进行生产，然后将各种砂按不同比例混合从而生产出不同细度模数的机制砂。这种尝试不仅很好地满足工程需要，还为机制砂的工业化生产提供了技术平台。

值得注意的是，由于机制砂中的石粉含量是影响机制砂使用的重要因素，制砂时一定要注意控制其石粉含量。目前大多数工艺生产出的机制砂的石粉含量在10%～20%之间[2]，这就要求一些工程对机制砂进行除石粉。现在常规的除石粉的方式有湿式水洗法和干式气流分离法。虽说湿式制砂工艺可以达到良好的除石粉效果，但是冲水除尘，不但需要大量的水资源，矿粉资源不能充分利用，还造成浪费和环境污染。由于湿式法的冲水量和冲水压力不易控制，导致一些较细的骨料也一并除去，所以使生产出的机制砂的砂当量和级配不稳定。国外主要采用干式制砂工艺，这样不仅节约了水资源，还生产出了高附加值的矿粉，有良好的经济效益。不过干式制砂是不可避免的会对空气造成粉尘污染，这种工艺也有需要改进的地方。2002年，我国实施的用砂标准，把颗粒级配、石粉含量和坚固性检查都定为机制砂出厂和施工现场复检的重要内容，所以必须充分考虑各种因素，使机制砂的各项指标符合国标要求，这样的机制砂才是我们工程需要的。

4 机制砂的经济效益明显

机制砂现场收料方式固定、稳妥，不存在收料误差和质量问题。目前，天然砂在施工过程中损耗过大，特别是施工单位施工收料过程易出现误差。某些工地出现上万立方米的砂石亏损，其原因一是收料人员责任心不强，随意性强，过于依靠经验收料收方，或者供货商投机取巧;二是使用过程中，浪费现象严重，于是便出现了现场砂石数量亏损的现象。

5 机制砂环保性强

机制砂与天然砂在环保和扬尘方面存在较大差异。首先，机制砂是袋装保存，在运输过程中能有效减少对道路的污染，也不易造成扬尘。其次，机制砂是袋装保存，施工现场存放过程中也不易造成场地污染和施工扬尘，能有效起到环境保护的效果。而目前我国天然砂无论在运输过程还是施工现场存放、使用都存在较大的环境污染风险。比如，目前很多地区对运输砂石的车辆出台了限时运输的规定，目的是避免污染道路和扬尘，但造成施工单位诸多不便。此外，施工现场堆放天然砂石对场地条件要求较高，要防止散落、要进行覆盖，否则易造成浪费和扬尘过多。就目前情况看，很多工地在砂石的扬尘控制方面做得不理想，不但污染环境，对施工人员身体健康危害也很大。

6 机制砂的应用现状和前景

从20世纪60年代开始，我国在水利水电工程中已经成功应用机制砂的例子有很多，如三峡大坝的二、三期工程、龙滩水电站、湖北宣恩洞坪水利枢纽工程等大型水利水电工程都采用了机制砂，而且配制的混凝土种类繁多，包括碾压混凝土、泵送混凝土，强度也达到了C70以上[3]。而且在实验室设计的C100的机制砂混凝土90 d的实际强度达到了155 MPa。但是机制砂在交通土建工程中的应用颇少，亟待积累经验。实践证明:机制砂在添加矿物掺合料和化学外加剂后，完全可以取代天然砂应用于高强混凝土的高层泵送施工[4]，泵送效果好。如果纯机制砂小于0.3 mm的颗粒含量较少，纯天然细沙这部分的颗粒含量较多，在机制砂中掺一定比例的天然细砂可以很好的弥补这一缺陷。实验研究表明，用60%的机制砂掺加40%的天然细砂做细骨料，能满足高性能混凝土的各项施工要求，并较之天然砂效果更为理想[5]。机制砂和天然砂的混合使用，使机制砂的使用范围大大增加，这对于今后土建交通类工程机制砂的使用开辟了新的途径。

美国、日本、英国等国家生产和使用机制砂已有几十年的历史了，如20世纪80年代日本就提出了天然集料与人工集料的配合比例大约为9∶10，90年代降为1∶2[6]。法国开发出具有隔热、轻质、防火、耐震等特性的机制砂。国外相继研制出了不易变形、不受气候影响、不易于其他建筑材料产生化学或生物反应的建筑用砂，这些国家将机制砂纳入其国家标准的时间至少30年以上。而目前我国标准对机制砂的各种指标的规定不是十分精确，特别是在石粉含量限值的规定方面争议较大，很多学者都致力于石粉含量的实验研究。国标对石粉含量严格限制为7%，很多研究表明在低等级的混凝土中的石粉含量高达15%～18%时，混凝土仍然具有很好的性能[7]。

目前国内机制砂的生产和应用还处于初始阶段，其应用范围在逐年增大。以前主要应用于水利工程中，现在逐渐向市政、道路、桥梁、高层建筑方面延伸。机制砂几乎可以配制所有强度等级的混凝土，对质量和耐久性都有保证。我国有大量的矿产资源，在采矿加工过程中伴随着上百亿吨的尾矿，既占用了大量的土地，又造成环境污染。如果经过适当的分选和加工，制成质量优的机制砂，这样就形成了良好的综合效益。因此，机制砂有着巨大的应用前景。

7 结束语

随着天然砂短缺的形势日益加剧，开展机制砂在混凝土中应用的研究势在必行。机制砂代替天然砂不仅具有一定的经济性和适用性，还具有一定的环境效益和社会效益，而且由于机制砂的生产不受气候季节的影响，且在生产工艺上能得到有效控制，产品的质量相对稳定，对混凝土拌合物性能和耐久性都能明显改善，有利于提高建筑工程的质量。但是目前机制砂的有关标准和应用研究还不能满足各种工程的要求，特别是机制砂中的石粉问题。因此这方面的研究对今后机制砂能够推广有重要意义。

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