机制砂对混凝土性能影响因素的探讨

梅 超 费洗非 郭 伟 梁家斌

（珠海春禾新材料研究院有限公司）

0 引言

随着我国基建工程地进行，城镇化程度不断地提高，我国混凝土产量也在逐年增加，目前用于混凝土制备的砂石主要是自然砂，而天然砂已经无法完全满足工程建设的需要[1]，而且随着国家生态文明的不断推进，各个地区也出台了关于自然砂石限采或禁采的政策。所以，为了保护我们的生态环境，同时确保工程建设能够稳定地进行，选用机制砂取代自然砂来制备混凝土[2]已经成为了当前实际工程和科学研究的热点。

⑴自然砂

天然砂是在自然中经过化学、物理、生物共同作用风化后、然后通过河流的搬运和分选、最终形成的粒径小于4.75mm 的岩石颗粒，机制砂按照产源的不同主要分为河砂、海砂、山砂，是一种短时间内无法再生的资源[3]。机制砂经过长时间的风化后，表面能降低，能够在混凝土内部稳定存在。

⑵机制砂

机制砂是由岩石首先经过除土开采、然后机械破碎、最后筛分成的粒径小于4.75mm 的颗粒，但是不包含风化岩石和软质岩颗粒，它具有强度较高、物理力学性能好[4]、石粉含量可控、级配稳定等优点，可以提高混凝土的密实程度，改善混凝土工作性能[5]，同时机制砂的原材料中可加入矿物废渣、建筑垃圾，缓解了资源和环境的压力，已经被广泛地应用到了预拌混凝土中[6]。

机制砂的质量除了与母岩的岩性有关，还与其生产工艺有关，不同的破碎、筛分和除粉工艺决定了机制砂的粒形、级配、石粉含量等最终都会对混凝土的性能产生巨大的影响[7]。

1 机制砂影响混凝土性能的因素

1.1 机制砂的岩性

目前，市场上用于加工机制砂的岩石种类较多，机制砂母岩的不同对制备的混凝土性能会有一定的影响。研究表明，利用不同种类的机制砂制备的混凝土，其力学性能的差异与养护龄期有关，唐凯靖[8]选用玄武岩机制砂和石英质机制砂和河砂分别配制了C50 混凝土，并测试了混凝土的抗压强度，结果显示，二者的3 天抗压强度相差达15.5MPa，而二者的28 天抗压强度相差则减小到了2.3MPa。同时混凝土的强度等级也会影响不同的机制砂混凝土力学性能的差异。汤晴[9]分别利用石灰岩和凝灰岩机制砂配制了不同强度等级（C30、C60、C80）的混凝土，通过测试二者的力学性能后发现，在混凝土的强度等级比较低时，二者的28 天抗压强度相差很小，而随着配制的机制砂混凝土强度等级的提高，二者的28 天抗压强度相差会变大，而且利用石灰岩配制的机制砂混凝土的力学性能明显比凝灰岩机制砂混凝土好。而宋少民[10]等选取了六种常见不同岩性机制砂，配制了C30 和C50 两种混凝土，研究了在相同级配、粒形的条件下，机制砂岩性对混凝土28 天抗压强度的影响。结果表明，对于C30 混凝土，利用石灰岩和花岗岩配制的机制砂混凝土的28 天抗压强度比较接近，二者相差约为5MPa；对于C50 混凝土，28 天抗压强度最高的石灰岩机制砂混凝土与最低的花岗岩机制砂混凝土相差约为20MPa。

机制砂的岩性影响混凝土力学性能的原因主要是不同的机制砂母岩自身的成份、风化程度和杂质含量不一样，导致制得机制砂的质均性和在混凝土中的分散性有差异，最终会影响机制砂与混凝土结合的紧密程度[11]。

1.2 机制砂的掺量

为了缓解对自然砂资源的开采和消耗，在实际工程中常常利用机制砂来代替部分自然砂，与自然砂一起混合使用来制备混凝土，但是机制砂的掺量对混合砂混凝土的各项性能有着重要的影响。邓翀[12]等在研究了机制砂的掺量对混凝土各项性能的影响后发现，机制砂取代部分河砂能够增强混凝土早期的抗裂性能，但是也会使混凝土的干缩变大，随着机制砂掺量的增加，混凝土的流变性会逐渐减小，当机制砂掺量小于40%时，够抑制混凝土产生的徐变，而掺量超过40%时反而会使混凝土的徐变增大。

与自然砂相比，机制砂表面不规则，比较粗糙，与水泥的结合更为紧密，这能够提高混凝土的强度[13]，同时适量的机制砂中含有的石粉还具有微料填充的效应同时还能加速水泥的水化反应，这也有利于提升混凝土的力学性能[14]。但是当机制砂的掺量很大时，使得机制砂向混凝土中带入的石粉含量过多，使混凝土中自由水与水泥比增大，部分自由水没有参与水化反应而蒸发，导致混凝土的干缩增大，同时过量的石粉还会削弱骨料的骨架作用，使混凝土的力学性能下降。

1.3 机制砂的级配

机制砂不同的级配主要会对胶砂的流动度、胶砂的力学性能以及混凝土的工作性能产生影响。陈景[15]等通过筛分试验方法将机制砂各级配进行筛分之后按照一定规律进行重新配置，研究了机制砂不同的级配对混凝土力学性能的影响，结果表明，当机制砂筛底筛余在10%～12%时，混凝土的强度最佳。喻萍[16]等在制备并测试了不同级配的机制砂胶砂和混凝土后发现，机制砂中0.6mm 累计筛余量的多少对机制砂胶砂的流动性能影响很大。当0.6mm 机制砂的累计筛余量在40%～77%之间时，机制砂胶砂的流动度随着0.6mm 累计筛余余量的增加而变大。而艾志勇[17]等在研究了机制砂不同的级配对高强混凝土的性能后发现：1.18mm～4.75mm 的粒级组主要影响的是混凝土的泌水性，0.3～1.18mm 和0.075mm～0.3mm 的粒级组则影响的是混凝土的黏聚性。

研究表明机制砂良好的级配能一方面为混凝土提供更合理的骨架[18]，减少混凝土内部界面过渡的缺陷，另一方面能够降低孔隙率[19]，使得混凝土的包裹性更好，进而提升混凝土的工作性能。

1.4 机制砂的石粉含量

机制砂在生产的过程中，会伴随着部分石灰和石粉的出现，而石灰石粉含量的多少对混凝土的工作性能和强度有较大的影响。康利栋等[20]在制备了不同石灰石粉含量的机制砂混凝土后，通过测试其抗压强度发现，机制砂混凝土中的石灰石粉含量存在最佳的临界值，即15%，当石灰石粉含量为15%时，混凝土的抗压强度达到最高。一旦石灰石粉的含量超过15%之后，混凝土的工作稳定性就会出现比较明显的下降。但是石粉的含量在机制砂混凝土中也不是越低就越好，郑锐[21]在进行了石粉含量对机制砂混凝土性能影响的试验后得出，在机制砂各项参数固定而且指标都符合条件的前提下，当石粉含量小于3%时，混凝土的粘性较差，导致混凝土的密实度和抗拉性能较差，抗压强度较低。所以在强度不同的机制砂混凝土中，石粉的含量都应该存在一个最佳的范围。程小栓等[22]通过调整不同机制砂混凝土中的石粉含量，研究了石粉的含量对不同强度混凝土工作性能的影响，结果表明在低强的混凝土中石粉的含量最佳为10%～15%，而在强度很高的混凝土中石粉含量最佳为7%～10% 。

适量的石粉在机制砂混凝土中不仅能填充骨料和水化产物之间的间隙[23]，而且石粉具有的强吸水性还可以减少混凝土的界面泌水，增强混凝土的密实度，提升混凝土的各项性能[24]。但是一旦机制砂混凝土中的石粉含量过大时，则会使混凝土出现部分游离态的石粉，这不利于集料与水泥石的黏结，当水泥和水用量不变时，过多的石粉吸收水后使水泥浆体的实际水灰比大大减小，水泥水化实际用水量不足，使得混凝土的强度降低[25]。

1.5 其他因素

机制砂混凝土的工作性能除了由上述的关键因素决定之外，同时机制砂的破碎方式[26]、颗粒形状[27]、和泥粉含量[28]等也会对混凝土的各项性能产生影响。

2 研究现状与不足

目前，对机制砂混凝土的研究主要是针对低强混凝土，而关于高强和高性能的混凝土研究较少[29]，由于机制砂影响混凝土性能的参数有很多，在高强混凝土中，机制砂的级配、石粉含量等与低强混凝土相比有很大的不同[30]，而且为了使机制砂混凝土能够满足高性能和高强度的要求，还需要添加其他掺料，如硅粉等，对于这些外掺物在高强和高性能机制砂混凝土中的使用都需要我们进一步去研究和完善。

3 结语

从当前建筑行业和混凝土行业的发展趋势来看，机制砂混凝土在今后建设工程项目中的应用会越来越多，也越来越普遍，使用机制砂混凝土不仅可以降低建设成本，而且能减少对自然砂资源的开采，保护我们的生态环境，具有广阔的应用前景。本文在针对机制砂混凝土已有的研究基础上，总结了机制砂影响混凝土性能的主要因素，并分析了原因，希望能够对今后机制砂混凝土的研究有所帮助。