机制砂母岩特性对机制砂混凝土性能影响的研究现状

张元朔，章家海，项炳泉，王晓海，陈慧，詹奇淇，李娜娜

（1.安徽省建筑科学研究设计院绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程质量第二监督监测站，安徽 合肥 230031）

1 引言

由于天然砂资源日益匮乏，为推进砂石产业健康有序发展，机制砂逐渐成为我国混凝土用砂的主要来源。为积极配合国家环境保护重大战略发展要求，加快“绿色（水）青山”建设，安徽省近年来着力推动机制砂的生产与应用，以充分保障建筑行业健康持续发展。

安徽省建筑石料用矿产资源丰富，加工机制砂的母岩种类繁多，主要的矿石自然类型分为火山岩、沉积岩和变质岩三类。火山岩中作为制砂母岩，常用的岩石类型有花岗岩、玄武岩和闪长岩等；沉积岩常用的制砂母岩有石灰岩和砂岩；变质岩常用的制砂母岩有片麻岩和白云岩，且安徽省内岩石类型的分布具有一定的地域专属性。在生产机制砂时，制砂厂会优先选取物理化学性质稳定的岩石作为制砂母岩。然而，目前对机制砂的研究集中在母岩为石灰岩的机制砂，由于各地制砂采用的母岩类型很多，对于母岩为片麻岩、花岗岩等常见岩性的机制砂对混凝土性能影响的研究较少，缺乏理论和实践指导（图1）。

2 母岩岩性对机制砂混凝土工作性的影响

机制砂的母岩岩性对混凝土工作性的影响主要体现在流动性、和易性和泌水率等方面。赵社民采用母岩岩性为石灰岩、玄武岩、片麻岩的机制砂分别配制C20、C30、C50三种强度等级的混凝土进行和易性对比试验，他认为混凝土和易性和泌水率的差异与母岩岩性的相关性很小，影响不显著。宋少民等选取了安山岩、花岗岩、凝灰岩、石灰岩、石英岩、片麻岩六种母岩岩性的机制砂，研究显示不同岩性的机制砂对胶砂和混凝土的和易性影响与机制砂表面织构、石粉吸附性和化学组成的相关性较大。其中，颗粒表面织构不平整、吸附性较大的花岗岩和片麻岩与外加剂的适应性较差，对胶砂和混凝土的和易性影响较大。Donza等对比研究了天然砂与母岩岩性分别为花岗岩、石灰岩和白云岩机制砂混凝土的和易性，他指出机制砂的特性主要取决于制砂母岩的化学和矿物成分、岩石类型、容重、硬度、强度、物理和化学稳定性以及岩石内部孔结构等。因此机制砂在建设工程的应用，需要提前对不同岩性、粒形系数和细度模数的机制砂混凝土进行试验，以确定机制砂与外加剂的适应性和最优掺量（下图）。

3 母岩岩性对机制砂混凝土力学性能的影响

研究结果显示机制砂混凝土的强度一般优于同龄期天然河砂混凝土的强度，这可能是由于机制砂表面粗糙、颗粒的多棱角性等特性，从而使得机制砂与水泥石之间的粘结力增大。然而对于不同岩性机制砂对混凝土力学性能的影响仍缺乏系统研究。

天然砂与机制砂

梁金科分别采用玄武岩机制砂，以 0%、20%、40%、60%、80%、100%的替代率替代天然河砂，以探究玄武岩机制砂对混凝土性能的影响。研究结果显示，当混凝土强度等级为C50，水胶比为0.39，砂率为39%时，7d、28d、56d纯机制砂混凝土的强度分别是纯天然砂混凝土强度的86%、89%、95%。因此，他指出玄武岩机制砂有利于混凝土后期强度的升高，且不同含量的玄武岩机制砂混凝土的抗压强度整体上低于天然砂混凝土，随着龄期增长纯机制砂混凝土强度与天然砂混凝土强度越来越接近。赵社民对比研究了石灰岩、片麻岩、玄武岩三种母岩岩性机制砂对混凝土力学性能的影响，研究结果显示当混凝土强度等级为C20时，石灰岩机制砂混凝土各龄期强度均高于玄武岩和片麻岩机制砂混凝土；混凝土强度等级为C30时，片麻岩机制砂混凝土各龄期强度等级均高于石灰岩和玄武岩机制砂混凝土；混凝土强度等级为C50时，玄武岩机制砂混凝土28d、60d强度均高于石灰岩和片麻岩机制砂混凝土同龄期强度。然而试验结果显示，机制砂母岩岩性虽然对不同强度等级混凝土的影响略有差异，但差异并不显著。

李强研究分析了不同掺量的花岗岩机制砂对混凝土力学性能的影响规律，结果表明：随着花岗岩机制砂掺量的增加，混凝土力学性能均呈先增大后减小的趋势，对于最大抗压、抗折和劈拉强度而言，最佳机制砂掺量分别为10wt%、10wt%和15wt%，这主要是由于石粉的填充效应以及机制砂与水泥浆体之间具有更大的粘结力。程成的研究结果表明，对于不同岩性机制砂配制的混凝土，石灰岩的抗压强度最高，其次为凝灰岩和片麻岩，安山岩、花岗岩和石英岩最小。

综上所述，机制砂母岩岩性对不同强度等级混凝土的影响存在差异，但差异并不显著。此外，在进行试验的过程中除应对不同母岩岩性的机制砂，设置相近的细度模数、颗粒级配外，还应考虑机制砂本身携带的石粉含量、受风化程度以及颗粒形貌对混凝土性能的影响。

4 母岩岩性对机制砂混凝土耐久性的影响

赵社民分别选取石灰岩、片麻岩、玄武岩三种岩性的机制砂配制C20、C30、C50三个强度等级的混凝土，并进行混凝土的抗冻性试验。他指出硬化混凝土的抗冻性主要受混凝土内部孔隙大小的制约，其中对混凝土抗冻性影响最显著的是孔径大于100nm的毛细孔。由不同母岩岩性机制砂配制的C20、C30、C50混凝土，其抗冻等级分别为F100、F150和F300。且对于同一强度等级、不同岩性的机制砂混凝土在经过相同次数的冻融循环试验后，混凝土的相对动弹性模量差值在8%以内。因此，赵社民认为机制砂母岩岩性的变化对不同强度等级混凝土的抗冻性没有显著的影响。梁金科通过对玄武岩机制砂和天然砂以不同的比例复掺到混凝土中，分别测试不同龄期混凝土的收缩应变性能。研究结果显示纯玄武岩机制砂混凝土的收缩应变高于纯天然砂混凝土，但当玄武岩机制砂含量小于40%时，有利于降低混凝土的收缩应变。

综上所述，由物理化学性质稳定的母岩制得的机制砂，其母岩岩性对混凝土的耐久性的影响并不显著。除此之外机制砂混凝土的耐久性还受机制砂性能（如堆积密度、颗粒形貌、孔隙率）和石粉含量的影响。前人针对机制砂中石粉含量、级配对机制砂混凝土性能的影响进行了大量的研究，而对于机制砂颗粒形貌对混凝土工作性、力学性能和耐久性的影响仍然较为薄弱。针对机制砂颗粒形貌对混凝土流动阻力、表观黏度等性能的影响将会是未来研究的热点问题。

5 不同岩性的石粉对机制砂混凝土力学性能的影响

石粉作为机制砂生产的副产品，其对水泥基材料的影响主要包括四种效应：晶核效应、稀释效应、充填效应和化学效应。一般在混凝土中，石粉主要是以惰性填充物的形式存在，对粗细集料起到充填效应、对水泥具有稀释效应。然而某些岩性的石粉由于含有活性的SiO、AlO等活性组分，在水泥浆强碱性的环境下，会发生一系列反应，进而对混凝土的性能进一步产生影响。

汤晴对比了石灰岩和凝灰岩机制砂石粉对混凝土的力学性能影响，研究结果显示，对于C30和C60混凝土，抗压强度的最佳石粉掺量分别为10%～15%、7%～10%；当强度等级达到C80时，随石粉含量的增加机制砂混凝土抗压强度呈下降趋势。姚楚康指出不同岩性的石粉具有不同的矿物成分和结构，从而对机制砂混凝土的性能产生不同的影响。他通过不同岩性石粉取代机制砂，探究石粉岩性对砂浆力学性能的影响，结果显示掺不同岩性石粉的砂浆3d抗压强度从高到低依次为：石灰岩＞辉绿岩＞白云岩＞卵石＞砂岩＞花岗岩，28d抗压强度与3d抗压强度的规律基本一致。同时，他还指出不同岩性的石粉对砂浆的工作性、强度、耐久性和体积稳定性均有较大的影响，而石粉岩性对C30、C60混凝土抗压强度性能的影响较小。杨海成研究了砂岩石粉对水泥砂浆的力学性能影响发现，砂岩的石粉掺量在5%～11%时，随着石粉含量的增加砂浆的7d和28d抗压强度和抗折强度均有所增大，说明砂岩石粉可促进水泥基材料的早期水化过程。宋少民等采用了替代率为 0%，20%，40%，60%，80%，100%的变量研究了片麻岩机制砂石粉对砂浆性能的影响，得出结论砂浆的抗压强度随石粉掺量的增加呈先增大后减小的趋势，拐点出现在60%～80%之间。

一般情况下，石粉的适宜掺量与混凝土（或砂浆）中的孔结构有关。对于高水胶比混凝土，孔隙率较高，石粉可以优化孔结构、充填孔隙，起到促进水泥水化、优化胶凝材料与集料反应界面的积极作用；对于低水胶比混凝土，其孔隙率较低，石粉对胶凝材料体系稀释效应的影响更为显著，对混凝土（或砂浆）的性能起到负面的效应。因此石粉对混凝土（或砂浆）孔结构的影响，是石粉影响混凝土（或砂浆）性能的关键因素。此外不同岩性的石粉对混凝土和砂浆性能的影响还体现在不同岩性石粉的矿物成分和结构的影响上，还需要进一步深化研究。

6 结论

综上所述，机制砂对混凝土性能的影响受到岩性、石粉含量、混凝土强度等级、砂颗粒特性和砂MB值等因素的影响，不同岩性机制砂对混凝土性能的影响幅度不同但差异不大。

机制砂石粉的掺量和岩性均会对混凝土的性能产生影响，不同掺量和不同活性的石粉会改变混凝土的和易性，从而改变密实度，最终影响混凝土的力学性能。机制砂中的石粉含量对不同强度等级的混凝土影响不一致，机制砂中石粉含量的限值应根据混凝土的强度等级来确定。不同岩性石粉活性顺序为石灰岩>大理岩>玄武岩>花岗岩>片麻岩>石英岩。