机制砂应用技术研究进展

机制砂应用技术研究进展

潘菲

（同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海201814）

摘要：近年来混凝土的使用量日益增加，导致天然砂出现严重短缺的现象，造成一系列的社会问题和环境问题。在国家政策的倡导下，机制砂等新生骨料的应用越来越广泛。机制砂由于自身特性，如含大量石粉、级配不合理、母岩种类多等，导致其应用会显著影响拌合物的品质，与传统天然砂的差异性应用规律，业限制了机制砂的应用推广。

关键词：机制砂石粉；级配

随着经济快速发展带来的建筑行业的兴起，混凝土的大量使用导致了天然砂的迅速短缺。天然砂的短缺带来了大量的问题，由于天然砂多为河砂，天然砂的过分开采，会使得所在河床逐年降低，导致水位降低等一系列问题，从而对所在地区的生态环境造成严重破坏，因此多地政府部门已经采取了限采的措施。此外，天然砂的短缺还导致了其价格的逐年增加，使混凝土产品的成本随之大幅增加。因而，需要新的细集料来改善这一情况，机制砂就是一种可替代天然砂使用的细集料。机制砂是用岩石经除土开采、机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。机制砂的出现缓解了天然砂短缺的压力，级配良好的机制砂配制出的混凝土性能相近于甚至可以超过天然砂混凝土。

1 机制砂概述

机制砂具有颗粒粒型粗糙尖锐、多棱角，颗粒内部孔隙率大、比表面积大，以及石粉含量高等特点，相比于天然砂在应用过程中具有较大差别。由于现阶段国内对于机制砂从生产到应用方面一些关键问题仍没有充分认识，导致了机制砂在应用推广过程中存在阻力。例如:生产工艺不统一造成的机制砂性能波动、机制砂自身质量的评价不统一、机制砂混凝土配合比设计的独特性以及混凝土产品性能的特殊性。首先，由于生产方式的不统一，机制砂的颗粒级配往往千差万别，不同的厂家生产的机制砂质量差距很大，由于很多机制砂是机械一次破碎而成，其颗粒形貌差，针片状等颗粒含量较多，棱角分明，导致新拌混凝土的和易性较差，不易于施工，这就造成了误解机制砂的品质差。其次，机制砂中还含有大量的石粉，国标中界定石粉为机制砂中粒径小于75μm的颗粒，石粉含量适中时，可以产生微集料效应，增强混凝土的性能；机制砂中石粉含量过高时，由于石粉的吸水率较高，不仅会导致新拌混凝土的和易性差，还会导致混凝土中的水泥无法完全水化，从而影响混凝土的强度和后期耐久性能，GB/T14684－2011《建设用砂》中规定石粉的限值为5%，从很大程度上限制了机制砂的大规模使用。

另外，由于机制砂自身的特点，造成机制砂混凝土与天然河砂混凝土相比有一定的差异性，导致工程界普遍对采用机制砂混凝土配制高强、高性能混凝土心存疑虑，因此机制砂在一些重要结构部位的应用受阻，如高速铁路的预制箱梁构件目前还是主要使用河砂混凝土。如今机制砂在一些大型土木建筑工程中也得到了应用，并且也得到了相关专家的好评，然而，由于国内多数土木建筑单位对机制砂特点还不是十分了解，因此在应用上十分谨慎；相对大的有能力生产机制砂的企业由于市场前景的不清晰，也不愿投入必要的资金设备。有的企业原始筛下物就被当做机制砂使用影响了机制砂的应用效果与声誉，从而进一步影响了机制砂的推广使用。

2 国内外研究现状

2.1 国内研究现状

现今国内学者针对机制砂进行了大量的研究工作，其中有关机制砂中石粉的研究是一大热点。根据国标中的规定，石粉是机制砂中粒径小于75μm的颗粒，但是对于石粉粒径的界定，很多学者存在着争议，有些学者在研究中界定石粉的粒径也可以界定为150μm以下的颗粒，便于试验的进行，在实际应用中，很多单位对此也并没有进行区分。

石粉的粒径细小，比表面积大，有一定的吸水性，从而导致机制砂在使用过程中存在着和易性差的问题，因此，机制砂中的石粉存在着一定的限量，根据GB/T14684－2011《建设用砂》中规定，机制砂中的石粉含量应该满足表1中的要求，由表1数据可知，国标中规定机制砂使用时石粉含量不宜高于5%。

表1 不同等级机制砂石粉含量范围


 

很多学者的研究表明这个限量是不合理的，李兴贵通过对混凝土的力学性能和干缩性能的研究，提出机制砂中石粉的最优含量应为16%左右；吴明威等人在对比混凝土的力学性能、抗渗性能等的基础上，研究了机制砂石粉的适宜掺量，结果表明机制砂的石粉掺量不宜高于10%；祁峰等人通过三种设制三种不同石粉掺量，对比分析提出石粉含量在10%左右，混凝土能获得较佳的性能；李凤兰等人的研究则表明，当机制砂的MB值符合国标要求时，对于C30混凝土，原状机制砂的石粉含量在3%～16%都是可行的。对于机制砂中石粉的最佳掺量，很多学者有不同的见解，但是普遍都高于国标中的界定。

机制砂中的适宜石粉掺量存在争议是因为机制砂中石粉对于机制砂中的石粉在混凝土中可有双重作用。机制砂中石粉可能有诸如水化、填充、保水增稠等增效作用，然而，石粉的存在对于机制砂混凝土的工作性能也有较大的影响，石粉比表面积大，需水量高，因而石粉的掺量常存在着最佳值。

杨玉辉等人就采用Brookfield流变仪测试了机制砂中石粉(风选石灰石石粉)含量对高强机制砂砂浆流变性能的影响，研究表明当机制砂中石粉含量低于5%时，石粉含量变化对砂浆工作性基本无不利影响；但当石粉含量大于5%时，随机制砂中石粉含量的提高，砂浆的塑性黏度和屈服应力增大，显著劣化砂浆的工作性能。武汉理工大学的贺图升等人就石粉对于新拌混凝土泌水率的影响做了研究，对比天然砂与机制砂不同的试验表现，表明无论是天然砂还是机制砂，其泌水率与静置时间成对数关系，随石粉含量增加(水粉比降低)，机制砂混凝土泌水率降低，泌水潜伏时间延长，泌水中沉淀物减少，即适当的增加机制砂中的石粉对于泌水率的降低有利。

机制砂中的石粉对于机制砂混凝土拌合物的影响还取决于机制砂混凝土的强度等级，很多学者对于不同强度等级混凝土的石粉掺量进行研究，综合这些研究结果来看，对于低强度等级的混凝土，如C30泵送混凝土，在考量混凝土工作性能和力学性能的基础上，石粉的最佳掺量为10%，最大可放宽至15%；对于中高强度等级的混凝土，机制砂中石粉掺量随着粉体含量的上升，其掺量要适当的下降，最佳掺量在8%左右；对于高强混凝土，石粉的最佳掺量会进一步降低，最佳掺量宜为5%左右。

根据GB/T14684－2011《建设用砂》中规定，机制砂的级配分区和机制砂的类似，如表2所示，根据每个粒径区间所占百分比的不同，分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区。但是在这个级配划分中，并没能凸显对于机制砂性能影响较大的石粉的影响，只是简单的把石粉划分到150μm以下的颗粒中，显然有所欠缺。

表2 机制砂国标推荐的颗粒级配


 

砂的一些品质参数进行了相应的研究，研究结果表明机制砂的级配和细度模数对于砂浆的流动性存在着一定影响，对强度的影响较小；刘凤兰等用孔径分别为1.18mm、0.6mm、0.15mm、0.075mm的筛子，把试验用机制砂分为4个粒径组别，并改变不同组别的机制质量分数，以此来改变机制砂的级配，研究机制砂不同级配对于机制砂干粉砂浆性能的影响，结果表明，机制砂砂浆的抗压强度、抗折强度，随着细砂含量的减小和粗砂含量的增加呈现逐渐减小的趋势；兰凤等人将3种不同粗细的砂进行混合配制，以此改变机制砂的级配，研究机制砂级配对于砂浆工作性能和力学性能的影响，研究结果表明对于砂浆的工作性能来说，不同级配的机制砂堆积密度最大者，拌制的砂浆工作性能最佳；而砂浆的强度则与砂粒的粗细程度相关性较大，砂粒越粗，砂浆强度越高。

除了通过砂浆研究机制砂级配对于机制砂应用性能的影响外，也有一些学者研究了机制砂级配对于混凝土拌合物性能的影响。芮捷等人配置了7组较粗的不同级配的机制砂，通过单因素分析法，得出了当机制砂的级配曲线界于2区中值和下限之间，并且0.3mm筛档通过率为20%时，混凝土工作性能最佳的结果；艾长发等人把机制砂以1.18mm为界限分为两个区域研究，结果表明宜将机制砂在1.18mm筛累计筛余百分率控制在级配中值附近，且4.75mm、2.36mm、1.18mm三档累计筛余百分率按2:3:1进行控制，这样的机制砂能获得较好的工作性能；岳海军等则在大量研究基础上提出了全级配理论，提出了机制砂的全级配范围，结果如表3所示。

表3 机制砂全级配配比表


 

机制砂中除了石粉、级配以外，机制砂的颗粒形貌、岩性、生产工艺等都是值得研究的品质参数，相关研究也很多。

秦廉等人对花岗岩、凝灰岩、玄武岩等3种不同岩性的机制砂的使用性能做了相应的研究，结果表明3种岩性的机制砂中，花岗岩机制砂具有相对较好的工作性能；此外，较高的SiO2含量和较少碱金属元素含量的岩石可以作为理想的机制砂原料。唐凯靖等人的研究则表明，不同岩性的机制砂在堆积密度、表观密度、粉含量等物性上的差异都比较大，在配制机制砂混凝土时，具有一定活性的矿物经破碎制得的机制砂较惰性矿物更有利于混凝土的强度和耐久性。

2.2 国外机制砂研究现状

国外对于机制砂的研究较早，国外的相应的标准中对于石粉的限量值与国内的标准限值存在差异，很多国家的石粉含量限值标准高于国标，具体的标准见表4。

表4 国外标准中石粉含量限值


 

由表4中数据可知，除了美国对于石粉含量的限定比较严格外，澳大利亚甚至把石粉的限值放宽至25%，远高于国标的限值。国外的研究针对机制砂中石粉的研究也很多。

首先是机制砂中石粉的基本物性，Gallias等人通过滴水法的水粉比测定石粉的需水性，表明不同石粉的水粉比分布在0.59～4.19的范围内；Koehler等人则通过激光粒度分析法测定石粉的粒度分布，表明不同石粉的粒径跨度和中位径都存在较大的差异；Stewart等人通过SEM分析，结合图像分析法计算了不同石粉的粒型参数，表明不同的石粉在圆度和粗糙度上都存在较大的差异；Gnanasaravanan等人通过傅里叶红外光谱分析法，分析了不同品种机制砂和天然砂的矿物组成，研究表明，随着粒度的分离，机制砂和天然砂的矿物组成都会增加，在所有的矿物中，石英占主要成分。

石粉对于机制砂拌合物的工作性能和力学性能的影响也有学者做了相应的研究，Madanibederina的研究表明，对于石灰石混凝土来说，石粉的填充有利于增强混凝土的物理性能，最佳掺量在5%左右；Esping的研究表明，随着石粉的比表面积的增大，即石粉的细度增加，机制砂拌合物的抗压强度也随之增加，这是由于随着石粉细度的增加能够更紧密的填充拌合物硬化后的空隙；与上述结果类似，Soroka等人的研究也表明石粉对砂浆强度的增强作用随石粉的细度的提高而增强，并且只有当石粉的细度达到一个临界值，对于砂浆强度的改善效果才较为明显。这是因为更细的石粉有更好的物理填充效应，并且能够为水化提供更多的成核基体，促进浆体早期水化，从而提高强度，这些与国内学者研究的基本相同，Joudi Bahri等则研究了不使用减水剂的情况下，石灰石石粉掺量在100～130kg/m3时，能有效地提升混凝土的机械性能。

3 结论和建议

机制砂的推广使用能够显著解决天然砂资源枯竭的问题，减少对于天然砂的开采，既有利于环境保护，又能够降低砂浆和混凝土使用成本，因而，针对机制砂的研究兼有经济效益、环保效益和社会效益。但是目前对机制砂的研究更多的聚焦于石粉合理的掺量范围，石粉的掺加对于机制砂拌合物力学性能和耐久性能的影响等，并未对于石粉本身粒径分级、与用水量变化之间的关系等进行相应的研究；对于机制砂级配的研究也未能提出一个方便的、利于评估的评价指标等等，这些都是现有研究中存在的一些不足。