机制砂不同生产应用阶段问题研究

机制砂不同生产应用阶段问题研究

编者按：

中国砂石协会于2022年8月16日-18日在湖北武汉召开第九届全国砂石骨料行业科技大会。来自国家部委和各省、市有关政府部门领导，行业专家、学者，各级行业协会代表，砂石行业及上下游产业链企业代表现场参会。这是我国砂石行业今年首个全国性会议，也是名副其实的“千人大会”，线上参会人数超十万。其中大会《论文集》受到行业同仁广泛好评。

应广大读者请求，中国砂石协会融媒体中心继续推出科技大会精选投稿论文系列报道，今天推出的论文为《机制砂不同生产应用阶段问题研究概述》。原文如下：机制砂不同生产应用阶段问题研究概述

姚越，左彦峰，宋天威，王金月，苏泓霖，陶俊旭，杨艳弟（1. 中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室，廊坊，065201；2. 防灾科技学院 土木工程学院，廊坊，065201）

摘要：针对我国现阶段机制砂生产行业的各个阶段出现的会对后续实际应用产生的技术难点综合各学者不同的观点并进行了进一步的讨论。

关键词：机制砂；干法制砂；湿法制砂；颗粒级配；骨料粒形

前言

混凝土是当代土木工程中最主要的材料之一，现代建筑绝大多数以钢筋混凝土建设而成，普通混凝土是由水泥、粗骨料、细骨料、外加剂和水拌合，经硬化而成的一种人造石材，其中起骨架或填充作用的粒状松散材料称作细骨料，此前一般采用河砂，是混凝土中不可或缺的一部分。

近些年来，我国愈发注重生态环境的保护，各地出台了大量的政策法规，以保护几近枯竭的自然资源—河砂。此时机制砂开始进入人们的视线，机制砂是由各种岩石破碎而成的，由此分类有例如石灰岩机制砂、花岗岩机制砂等等，其代替河砂在混凝土制备中的细骨料的位置在工程中的应用也成为一种必然。机制砂由岩石破碎而成，较河砂而言有着级配较差、含泥量较高等缺点，使得机制砂混凝土在浇筑时工作性较差，不易施工。本文综合阐述了不同的学者就机制砂在生产应用中各个环节面临的种种问题。

1机制砂生产工艺的关键技术

1.1湿法制砂

在机制砂发展早期，湿法制砂工艺较多，但湿法制砂需耗费大量的水资源，且水污染问题严重，而且水洗后机制砂中的微细石粉随水流失，导致使用其搅拌的混凝土易出现泌水等问题。但对于含水量≥５%的机制砂依然适合使用湿法制砂，为满足环保要求以及降低生产成本，生产厂商往往会在洗砂水中加入絮凝剂，絮凝剂能起到净化水质让洗砂水再次回收利用的作用，但与此同时，大量絮凝剂附着在机制砂表面，会对混凝土拌合物产生相应的不利影响例如坍落度损失加大，甚至会影响到硬化后的混凝土性能例如强度降低。

杨林等以絮凝剂中最常被使用的分子量1800万阴离子型的PAM为研究对象研究了絮凝剂对混凝土性能的影响，得出以下结论：1）PAM浓度的增加会使混凝土流动度、坍落度、扩展度逐渐减小，强度损失逐渐增大，对掺外加剂净浆流动度影响更加明显；2）拌合水中PAM浓度超0.03‰对性能的影响较大；3）不同分子量对于混凝土性能影响有差异，分子量降低对混凝土性能的影响会相对减弱。

王传林等通过实验证明了絮凝剂浓度越大，水泥净浆流动度下降就会越明显，并且降低水泥砂浆抗折、抗压强度，但不会改变水泥水化产物，只是不同品种的絮凝剂会对水泥的水化速率有不同的影响。

1.2干法制砂

干法制砂是主流的制砂方式，其缺点是石粉含量高，而石粉含量的不同，对机制砂混凝土的密实性、坍落度、粘聚性、保水性、流动性、抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、干缩值以及抗氯离子渗透性都会产生不同的影响。

大致来看，石粉对于机制砂混凝土的性能影响有如下几个方面：

1) 抗压强度、弹性模量：达到最佳掺量（对C35混凝土分别为7%-13%、9%；对C45混凝土分别为5%-8%、8%）前不断提高，超过则有劣化趋势；

2) 干燥收缩：达到最佳掺量前干燥收缩趋于增大，最佳掺量（对C35混凝土为9%；对C45混凝土为8%）时机制砂混凝土的28d干燥收缩可与河砂混凝土持平；

3) 抗氯离子渗透性：随石粉含量的增加抗氯离子渗透性先降低后增大，对C35混凝土，石粉含量≤9%的抗渗性最优，对C45混凝土，石粉含量≤8%的抗渗性最优；

4) 粘聚性、保水性：随石粉含量增加而增强；

5) 流动性：随石粉含量的增加而不断降低，考虑生产经济性，石粉宜小于8%；

6) 徐变度与徐变系数：最佳掺量时机制砂混凝土≈河砂混凝土；

7) 含气量：随着石粉细度增加而呈现出先增加后减小的趋势；

8) 抗冻性：适量的石粉可以改善机制砂混凝土的抗冻性，但整体抗冻性能依然劣于河砂混凝土。

2机制砂质量的关键问题2.1 级配差机制砂级配不良，通常时两头多中间少，即粗颗粒（2.36mm以上）和细颗粒（0.15mm以下）较多，但中间颗粒（尤其是1.18～0.3mm之间）较少，配制的混凝土容易离析泌水，对混凝土强度也有不利影响。在混凝土拌合物中，必须有足够的水泥浆包裹砂粒表面，并填充砂粒间的空隙。为了节约水泥，减少水泥浆用量，就要求减少砂的总表面积及空隙率。相同质量情况下，砂的细度模数大，说明其总表面积小，用于配置混凝土可以节约水泥，但是混凝土的和易性会降低。

机制砂颗粒增大时，砂浆中颗粒总表面积下降，当机制砂中小颗粒增加，其总得表面积会迅速增加，也导致其所需包裹水的数量迅速增加，进而导致机制砂砂浆泌水率降低。因此，对粒度分布不均、大颗粒偏多的机制砂而言，其配制出的混凝土易于离析、泌水，只有通过优化机制砂的颗粒级配才能获得优质的机制砂混凝土。

季韬等研究了相同级配和细度模数的机制砂和河砂对混凝土性能的影响，研究表明：机制砂较大的比表面积对混凝土拌合物的坍落度有显著影响，随着机制砂比表面积的增大，混凝土拌合物的坍落度减小，但对混凝土的强度影响不大。

艾长发等以1.18mm筛孔为分界点将机制砂颗粒组成分为两组，从各组分含量以及颗粒组成比例角度，研究了机制砂颗粒级配对混凝土性能的影响及其作用效用，得出结论：1）比起细度模数，颗粒级配更能决定机制砂品质，生产时应得到严格控制，并使颗粒级配曲线具有骨架密实特征；2）≥1.18mm的颗粒主要影响混凝土泌水性及强度，＜1.18mm的颗粒主要影响混凝土的保水性及黏聚性。为保证混凝土具有良好的工作性能，应使两组的含量比例保持在1：2左右，并有效控制≥1.18mm组分颗粒组成比例；为保证混凝土的强度，宜将1.18mm筛档累计筛余百分率控制在级配中值附近，且4.75、2.36、1.18mm三筛档累计筛余百分率按2：3：1进行控制，更有利于≥1.18mm组分的填充密实与次骨架结构作用效应。

岳海军等认为使用石粉含量超过现行国标限值、级配不符合规范级配区要求的机制砂，仍然可以配制出工作性优良的机制砂混凝土。根据机制砂的实际生产状况和国外机制砂级配划分标准，基于机制砂级配对不同强度等级机制砂混凝土的工作性影响试验结果，提出了一个适合我国机制砂生产的全级配标准，如表1所示。该级配标准对现行规范中2.36、1.18、0.3、0.15 mm 筛孔的累计筛余适当放宽，并新增了0.075 mm 筛孔的累计筛余控制值，有利于拓宽机制砂的级配和高石粉机制砂的利用。从混凝土工作性考虑，机制砂的适宜细度模数范围为1.91～3.59。其中，用于配制C30及以下低强度混凝土的机制砂适宜细度模数范围为1.91～3.02，石粉含量限值20%；用于配制C35～C55中等强度混凝土的机制砂适宜细度模数范围为2.08～3.30，石粉含量限值15%；用于配制C60 及以上高强混凝土机制砂细度模数范围为2.76～3.59，石粉含量限值10%。

表1 机制砂全级配范围

宋少民等认为T/CAATB 001—2018《高性能混凝土用骨料》级配区分计筛余规定的范围是比较合理的，石灰岩机制砂分计筛余符合标准要求时总体上和易性好，尤其是0.60、0.30 mm两个粒径颗粒的分计筛余不应低于标准下限，0.60、0.30、0.15 mm的分计筛余之和不宜低于55%；T/CBMF 38—2018、T/CAATB 001—2018《高性能混凝土用骨料》中定义的比粒度概念是一个比细度模数更精确的机制砂细度表征指标，在一定程度上还可以反映机制砂级配。对于石灰岩机制砂而言，4.0～7.5范围内，混凝土和易性较好。

郭丹等通过实验得出结论：随Ⅱ区机制砂变粗，胶砂稠度增大，强度提高。用Ⅱ区上限、中值、下限机制砂配制不同强度等级混凝土， 对于C30混凝土， 采用Ⅱ区上限附近偏细砂可弥补浆不足，使混凝土具有更好的和易性。对于C50混凝土，采用中值到下限偏粗砂可提高混凝土和易性和强度。

2.2粒形差

英国BS 812-1将颗粒的形状分为圆形、不规则的、片状的、角状的、细长的，将表面结构分为玻璃质、光滑、粒状、粗糙、结晶和蜂窝状6 种。英国的BS 821-8 以“棱角系数”将骨料分为圆形、不规则形和有棱角形。为了评定骨料针片状颗粒，BS 812-105.1 和BS 812-105.2 定义当颗粒的厚度小于其粒度级平均筛孔直径的0.6倍(我国定义0.4倍)时，该颗粒属于片状，当颗粒长度(最大尺寸)大于粒度级平均筛孔尺寸的1.8倍(我国定义2.4倍)时，该颗粒属于片状颗粒。温喜廉等利用数字图形处理技术、显微镜和扫描电镜研究了细骨料海砂、河砂、机制砂和尾砂的颗粒形貌特征及微观结构。从各细骨料粒级0.16mm ～ 5. 00mm 的圆度看，机制砂圆度最小，其次是尾砂。海砂与天然河砂表面组织相近，颗粒圆滑，棱角少，表面较为平整，而机制砂和尾砂棱角大，表面粗糙，有利于提高胶砂抗折强度。

刘秀美等通过设计3 种不同圆度系数的机制砂对混凝土性能的影响试验，得出圆形度越大，即机制砂颗粒越接近球形，混凝土的工作性能越好，抗压强度越高这一结论。机制砂的粒形特点使其有利于与水泥的粘结，但是对混凝土的和易性不利，用水量较大，易使低等级的混凝土泌水、离析。采用球形度较好的机制砂，达到相同坍落度所需要的浆体量较少，可以降低混凝土成本。

吴波等在分析现有的国内外相关研究的基础上，发现国内外定义颗粒粒形指数的方法分别为球度和圆形系数。通过试验研究得出：粗骨料球度值越大，所配制的自密实混凝土拌合物的粘度越小，流动性越好，工作性能越好；反之和易性降低，流动性变差。颗粒的球度值可以作为评定粗骨料粒形及骨料质量的一个重要指标。此外，细骨料的颗粒由于细颗粒多、不易分散观察，其粒形指数常用圆形度来表示，尽管不能够反映颗粒粒形的全貌，也可以侧面反映骨料的性能。圆形度越大的细骨料，其棱角越少，配制的砂浆、混凝土流动性越好，达到相同坍落度所需要的浆体量较少，可以降低混凝土成本。

黄志刚等的实验表明片状颗粒含量的增加会增大砂浆的孔隙率，增加大尺寸多害孔的比例，弱化界面过渡区，从而导致砂浆流动度、抗渗性和强度的降低，对于抗折强度的影响程度高于抗压强度。

3结语

机制砂相较于开采河砂具有极高的环保价值、不俗的经济效益和更优秀的力学性能，机制砂的推广对于土木行业而言是势在必得的，但在其推广使用的路上面临的问题也是前所未有的，比起上述问题，更大的问题的是由于厂商、母岩等问题导致的行业内机制砂品质良莠不齐。机遇和问题总是一并到来的，在不久的将来我们势必能够粉碎机制砂推广使用道路上的一切问题，朝着砂石行业更美好的明天奔去。