制砂混凝土性能现状探究

　　摘    要：　机制砂作为天然砂的优良替代品，是混凝土工业可持续发展的重要内容。文章通过对机制砂的特性、石粉对机制砂混凝土性能的影响、机制砂混凝土的性能等现状研究予以评述，并对未来研究做出展望，旨在为混凝土行业的绿色低碳发展提供理论参考。

　　关键词 :     机制砂;机制砂混凝土:特性;研究进展:

　　1 、引言

　　当前我国混凝土材料的制备多使用河砂，然而河砂作为一种地域资源，具有短时间内不可再生的特征，并且随着我国对生态环境保护的愈加重视，天然砂的开采受到严格限制。其中，某些区域存在少砂甚至无砂的状况，只可采取远途运输或者寻找其他材料替代的方法制备混凝土，严重制约了混凝土相关行业的建设发展。因此，采用人工制砂的方法势在必行。随着机制砂材料的来源途径愈加丰富、制备工艺愈加成熟，制备高抗渗透性、高强度、高耐久性和高稳定性的机制砂混凝土得到相关领域专家的关注，对其持续的动态关注具有十分重要的意义。基于此，本文首先从机制砂的特性入手，评述了石粉对机制砂混凝土性能的影响以及机制砂混凝土的性能，依此做出未来展望。

　　2 、机制砂的特性

　　机制砂是由人工使用专业研磨设备制作而成，砂粒的粒径可根据具体的使用需求而改变，但大多数小于5mm。与天然砂相比，机制砂的级配较差，呈现出两端多中间少的特点，砂粒粒径大多以大于2.36mm和小于0.075mm为主，经过水洗等工序之后，粒径小于0.6mm的颗粒会再次减少，使得由机制砂制备的混凝土混合物的性能降低[1]。为减少此种情况的发生，可通过使用击碎设备、调整制备条件等措施改善，避免出现机制砂混凝土制备过程中的和易性差、外观不佳、质量低下等问题。此外，由于是机械加工而成，机制砂的表面往往粗糙不堪、棱角分明，与同样级别的天然砂相比其空隙率更高，因此更易于细骨料、水泥砂浆等材料的黏结，进而提高机制砂混凝土的强度和稳定性，同时也会因混合物屈服应力的增大而降低和易性。由于人工制作的机制砂中含有一定量的石粉，虽然其颗粒粒径与泥的粒径相差无几，但因组成成分不同，对混凝土拌合物的性能产生了不同的影响。适量的石粉可起到连接水泥与砂的作用，填充彼此之间的空隙，增强混凝土的整体性，而泥会阻碍砂料与水泥的黏结，造成混凝土的黏结性较差。要解决上述机制砂混凝土性能较差的问题，需要保证机制砂材料的质量，可通过选择良好的制砂设备与原材料、合理的制砂工艺、成熟的制砂技术等途径实现。

　　与天然砂相比，机制砂具有以下优势：(1)机制砂可根据不同的工程使用要求量身定做，其级配经过专业研磨之后可满足不同的使用需求；(2)经过河水、雨水的长期冲刷，天然砂的表面更为光滑，而机制砂较之更为粗糙，在混凝土拌合物制作过程中可最大限度地填充空隙，使不同的材料更好地黏结在一起，混凝土的和易性得到提高；(3)由机制砂制备的混凝土，其抗压、抗拉性能均强于天然砂制备的混凝土，干缩率则小于天然砂混凝土；(4)机制砂的制备可使用废弃混凝土或碎石，实现了废弃资源的再利用，更加经济环保，与当前碳中和及碳达峰的国家发展战略相吻合。但同时也存在一些缺陷，包括由0.075mm以下的机制砂制备的混凝土强度较低，混凝土表面的光泽、纹理等不均匀[2]。

　　3、 石粉对机制砂混凝土性能的影响

　　机制砂在生产过程中受到制备工艺及原材料等因素的限制，难免会产生一定量的石粉。相对于天然砂中的泥质，石粉中的杂质较少，其主要矿物成分与机制砂母岩相同，主要区别在于颗粒粒径大小的不同。当前学术界对于不同石粉含量是否会对机制砂混凝土的性能产生影响尚无定论，部分学者认为石粉含量的增高会加大混凝土拌合物的比表面积，增大需水量，进而影响混凝土的强度和湿度。另有学者认为由于石粉填充了浆体之间的空隙，降低了混凝土搅拌过程中的摩擦力，从而改善了混凝土的流动性能，减少混凝土水分的离析现象。但可以明确的是，石粉含量的配比存在一个临界点，当超过或者低于此临界点，混凝土的和易性将变差。因此，当前研究需着眼于不同石粉含量配比对混凝土拌合物性能的影响上，通过研究最佳石粉含量配比，将石粉材料的优势最大化。

　　杨家伟等[3,4]探讨了不同石粉含量与粉煤灰含量对低强度混凝土和易性及强度的影响，试验结果表明，当石粉含量在24.8%左右时，混凝土的和易性最佳，粉煤灰掺量在35%左右时，混凝土的强度较好。B.P.Hudson等人[5]认为石粉可填充机制砂混凝土浆体之间的空隙，起到润滑混凝土拌合物的作用，当机制砂中的石粉含量在5%～10%之间时，只需维持较低的水量即可保证其工作性能。Nam-Shik Alln[6]提出当石粉起到填充混凝土骨料缝隙的作用下，就不会增大用水量，弥补了常规观点的不足。李兴贵[7]通过研究石粉含量对混凝土力学性能与收缩性能的影响，经对比试验得出当石粉含量在16%左右时，混凝土的力学性能达到最佳状态。李嵩林等[8,9,10]试验研究了C50机制砂混凝土各组成成分的配合比，得出石粉含量在5%左右时，混凝土的抗压强度最大；当石粉含量超过7%时，混凝土的抗压强度与石粉含量成反比；但在12%以内变化时，石粉含量对混凝土的抗冻性与抗渗性影响较小。王雨利等[11]以不同类型的中低强度等级混凝土为研究对象，经试验得出5%、10%与15%的石粉含量分别对应的水粉比为0.4时，混凝土的抗压性能处于最佳状态。王卫东等[12]试验得出当机制砂混凝土的砂率在35%～43%、石粉含量在5%～13%之间时，机制砂混凝土的工作性、收缩变形性能、力学性能、抗渗性等性能与河砂混凝土相差无几，甚至优于河砂混凝土。

　　4、 机制砂混凝土的性能研究

　　由人工制备而成的机制砂相异于天然砂，决定了机制砂混凝土与天然砂混凝土性能上的差异，并主要表现在强度、抗渗性和稳定性方面。

　　4.1 、机制砂混凝土的强度

　　多数学者认为机制砂混凝土的强度要优于天然砂混凝土，王稷良[13]通过试验对比了天然砂与机制砂的级配值，试验结果表明，与天然砂混凝土相比，机制砂混凝土的强度要高出2MPa，岩性的不同会造成机制砂混凝土强度的不同，究其缘由，周明凯等人[14]认为机制砂中的石粉增强了混凝土的保水性，在水化反应中起到晶核作用和集料填充作用，有效提高混凝土的强度。安文汉等人[15]则认为使用机制砂可以增强混凝土的强度，原因在于石粉可以明显改善混凝土聚合物的孔隙率，使其晶相产生一定的改变。然而，其他学者提出了不同的观点，李拖福等人[16]认为石粉含量过多或过少都会对混凝土的强度产生不利影响，最佳掺量是控制在13%～17%之间。E.L.Dukatz等[17]认为当石粉含量到达7%时，机制砂混凝土的抗压强度明显高于天然砂混凝土。S.Takami[18]研究得出混凝土的力学性能随着石粉细度的提高而增强。蔡基伟等[19]通过使用石粉制备中低强度混凝土，经试验发现，在单位水泥用量较少的情况下，石粉对机制砂混凝土强度的贡献更加突出。崔洪涛[20]研究了不同石粉掺量对机制砂混凝土抗压及抗折性能的影响，结果表明，机制砂混凝土的强度与石粉掺量成正比，尤其在混凝土拌合物反应的早期阶段。Bonavetti等人[21]的试验研究表明，当石粉掺量在20%以内时，混凝土的抗折强度随掺量增加而增强。然而，当石粉含量超过21%时，混凝土的密实性与和易性会变差，过多的石粉会使水泥浆体的强度降低，从而造成机制砂混凝土的强度减小[22]。J.K.Kim等人[23]的研究显示机制砂的掺入可提高机制砂混凝土的抗断裂性能，石粉有效提高了浆体与骨料之间的粘结度。

　　4.2、 机制砂混凝土的抗渗性

　　毋庸置疑，机制砂混凝土的抗渗性取决于混凝土的密实程度，密实程度的提高会相应地提高混凝土的抗渗性。Tahir Celik[24]认为，石粉是影响机制砂混凝土密实程度的重要因素，机制砂中的石粉可加速水泥的水化作用，阻碍了空隙与渗水通道之间的连接，石粉含量越大，阻碍作用越强，机制砂混凝土更加密实，从而提高其抗渗性。其他学者则认为石粉能加速C3S的水化反应，并与C3A、C4AF反应生成结晶水化物，从而改善了机制砂混凝土的孔隙结构。张广林等人[25]试验对比了不同粉煤灰掺量对C50机制砂混凝土的抗渗性能影响，结果表明，当粉煤灰含量在15%左右时，机制砂混凝土的抗渗性能达到最佳状态。但有学者提出了相反观点，如洪锦祥等人[26]认为等质量的石粉取代水泥会降低混凝土的抗渗性能，究其缘由在于，石粉既不是惰性材料，也非胶结材料，而是粒径较小的微集料，虽然可以优化机制砂混凝土的孔隙结构，但会造成水化产物的减少，机制砂混凝土的密实性就会变差。因此，随着石粉含量的增加，混凝土拌合物中的氯离子扩散系数会变大，机制砂混凝土的抗渗性能就会不断降低。随着我国大型水利设施、防汛抗洪设施以及海洋工程建设的增加，对机制砂混凝土抗渗性能的要求会不断提高。

　　4.3 、机制砂混凝土的稳定性

　　机制砂混凝土的稳定性受到多重因素的影响，试验数据的不同会造成机制砂混凝土生化规律的不同。在石粉含量方面，吴明威等人[27]试验了0.08mm石粉对机制砂混凝土的影响，石粉含量越大，收缩越小，且比天然砂混凝土的收缩值小。然而其他学者提出了不同结论，李兴贵等人[28]的试验表明，当石粉含量在12%以内时，机制砂混凝土的干缩率增长缓慢，当含量超过12%时，干缩率增长迅速，原因在于粒径小于0.075mm的石粉颗粒可增加水泥浆的含量。彭仁琛[29]试验了C35混凝土的收缩性能，提出石粉掺入越多，水泥浆体受到的收缩约束越小，混凝土的收缩率变大。D.P Bentz等人[30]研究发现当石粉含量达到15%时，机制砂混凝土的干缩率会降低，但强度几乎没有发生变化。机制砂混凝土的稳定性除了与石粉含量有关，还受到混凝土龄期的影响，田建平等人[31]以C60机制砂混凝土为研究对象，试验发现，混凝土早龄期（14d以前）的收缩率随着石粉含量的增加而增长；14d以后，当石粉含量在7%以内时，混凝土各龄期的收缩率与石粉含量成正相关，超过7%时，混凝土各龄期的收缩率与石粉含量成负相关。段瑞斌等人[32]试验对比了90d龄期的机制砂混凝土和岳阳砂混凝土的收缩性能，结果表明两者差距甚小。李晶[33]的研究表明当石粉外掺量小于15%时，石粉会显着抑制机制砂混凝土的收缩反应；当石粉内掺时，机制砂混凝土的收缩程度会不断增大。

　　5 、研究评述与展望

　　随着我国一带一路的大规模建设，对机制砂混凝土的需求越来越大，不同属性特征的项目对机制砂混凝土的特性提出了更高要求。当前对于机制砂混凝土特性的研究多局限于石灰岩这一材质，对其他岩性机制砂研究较少。另外，对高强度高性能机制砂混凝土的研究相对不足，对影响高性能机制砂混凝土的参数指标及相互关系缺乏实证研究，有待于进一步完善。综合上述内容，未来机制砂混凝土的相关研究可在以下几个方面进行拓展：

　　(1)不同性能机制砂混凝土的比较研究；

　　(2)采用多种指标系数对石粉的特性进行实证；

　　(3)如何在增加石粉掺量以提高机制砂混凝土强度的情况下，满足泵送要求，使其具备更好的工作性能，尚需要进一步研究；

　　(4)系统配制并构建机制砂混凝土的配合比设计体系。

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