鄧芳芳

摘 要：近年來我國基礎設施建設日益發(fā)展，致使天然砂嚴重短缺，造成了一系列社會問題和環(huán)境問題。機制砂具有的石粉巖性、顆粒級配、顆粒形狀和石粉等特征與天然砂不同，使其對混凝土性能具有特定的影響，本文從分析機制砂的特性出發(fā)，概述了國內(nèi)外研究機制砂特性對混凝土工作性能、力學性能、體積穩(wěn)定性、耐久性的影響及其作用機理。

關鍵詞：機制砂 巖性 顆粒形狀 顆粒級配 石粉含量

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（a）-0078-03

Abstract：In recent years， with the growing development of infrastructure， the lack of natural sand results in a series of social and environmental issues. The lithology， particle gradations and shapes and stone powder of the machine made sand are different from the natural sand， and there are specific effects on the concrete properties. Starting from the properties of machine-made sand， this paper concluded the research of effects and mechanisms of machine-made sand properties on the concrete workability， mechanical property， dimensional stability and durability.

Key Words：Machine-made sand； Iithology； Particle shape； Particle graduation； Stone powder content

隨著我國基礎設施建設的日益發(fā)展，砂的用量逐漸增加，一方面天然砂作為地方性資源，短期是不可再生，使其資源逐漸短缺、價格上漲，另一方面國家對生態(tài)保護力度加大，天然砂的開采逐漸受到了限制[1]。機制砂代替天然砂生產(chǎn)混凝土已成為一種趨勢。機制砂在國外的研究開展得較早。國外早在20世紀60年代就開始生產(chǎn)并使用機制砂，而國內(nèi)則晚了十年才有了第一條機制砂生產(chǎn)線。機制砂主要應用在貴州、云南、湘西等山地地區(qū)，這些地區(qū)天然砂儲量較小，礦石資源豐富，若就地取材既降低了工程成本，工程質(zhì)量也得到保證，資源利用率提高，為在混凝土中規(guī)模、科學地應用機制砂奠定了基礎。

機制砂包括機械破碎而來的機制砂，也包括天然砂中摻入一定比例的機制砂?！督ㄔO用砂》（GB/T14684-20141）定義機制砂是指用巖石經(jīng)出土開采、機械破碎、篩分制成的，粒徑小的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風化巖石的顆粒。機制砂不同于天然砂是由巖石機械破碎而來，可以通過控制機器的各種參數(shù)，人為地控制和調(diào)整級配和質(zhì)量[2]。機制砂的特點集中表現(xiàn)為以下幾點。第一，機制砂由于機械破碎，其表面棱角較多，不光滑。第二，機制砂的成分和其母巖成分一致，化學性質(zhì)一致，呈黑色或者灰色。第三，其細度模數(shù)與內(nèi)部石粉含量有較大關系。第四，機制砂生產(chǎn)中會產(chǎn)生石粉是不可避免的。

1 機制砂的特性

1.1 機制砂石粉巖性

一般認為石粉在混凝土中充當惰性填充材料，不參與水泥水化反應，但是，隨著材料科學的發(fā)展，建筑材料工作者越來越認識到細集料對混凝土的重要性。細集料不僅對混凝土的強度，穩(wěn)定性等方面會產(chǎn)生影響。Gkakali[3]等人對水泥成分進行篩分，選擇單礦組分來添加石灰石粉進行研究，結果顯示28d水化產(chǎn)物出現(xiàn)變化，有新相產(chǎn)生。Bonavetti[4]等人使用比表面積為400m2/kg的石灰石粉作摻和料，進行研究，發(fā)現(xiàn)在低水灰比時，隨石灰石粉摻量增大，水泥水化程度增加，水灰比較大時，隨其摻量增加，水化產(chǎn)物體積分數(shù)增大。Bonavetti[5]研究了石灰石粉、石英粉、花崗巖石粉對水泥膠砂的影響，研究天然砂加入0%～20%的石粉對其各齡期強度的影響，結果表明石英粉可以增大膠砂的抗壓強度、花崗巖石粉對膠砂抗壓強度作用無明顯規(guī)律、石灰石粉會增大膠砂試件早期的抗壓強度。楊松玲等[6]對輝綠巖石粉在水泥水化過程進行了研究，結果并未在輝綠巖石粉表面發(fā)現(xiàn)新的水化產(chǎn)物。

1.2 機制砂顆粒形狀

在混凝土形成過程中砂石體積占砼總體積的80%，而砂的體積則會占到20%～40%[7]。砂的特性對混凝土的工作性、強度及耐久性能都有影響。天然砂由于其形成因素作用，砂粒長期受到滾動、風化、磨蝕等作用，其顆粒表面圓潤[8]，用這樣的砂制成的混凝土工作性能優(yōu)良。顆粒的形狀會影響混凝土的孔隙結構，與天然砂相比，機制砂棱角多，其堆積后的結構孔隙較大，這些孔隙需要漿體來填充，增大混凝土的用水量，而這些棱角相互咬合搭接則會增大混凝土的抗折抗壓強度[9]。Shilstone[10]研究得出2.36mm粒級的顆粒是影響混凝土性能的重要因素，通過使用數(shù)字圖象處理的方法，對顆粒的最大粒徑、圓度、長寬比等將顆粒的特征進行了定量分析。董瑞[11]使用IPP 6.0軟件用于機制砂與河砂2.36mm粒級的顆粒特征分析，其結果表明機制砂圓形度要低于河砂。

1.3 機制砂級配

機制砂顆粒級配會對混凝土性能產(chǎn)生影響，Golterman[12]研究表明連續(xù)分布的顆粒使骨料堆積密實度增加，混凝土的密實程度增大，孔隙率降低，抗?jié)B性提高，級配好的集料，各級體積充填均勻，使得所需的漿體少，這就可以減少混凝土的泌水和收縮，若集料中某一級配缺失，混凝土的各向性能都會降低。細集料太粗則會導致泌水，太細則會導致用水量增大，這些都不利于混凝土耐久性能。對混凝土來說，當集料中粗骨料含量較多時，混凝土干縮減小，但會增大漿體的微裂紋，從而對混凝土產(chǎn)生劣化。

1.4 機制砂石粉含量

在天然砂中，將粒徑不大于0.75mm的顆粒稱為泥粉，這些物質(zhì)由于顆粒較小，比表面積較大，會增大混凝土的用水量，并且會抑制水泥水化，降低界面過渡區(qū)的性能，使其粘結力降低。所以國際上都嚴格限制砂中泥粉的含量。但對于機制砂中小于75μm顆粒，其為母巖破碎而來的細顆粒，其成分與泥粉完全不同。美國ASTM針對機制砂中含粉的現(xiàn)狀給出機制砂粉量限值在3%～7%。GB/T 14684—2001《建筑用砂》規(guī)定C30以下含量為7%、C30-C60的含量為5%、高于C60的含量為3%。

2 機制砂特性對混凝土性能的影響

2.1 工作性能

機制砂石粉含量對其混凝土工作性能的影響目前說法尚不統(tǒng)一。研究認為[8]，與河砂相比，機制砂中石粉含量增加使得混凝土的需水量隨之增加，導致新拌混凝土粘稠度增大，從而降低了其工作性能。吳明威等[13]研究了機制砂石粉對混凝土工作性能的影響，結果表明石粉在拌和期間為惰性摻和料，其顆粒剛好補充了混凝土的細微結構，粉體的表面積增加，混凝土抗離析和泌水能力提高，且石粉可以增大漿體含量，進而改善混凝土和易性。鄭金炎[14]通過大量工程實際總結得出，石粉在混凝土中存在一個限值，超過限值混凝土需水量增大，漿體粘稠增加，強度及耐久性能降低。李亞杰[15]則認為混凝土中石粉含量應控制在6%～12%之間，用量過少則會使混凝土粘聚性降低，過多則會使混凝土需水量增大，且降低混凝土性能。陳家瓏[16]認為石粉中70%顆粒分布集中在16μm以上，這個粒徑并不會破壞界面過渡區(qū)的性能，而且其會填充混凝土的細微結構。

2.2 力學性能

研究表明[17]，機制砂混凝土的抗壓強度高于河砂。李北星[18]研究表明混凝土的抗壓強度與機制砂的粗糙度正相關，抗折強度與機制砂的壓碎值負相關。Mohamed[19]研究了不摻外加劑條件下石粉對混凝土強度的影響，得出石粉會提高機制砂混凝土的抗壓強度。李興貴[20]研究表明，石粉含量超過20%時，其含量過高，機制砂的級配不良，混凝土密實度下降，且機制砂中相對應的粗顆粒減少，混凝土的“次骨架”結構遭到削弱，所以水泥含量不變情況下，過多的石粉會降低混凝土的抗壓強度。

2.3 耐久性性能

研究表明，機制砂石粉可提高混凝土的粘聚性和保水性，并且可以改善混凝土界面的粘結，改善界面過渡區(qū)的水膠比，提高界面過渡區(qū)的粘結強度。李北星[18]研究認為，混凝土的耐磨性與砂中SiO2含量的相關性不大，而與機制砂粗糙度、壓碎值有關，在壓碎值不大于17%的情況下，利用石灰?guī)r機制砂配制耐磨路面混凝土是完全可行的；在同等強度下，摻入適量粉煤灰不會影響機制砂混凝土路面的耐磨性。Bonavetti等[4]研究了石粉含量對膠砂抗?jié)B性能的研究，結果表明，石粉含量增大，膠砂抗?jié)B性也增大。有許多研究者認為[21]機制砂混凝土的抗凍性能差，首先是因為，機制砂在制作過程中由于機器的沖擊，其表面有很多微裂縫，這些裂縫吸水后產(chǎn)生凍脹，會對混凝土的強度產(chǎn)生劣化。其次，機制砂的微裂縫吸水后會形成更多毛細孔，從而會使混凝土的抗凍能力降低。

3 結論與展望

機制砂的推廣能夠解決天然砂資源的枯竭，減少天然砂的開采，有利于環(huán)境保護，降低砂漿和混凝土生產(chǎn)成本，對機制砂的應用研究具有經(jīng)濟、環(huán)保和社會等多種效益。目前對機制砂的研究更多在于確定其石粉的最佳含量，未深入系統(tǒng)的對石粉巖性、粒徑級配、顆粒形狀等因素與混凝土性能之間關系進行研究；也未能對這些關系提出量化、方便、統(tǒng)一、利于評估的指標。研究機制砂的生產(chǎn)工藝對于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)機制砂是必不可少的條件，如何控制機械生產(chǎn)出級配好，石粉含量低，顆粒形狀飽滿的機制砂對推廣其運用具有重要意義。分析機制砂對混凝土性能的影響時，能夠從經(jīng)濟環(huán)境等方面做出定量化的評估也對促進機制砂的推廣運用具有重要作用。

參考文獻

[1] 潘菲.機制砂應用技術研究進展[J].粉煤灰綜合利用，2016（3）：61-64.

[2] 馬昭森，羅金星.采用破碎機全干法生產(chǎn)人工砂若干問題的研究[J].水利科技，2001（1）：40-41.

[3] G Kakali，S Tsivilis，E Aggeli，et al.Hydration products of C3A，C3S and Portland cementin the presence of CaCO3[J].Cement and Concrete Research，2000，（30）：1073-1077.

[4] VL Bonavetti，EF Irassar.The Effect of Stone Dust Content in Sand[J].Cement and Concrete Research，1994，24（3）：580-590.

[5] VL Bonavetti，VF Rahhal，EF Irassar.Studies on the carboaluminate formation in limestonefiller-blended cements[J].Cement and Concrete Research，2001，31：853-859.

[6] 楊松玲，田育功，林潔.輝綠巖人工砂石粉的研究與利用[J].人民長江，2007，38（1）：113-116.

[7] 芮捷，劉唐志，王兵，等.機制砂級配對高強混凝土性能的影響研究[J].中外公路，2014，34（1）：298-300.

[8] 賀圖升，周明凱，李北星，等.石粉對機制砂混凝土拌合物泌水率的影響[J].混凝土，2007，208（2）：58-60.

[9] 李鳳蘭，朱倩，徐陽洋.C45級原狀機制砂混凝土試驗研究[J].混凝土，2010，244（2）：84-86.

[10]董瑞，陳曉芳，鐘建鋒，等.石灰?guī)r性機制砂特性研究[J].混凝土，2013（3）：84-89.

[11]苗永剛.石粉砂對混凝土性能影響的研究[J].混凝土世界，2013（10）：82-85.

[12]Golterman P，Johansen V，Palbfl L.Packing of Aggregates：An Alternative Tool to Determine the Optimal Aggregate Mix[J].ACI Material Journal，1997，94（5）：435-440.

[13]吳明威，付兆崗，李鐵翔，等.機制砂中石粉含量對混凝土性能影響的試驗研究[J].鐵道建筑技術，2000（4）：46-49.

[14]鄭金炎，吳躍群.人工砂在商品混凝土中的應用[J].建材技術與應用，2004（6）：32-33.

[15]李亞杰，方坤河.建筑材料[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[16]陳家瓏.人工砂一新型建筑用砂[J].新型建筑材料， 2002（6）：32-34.

[17]蔡基偉，李北星，周明凱，等.石粉對中低強度機制砂混凝土性能的影響[J].武漢理工大學學報，2006，28（4）：27-30.

[18]李北星，柯國炬，趙尚傳，等.機制砂混凝土路用性能的研究[J].建筑材料學報，2010，13（4）：529-534.

[19]Mohamed.N.AZ，Maged.M.F.Short-Term Impact of High-Aggregate Fines Content on Concrete Incorporating Water-Reducing Admixtures[J].ACI Materials Journal，2003（2）：280-285.

[20]李興貴，章恒全，陳曉月.高石粉人工砂原級配混凝土干縮性能試驗研究[J].河海大學學報：自然科學版， 2002，30（4）：37-40.

[21]李家正，句廣東.三峽工程古樹嶺石屑砂混凝土性能研究[J].長江科學院院報，2001，18（3）：53-56.