陳慧，章家海，項(xiàng)炳泉，王曉海，詹奇淇，張?jiān)?，李娜?/p>

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

目前我國的建筑用砂以天然砂和機(jī)制砂為主，其中天然砂總量在近年來的連續(xù)開采下不斷下降，產(chǎn)量已經(jīng)不能夠滿足建筑行業(yè)的用砂需求。機(jī)制砂是由石料經(jīng)制砂機(jī)破碎、篩分而成的一種人工砂，粒徑多小于4.75mm。相較于普通河砂，機(jī)制砂具備原料可控、性能穩(wěn)定、生產(chǎn)設(shè)備和工藝可調(diào)、成本低廉等眾多優(yōu)勢[1]，適宜在建筑行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。美國等發(fā)達(dá)國家早在上個(gè)世紀(jì)就開始將機(jī)制砂應(yīng)用于實(shí)際工程中[2]。美國曾在1996年對機(jī)制砂及其母巖進(jìn)行過針對性研究，結(jié)果表明機(jī)制砂大約占集細(xì)料的20%。

受到生產(chǎn)工藝及流程的影響，石粉會(huì)作為一種副產(chǎn)物出現(xiàn)在機(jī)制砂中，其主要礦物成分與母巖相同，含量約占機(jī)制砂的10%～20%。機(jī)制砂中的石粉具有很多有益作用，一方面，石粉能夠有效改善機(jī)制砂的級配；另一方面，石粉在某種程度上可以替代水泥填充混凝土內(nèi)部空隙，提高混凝土的綜合性能。但現(xiàn)行的國標(biāo) GB/T 14684-2011（建設(shè)用砂）[3]對C60、C30～C60、低于 C30 混凝土中石粉含量的上限作出了明確規(guī)定，分別不應(yīng)超過3%、5%、7%，即混凝土強(qiáng)度等級越高，對石粉含量的控制越嚴(yán)格。若機(jī)制砂嚴(yán)格按照國標(biāo)來控制其石粉的含量，制砂成本會(huì)大幅上升，還會(huì)出現(xiàn)大量多余的石粉，造成資源浪費(fèi)。同時(shí)，考慮到混凝土中細(xì)顆粒的不足還會(huì)對其硬化過程帶來不利影響，導(dǎo)致離析等現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成混凝土質(zhì)量不合格?；谏鲜鲈?，研究機(jī)制砂中石粉含量對混凝土性能的影響是極為有必要的。近年來，國內(nèi)外的學(xué)者就機(jī)制砂中石粉含量對混凝土工作性能（流動(dòng)性及和易性）、力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度）、耐久性能（抗?jié)B性及抗凍性）等方面的影響規(guī)律及機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，得出了很多有益的結(jié)論，但仍存在一些分歧。

圖1 機(jī)制砂生產(chǎn)線

圖2 機(jī)制砂破碎機(jī)

圖3 機(jī)制砂制砂樓

圖4 機(jī)制砂生產(chǎn)流程圖

2 石粉對混凝土性能的影響

2.1 工作性能

機(jī)制砂中石粉含量對混凝土工作性能的影響主要體現(xiàn)在和易性、流動(dòng)性、泌水率等方面。楊玉輝、王雨利等[4,5]的研究成果顯示適量石粉的添加能夠提高機(jī)制砂混凝土的工作性能，其中C80機(jī)制砂混凝土在石粉含量占比為7%時(shí)達(dá)到最佳。賀圖升等[6]的研究指出石粉含量的增加會(huì)使得機(jī)制砂混凝土的泌水率下降，泌水潛伏期增加。李鳳蘭等[7]的研究表明當(dāng)石粉的含量在3%～7%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的和易性和流動(dòng)性隨著石粉含量的增加而得到改善；當(dāng)石粉含量高于13%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的和易性和流動(dòng)性逐漸下降。王雨利等[8]的研究顯示將機(jī)制砂混凝土的水膠比設(shè)置為0.4來對中低強(qiáng)度等級機(jī)制砂混凝土的最佳石粉含量進(jìn)行預(yù)測可以取得很好的效果。楊家偉等[9]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度等級混凝土的和易性在石粉含量為24.8%時(shí)達(dá)到最佳。張冬梅[10]等的研究表明石粉含量在4%～8%時(shí)，獲得的機(jī)制砂混凝土性能較普通混凝土有較大改善，且石粉的粒度越細(xì)，混凝土性能越好。當(dāng)石粉含量在6%時(shí)，獲得的機(jī)制砂混凝土各方面性能達(dá)到最佳。周孝軍等[11]的研究發(fā)現(xiàn)石粉含量低于5%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的試件表面有較多氣孔；石粉含量在5%～10%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的和易性、流動(dòng)性等工作性能均較為優(yōu)良；當(dāng)石粉含量超過15%后，機(jī)制砂混凝土較黏稠，流動(dòng)性不佳。張如林等[12]指出添加適當(dāng)?shù)氖劭梢愿纳茩C(jī)制砂的級配，提高機(jī)制砂混凝土的工作性能，且石粉含量存在一個(gè)最佳值。雷瑜等[13]的研究指出當(dāng)C35及C45機(jī)制砂混凝土中的石粉含量分別低于9%和8%時(shí)，機(jī)制砂混凝土與普通河砂混凝土在28d齡期后的干燥收縮情況幾乎相同。李軍等[14]的研究成果顯示適量石粉的添加可以改善機(jī)制砂混凝土的工作性能。一定范圍內(nèi)，混凝土的收縮值隨石粉含量的增多而變大，超過限值后隨石粉含量增多而變小。

綜上所述，石粉含量對機(jī)制砂混凝土工作性能的影響存在一個(gè)最優(yōu)值。對于不同的混凝土體系，石粉的最佳含量值是不同的。目前的研究缺少能夠動(dòng)態(tài)獲得不同混凝土體系最佳石粉含量的方法，這將是后續(xù)的研究熱點(diǎn)之一。

2.2 力學(xué)性能

石粉的添加可以提高混凝土拌合物的保水性，填充混凝土內(nèi)部空隙，降低孔隙率，因此目前多數(shù)的研究認(rèn)為機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度高于同水灰比的天然河砂混凝土。Celik[15]、Topcu[16]、Imène[17]、Eren[18]、黎鵬平[19]、楊海峰等[20]的研究成果顯示機(jī)制砂混凝土的抗壓及抗折強(qiáng)度在石粉含量為10%時(shí)達(dá)到最大值，高于或低于10%時(shí)機(jī)制砂混凝土均無法發(fā)揮其最佳力學(xué)性能。石粉含量低于10%時(shí)，石粉無法完全填充混凝土內(nèi)部的空隙；石粉含量高于10%時(shí)，沒有足夠的水泥漿體包裹集料。張禮華等[21]的研究認(rèn)為適宜含量的石粉可以提高混凝土的力學(xué)性能。對于C30混凝土，石粉含量不宜超過15%；對于C50混凝土，石粉含量宜在5%～10%之間，以5%左右為佳。黃昌華[22]等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)C35和C45機(jī)制砂混凝土中石粉的含量分別處于7%～13%和5%～8%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度隨石粉含量的增加而提高。機(jī)制砂混凝土比普通河砂混凝土具備更加優(yōu)良的劈裂抗拉及抗裂性能。王青等[23]的研究表明添加適量的石粉有利于混凝土力學(xué)強(qiáng)度的提高，中低強(qiáng)度泵送機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能在石粉含量為22%～25%時(shí)達(dá)到最佳。謝開仲[24]等的研究表明機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能隨石粉含量的增加先提高后降低，在3%時(shí)達(dá)到最佳。

綜上所述，大多數(shù)學(xué)者的研究表明適量石粉的添加可以提高機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能。對于不同體系的混凝土，石粉的最優(yōu)含量是變化的。一般認(rèn)為，10%左右的石粉含量能夠有效提高機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能。建立能動(dòng)態(tài)評價(jià)不同體系機(jī)制砂混凝土最佳石粉含量的評價(jià)體系是今后研究的熱點(diǎn)。

2.3 耐久性能

目前國內(nèi)外關(guān)于石粉含量對混凝土耐久性能影響的研究主要集中在抗?jié)B性和抗凍性這兩個(gè)方面。在抗?jié)B性方面，多數(shù)研究表明添加石粉可以將混凝土內(nèi)部孔隙填滿，提高抗?jié)B性。在抗凍性方面，受到試驗(yàn)條件及方法等因素的影響，不同的學(xué)者得到的結(jié)論有所差異。

李婷婷等[25]的研究認(rèn)為石粉對含膠凝材料少、強(qiáng)度等級低的機(jī)制砂混凝土抗?jié)B性提升明顯，對含膠凝材料多、強(qiáng)度等級高的機(jī)制砂混凝土則幾乎無影響。在水壓抗?jié)B方面，C30混凝土在石粉含量達(dá)到10%～15%左右時(shí)水壓抗?jié)B性最好。王稷良等[26,27]的研究表明機(jī)制砂中石粉含量的增加會(huì)提升低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能，降低其抗凍性能。低強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土的抗凍性能在石粉含量高于10%時(shí)大幅降低；高強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土的抗?jié)B性能及抗凍性能對石粉含量變化不敏感，當(dāng)石粉含量從3.5%增加至14%時(shí)，其抗?jié)B性能及抗凍性能幾乎無變化。王雨利等[28]的研究顯示機(jī)制砂混凝土的抗凍性要弱于河砂混凝土，適量石粉的添加可以提升機(jī)制砂混凝土的抗凍性能，機(jī)制砂混凝土的抗凍性能與機(jī)制砂的母巖種類無關(guān)。李鳳蘭[29]的研究指出石粉含量的高低幾乎不影響機(jī)制砂混凝土的抗?jié)B性能及碳化性能。李北星等[30]的研究表明機(jī)制砂混凝土的抗碳化性能、抗?jié)B性能、抗硫酸鹽侵蝕性能等指標(biāo)在石粉含量為7%時(shí)達(dá)到最佳，明顯優(yōu)于河砂混凝土。楊卓強(qiáng)等[31]指出適量石粉的添加會(huì)提高混凝土的抗碳化性能和抗?jié)B性能，石粉含量高低幾乎不影響混凝土的抗凍性能，在實(shí)際工程中可不考慮石粉含量變化對混凝土抗凍性能的影響。

綜上所述，大多數(shù)學(xué)者的研究成果表明適量石粉的添加可以增強(qiáng)低強(qiáng)度混凝土（膠凝材料少）的抗凍性及抗?jié)B性，對于高強(qiáng)度混凝土（膠凝材料多）則影響不明顯。

3 存在的問題及建議

從目前國內(nèi)外學(xué)者對機(jī)制砂混凝土的研究成果來看，機(jī)制砂混凝土具備突出的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。但目前關(guān)于機(jī)制砂混凝土的研究還存在一些問題，例如：

①目前研究的機(jī)制砂母巖多為石灰?guī)r，很少涉及到其它巖石種類，今后應(yīng)加強(qiáng)對其它巖性機(jī)制砂的研究，拓展機(jī)制砂的研究范圍；

②目前石粉含量對機(jī)制砂混凝土性能影響方面的研究仍存在爭議，石粉的最佳含量在不同體系的混凝土中各不相同，建立能夠動(dòng)態(tài)評價(jià)不同體系機(jī)制砂混凝土最佳石粉含量的評價(jià)體系是今后研究的熱點(diǎn)方向之一；

③目前，吉林、江西、四川、陜西等地已經(jīng)相繼頒發(fā)了適用于本區(qū)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來對機(jī)制砂的生產(chǎn)與應(yīng)用進(jìn)行指導(dǎo)，但由于地區(qū)地質(zhì)條件等因素的差異，不同區(qū)域應(yīng)用的領(lǐng)域有所差異，缺乏統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，不利于機(jī)制砂混凝土在全國范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用；

④目前機(jī)制砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)仍參考普通混凝土來進(jìn)行，未體現(xiàn)石粉含量變化對混凝土性能的影響。在今后的配合比設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)在考慮石粉含量的基礎(chǔ)上對設(shè)計(jì)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。