機(jī)制砂及機(jī)制砂混凝土研究應(yīng)用現(xiàn)狀綜述

劉貞鵬，王 晶，陸 芳，覃宏海

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋工程系，廣西 南寧 530216)

機(jī)制砂及機(jī)制砂混凝土研究應(yīng)用現(xiàn)狀綜述

劉貞鵬，王 晶，陸 芳，覃宏海

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋工程系，廣西 南寧 530216)

鑒于機(jī)制砂與天然砂材料特性及在混凝土中應(yīng)用的不同，對機(jī)制砂特性、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)，尤其是機(jī)制砂中石粉含量及特性對混凝土性能影響的研究應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，對存在問題進(jìn)行了分析。

機(jī)制砂；機(jī)制砂混凝土；現(xiàn)狀；綜述

1 引 言

隨著天然砂的日漸短缺，機(jī)制砂替代天然砂已成為混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。天然砂是自然生成、經(jīng)人工開采和篩分得到的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，其中粒徑小于0.075mm的稱為泥；而機(jī)制砂主要是經(jīng)除土處理，由機(jī)械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，其中粒徑小于0.075 mm的稱為石粉。機(jī)制砂的材料特性與天然砂有很大的區(qū)別，這也使機(jī)制砂混凝土在性能表現(xiàn)、配合比設(shè)計(jì)及生產(chǎn)、施工等方面與天然砂混凝土存在較大差異。

盡管國內(nèi)外已對機(jī)制砂及其在混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了眾多研究，并在工程實(shí)踐中得到了廣泛運(yùn)用，但是在機(jī)制砂生產(chǎn)工藝、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，石粉活性、與外加劑相容性、對混凝土性能影響以及機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)等許多方面仍存在較大爭議，本文簡要地對機(jī)制砂及機(jī)制砂混凝土的研究應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，對存在問題進(jìn)行了分析，以期為機(jī)制砂在混凝土中的推廣應(yīng)用提供一些指導(dǎo)和啟發(fā)。

2 石粉含量及特性

機(jī)制砂的生產(chǎn)過程中不可避免地會產(chǎn)生一定數(shù)量的石粉，機(jī)制砂中的石粉不同于天然砂中的泥，其礦物成分與機(jī)制砂母巖相同，主要由0.04～0.075mm的微粒組成，構(gòu)成機(jī)制砂的微細(xì)級配，是機(jī)制砂的重要組成部分。石粉含量及特性對機(jī)制砂混凝土性能的影響，是機(jī)制砂混凝土研究的核心內(nèi)容。

石粉對機(jī)制砂混凝土拌合物工作性的影響，目前還沒有形成一致的結(jié)論，有人認(rèn)為石粉增大了機(jī)制砂的比表面積，增加了需水量，對工作性不利；有人認(rèn)為石粉增加了漿體，填充了顆粒間的空隙，降低了顆粒間的摩阻力，從而可以改善拌合物流動(dòng)性，同時(shí)石粉還會增加漿體粘滯性，減少拌合物泌水離析現(xiàn)象。實(shí)際上，石粉對機(jī)制砂混凝土拌合物工作性的影響既有正效應(yīng)也有負(fù)效應(yīng)，石粉含量不同時(shí)，石粉的正效應(yīng)與負(fù)效應(yīng)大小也不同，存在一個(gè)最佳的石粉含量，但對不同強(qiáng)度等級混凝土而言，石粉的最佳含量不同。機(jī)制砂中適量的石粉還可以增加混凝土拌合物的密實(shí)性和穩(wěn)定性，從而提高混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性能，對混凝土的體積穩(wěn)定性也大有益處，并且石粉的存在基本不影響礦物摻合料對混凝土的作用效果。

關(guān)于石粉在水泥水化過程中是否具有活性，意見也不統(tǒng)一。多數(shù)人認(rèn)為石粉沒有活性，不參與水泥的水化反應(yīng)，也有人認(rèn)為石粉具有晶核效應(yīng)和微弱活性，一方面石粉微粒在水泥水化過程中起晶核作用，誘導(dǎo)水化產(chǎn)物析晶，促進(jìn)水泥水化；另一方面石粉本身可與C3A反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣，還能抑制水化早期形成的鈣礬石向單硫型硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)化，從而提高水泥基材料的強(qiáng)度，并認(rèn)為石粉活性主要決定于碳酸鹽礦物成分的含量，在水泥水化早期表現(xiàn)較為明顯而后期不明顯。客觀來說，即便石粉并非完全惰性，也不同于活性礦物摻合料，在混凝土中更多地表現(xiàn)為微集料的填充效應(yīng)，優(yōu)化混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使混凝土更均勻，增加漿體和界面過渡區(qū)的密實(shí)性，提高混凝土強(qiáng)度，但當(dāng)石粉含量過高時(shí)，水泥石或界面過渡區(qū)中出現(xiàn)游離態(tài)的石粉，則將不利于集料與水泥石的粘結(jié)，降低混凝土性能。

機(jī)制砂石粉中往往含有部分泥粉，由此導(dǎo)致機(jī)制砂對外加劑的反應(yīng)比天然砂更為敏感，隨著MB值的提高，機(jī)制砂對外加劑尤其是聚羧酸系減水劑的吸附增強(qiáng)，混凝土工作性及體積穩(wěn)定性劣化顯著，嚴(yán)格控制石粉中的含泥量可以提高機(jī)制砂與外加劑的適應(yīng)性，這也是眾多混凝土工程長期以來限制石粉含量的重要原因，在MB值滿足國標(biāo)要求的前提下可以適當(dāng)放寬石粉含量限值。

3 機(jī)制砂特性

機(jī)制砂由機(jī)械加工而成，其材料特性與天然砂有較大不同，機(jī)制砂大多級配較差，呈現(xiàn)出“兩頭多中間少”的特點(diǎn)，2.36 mm以上及0.075 mm以下顆粒偏多，而水洗后又導(dǎo)致0.6 mm以下顆粒不足，使機(jī)制砂混凝土拌合物工作性不良。余川認(rèn)為機(jī)制砂良好的級配曲線形狀是拉伸的正S形，下凸形次之，拉伸的反S形和上凸形最差。

機(jī)制砂往往表面粗糙、多棱角，相同級配的機(jī)制砂棱角性及空隙率均大于天然砂，這一方面會增大混凝土拌合物的屈服應(yīng)力而降低和易性，另一方面則會加強(qiáng)細(xì)集料與漿體的粘結(jié)而提高混凝土的強(qiáng)度與體積穩(wěn)定性，機(jī)制砂混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度均高于天然砂混凝土，干縮率小于天然砂混凝土。不過當(dāng)前關(guān)于機(jī)制砂特性與機(jī)制砂混凝土性能的研究多局限于石灰?guī)r機(jī)制砂，對其他巖性機(jī)制砂的研究較少。另外對高強(qiáng)高性能機(jī)制砂混凝土的研究較少，對機(jī)制砂混凝土長期性能的研究不充分，且研究成果存在爭議，導(dǎo)致機(jī)制砂在重要混凝土工程中較少使用，這也成為制約機(jī)制砂混凝土發(fā)展的關(guān)鍵所在。

要解決機(jī)制砂混凝土拌合物工作性較差的問題，必須保證良好的機(jī)制砂品質(zhì)，包括粒形合理、級配良好、石粉含量適宜、含泥量低等，這需要選擇良好的制砂設(shè)備及合理的制砂工藝。

4 機(jī)制砂生產(chǎn)工藝及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

天然砂的級配、細(xì)度模數(shù)等指標(biāo)天然形成，較難控制，而機(jī)制砂生產(chǎn)可控性強(qiáng)，其級配、細(xì)度模數(shù)及石粉含量等指標(biāo)在一定范圍內(nèi)均可控，但由于我國當(dāng)前缺少優(yōu)良制砂工藝的研究，多數(shù)機(jī)制砂生產(chǎn)企業(yè)工藝簡單、管理水平低下，不愿增加工藝及成本對相關(guān)基本指標(biāo)進(jìn)行控制，機(jī)制砂普遍粒形較差、級配不良。其實(shí)機(jī)制砂與天然砂的本質(zhì)區(qū)別就在于其多項(xiàng)指標(biāo)都是可以控制并且需要控制的。

機(jī)制砂石粉中含泥量過高會影響混凝土拌合物工作性及硬化混凝土強(qiáng)度、耐久性，限制含泥量多數(shù)采用水洗方法，但水洗(除土處理)應(yīng)在原料加工前進(jìn)行，即采用水洗后的巖石加工機(jī)制砂，加工后盡可能保留和利用機(jī)制砂中的石粉，而不是加工后再盲目水洗，否則會帶走很多粒徑大于0.075 mm的顆粒，破壞機(jī)制砂的自然級配。

未經(jīng)處理的機(jī)制砂一般含有至少10%的石粉，通常采用亞甲藍(lán)試驗(yàn)定性表征石粉中含泥量的高低，規(guī)范根據(jù)MB值對石粉含量限值作了規(guī)定，最高不超過10%，盡管也注明了在試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，允許供需雙方根據(jù)使用地區(qū)和用途協(xié)商確定，但在工程應(yīng)用中，對石粉含量的這種嚴(yán)格規(guī)定客觀上加劇了人們對石粉在機(jī)制砂混凝土中作用的誤解，同時(shí)也不利于機(jī)制砂的生產(chǎn)及推廣應(yīng)用。實(shí)際上機(jī)制砂并非“越干凈越好”，適量的石粉對中低強(qiáng)度等級混凝土是有益的。

現(xiàn)行國標(biāo)僅對石粉含量上限作了規(guī)定，而忽略了當(dāng)石粉含量過低時(shí)，機(jī)制砂混凝土拌合物極易泌水、離析，普遍認(rèn)為機(jī)制砂的石粉含量存在一個(gè)最佳范圍，規(guī)范可以對石粉含量給出范圍值，而不是小于某個(gè)限值，同時(shí)在不同混凝土用途、不同強(qiáng)度等級等情況下，機(jī)制砂中石粉的最佳含量及最高限值應(yīng)當(dāng)有所區(qū)別，認(rèn)為高強(qiáng)度等級混凝土中石粉含量可以采用國標(biāo)的要求，而低強(qiáng)度等級混凝土要求10%則過于苛刻，很難滿足低強(qiáng)度等級混凝土的配制要求。應(yīng)綜合石粉對機(jī)制砂混凝土性能的影響規(guī)律，更加科學(xué)合理地確定機(jī)制砂中所允許的石粉含量，同時(shí)當(dāng)前規(guī)范對石粉特性的表征較為簡單(粒徑和MB值)，應(yīng)采用多元化指標(biāo)表征并探明其特性。

5 機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)

當(dāng)前機(jī)制砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)理論及方法還不成熟，多數(shù)還是沿用天然砂混凝土的配制方法，只是簡單地通過適當(dāng)提高砂率等方式改善混凝土拌合物工作性，而忽視了機(jī)制砂與天然砂之間的一些本質(zhì)區(qū)別。已有一些研究者對機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了積極探索，比如西南交通大學(xué)李固華教授在普通混凝土配合比設(shè)計(jì)和高性能混凝土全計(jì)算法配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出了粉體當(dāng)量體積法。該方法把膠凝材料和粒徑小于0.075 mm的其他材料(包括石粉)一起作為粉體，針對不同粉體對混凝土拌合物和易性的不同影響，引入當(dāng)量系數(shù)的概念，即在規(guī)定的漿體稠度下，各種粉體單位體積用水量與水泥單位體積用水量之比，在計(jì)算粉體當(dāng)量總體積時(shí)，粉體體積要乘以當(dāng)量系數(shù)，采用合理的粉體當(dāng)量總體積即可較好地解決低強(qiáng)度等級機(jī)制砂混凝土拌合物工作性差的問題。

6 結(jié) 語

機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用越來越廣泛，但機(jī)制砂及其石粉特性對混凝土性能的影響仍存在較多爭議，導(dǎo)致機(jī)制砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較難執(zhí)行。應(yīng)全面認(rèn)識機(jī)制砂與天然砂的不同，準(zhǔn)確表征其材料特性，系統(tǒng)研究這些特性對混凝土性能的影響，尤其應(yīng)加強(qiáng)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝的研究，提高機(jī)制砂產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)機(jī)制砂在混凝土行業(yè)中的持續(xù)健康發(fā)展。

[1] 李北星，周明凱，等.石粉與粉煤灰對C60機(jī)制砂高性能混凝土性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2006.8，9(4)：381-387.

[2] 王稷良.機(jī)制砂特性對混凝土性能的影響及機(jī)理研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[3] 蔡基偉.石粉對機(jī)制砂混凝土性能的影響及機(jī)理研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

2016-05-12

劉貞鵬(1989-)，男，山東費(fèi)縣人，主要從事筑路材料相關(guān)的教學(xué)和研究。

U416.1

C

1008-3383(2017)02-0020-02