機制砂在混凝土中的應用問題淺探

陳 立，郭 鵬，唱春偉

1.中國建筑土木建設有限公司，北京 100068；2.中土木（北京）技術檢測有限公司，北京 102488

由于環保壓力和成本壓力的持續加劇，傳統混凝土的生產和使用技術走到了需要大幅度改良的關口。新理念、新方法、新材料在混凝土中的應用已成為一種趨勢。其中，在混凝土中使用機制砂對天然砂進行替代，是一個持續升溫的關注點［1］。而且，國內部分省市已經對此形成了地方性規范。本文即結合筆者在混凝土應用和研究方面的經驗，對機制砂在混凝土中的應用原理和主要問題進行探討。

1 機制砂與天然砂在混凝土中的作用差異

這個問題是研究機制砂混凝土的起點。從材料構成的角度，機制砂混凝土與普通混凝土之間的差別，僅為細骨料的不同而已。在現有的機制砂混凝土研究中，也通常是從將機制砂作為天然砂的替代品的角度，或采用機制砂模擬天然砂的屬性的角度入手。但這個問題是值得進一步探討的。

機制砂與天然砂的材料屬性不同。機制砂是人工破碎巖石的產物［2］，天然砂是自然風化的結果。人工破碎屬于物理分解，自然風化屬于“物理+化學+生物”分解，兩者具有完全不同的表面特征。天然砂經過長期的自然風化，表面能降低，能夠在材料的混合態中穩定存在；而機制砂是瞬間破碎產生的，具有較高的表面能［3］，能夠與介質材料發生相對強烈的表面反應和能量交換。因而天然砂是作為具有穩定態的獨立材料發揮物理作用，機制砂則存在進行深度能量反應的潛力，發揮強烈的物理化學作用。

2 機制砂對普通混凝土力學結構的改變

機制砂作為人工破碎巖石的產物，其幾何形狀較之天然砂更具不規則性，粒型更趨復雜、針片狀顆粒較多。機制砂這一幾何特性是人工手段在成本控制的前提下無法有效改善的，對混凝土的力學結構產生了嚴重的影響。

普通混凝土的骨料配合比本質上是按照Fuller 曲線［4］進行設計的，考慮的顆粒為粒型相近的凸多面體，這一堆積形式中力學作用以表面摩擦和表面咬合為主。而對于針片狀顆粒較多、粒型復雜的機制砂顆粒而言，并不符合理想密實堆積的邊界條件，其顆粒間的力學作用以表面摩擦、體積咬合和顆粒剪力為主。這一差異導致傳統的普通混凝土配合比設計方法對機制砂的局部失靈，因為機制砂實質上破壞了普通混凝土原有的內部結構統一性。在宏觀上，細骨料對粗骨料空隙的填充具有非均質性，從而膠凝材料對骨料空隙的填充也將發生“塊集”，成為混凝土各項性能降低的誘因。

3 機制砂對混凝土性能影響的多重性

機制砂對混凝土性能的影響并非單方面的，主要由強度影響、和易性影響、耐久性影響三方面構成，而這三方面影響并非呈正相關。

在強度方面：采用機制砂的混凝土由于細顆粒咬合力大、與膠凝材料握裹力強，在中低強度混凝土范疇內，其強度參數優于天然砂混凝；在和易性方面：采用機制砂的混凝土由于表面粗糙，在同等用量條件下，其和易性較之天然砂混凝土為差。而機制砂的表面效應，具有較強的吸水性，為混凝土帶來較大的塌落度損失；在耐久性方面：由于機制砂不具有穩定的表面形態，表面能較大，能夠促進表面反應，所以機制砂混凝土在同等配比用量條件下抵抗氯離子侵蝕的能力要低于天然砂混凝土。

可知，機制砂在混凝土中應用的優勢主要表現在強度方面，而在和易性和耐久性方面則不能通過簡單的材料替換來進行設計，需要更加嚴密復雜的調整機制。

4 機制砂混凝土研究方法存在的問題

機制砂混凝土的研究，在目前而言存在兩個主要的誤區：（1）研究者一般都是在考慮機制砂對天然砂的替代使用機制，研究的目標是通過配合參數調整使機制砂混凝土能夠達到普通混凝土的性能要求；（2）機制砂的使用和機制砂的裝備要求，一般重點放在磨圓度、石粉含量、針片狀顆粒含量等方面，實際上就是實現天然砂的人工模擬工作。

筆者認為機制砂混凝土配合比設計，首先應該改變上述兩種觀念，采用以下方法：

（1）普通混凝土的內部結構，屬于懸浮介質結構，而機制砂混凝土更接近于咬合嵌擠式結構。尤其是混凝土制備的早期，這種差別更加明顯。天然砂主要具有填充骨料的性質，而機制砂具有結構性骨架的性質。同時，機制砂較高的表面能能夠與膠凝溶解物發生滲透反應。所以機制砂混凝土應該作為一種新型混凝土材料，立足于以上三個特點，進行全新的模型研究，而不可將之在普通混凝土模型中簡單套用。

（2）天然砂的材料性質是不可能通過人工模擬而短期實現的，采用天然砂的基本特征去對機制砂的參數進行約束，本身就是個偽命題。對機制砂的參數約定，應當依據機制砂在混凝土中的“填充—結構骨架”屬性和“膠凝—強化”屬性，考慮機制砂的混凝土結構貢獻分布特征、膠凝材料作用強化特征，進行重建。

5 結論

機制砂混凝土的產生和發展，是環保壓力和成本壓力共同作用的結果。但如果依據普通混凝土的設計理論對機制砂進行約定，最終必要導致混凝土配合比中的膠凝材料、外加劑用量的提高，對成本控制帶來相當的壓力。所以，基于機制砂自身材料特征，建立相應的機制砂混凝土研究方法和設計應用理論是解決當前混凝土市場機制砂應用問題的有效途徑。