機制砂母巖特性對機制砂混凝土性能影響的研究現狀

張元朔，章家海，項炳泉，王曉海，陳慧，詹奇淇，李娜娜

（1.安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質量第二監督監測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

由于天然砂資源日益匱乏，為推進砂石產業健康有序發展，機制砂逐漸成為我國混凝土用砂的主要來源。為積極配合國家環境保護重大戰略發展要求，加快“綠色（水）青山”建設，安徽省近年來著力推動機制砂的生產與應用，以充分保障建筑行業健康持續發展。

安徽省建筑石料用礦產資源豐富，加工機制砂的母巖種類繁多，主要的礦石自然類型分為火山巖、沉積巖和變質巖三類。火山巖中作為制砂母巖，常用的巖石類型有花崗巖、玄武巖和閃長巖等；沉積巖常用的制砂母巖有石灰巖和砂巖；變質巖常用的制砂母巖有片麻巖和白云巖，且安徽省內巖石類型的分布具有一定的地域專屬性。在生產機制砂時，制砂廠會優先選取物理化學性質穩定的巖石作為制砂母巖。然而，目前對機制砂的研究集中在母巖為石灰巖的機制砂，由于各地制砂采用的母巖類型很多，對于母巖為片麻巖、花崗巖等常見巖性的機制砂對混凝土性能影響的研究較少，缺乏理論和實踐指導（圖1）。

2 母巖巖性對機制砂混凝土工作性的影響

機制砂的母巖巖性對混凝土工作性的影響主要體現在流動性、和易性和泌水率等方面。趙社民采用母巖巖性為石灰巖、玄武巖、片麻巖的機制砂分別配制C20、C30、C50三種強度等級的混凝土進行和易性對比試驗，他認為混凝土和易性和泌水率的差異與母巖巖性的相關性很小，影響不顯著。宋少民等選取了安山巖、花崗巖、凝灰巖、石灰巖、石英巖、片麻巖六種母巖巖性的機制砂，研究顯示不同巖性的機制砂對膠砂和混凝土的和易性影響與機制砂表面織構、石粉吸附性和化學組成的相關性較大。其中，顆粒表面織構不平整、吸附性較大的花崗巖和片麻巖與外加劑的適應性較差，對膠砂和混凝土的和易性影響較大。Donza等對比研究了天然砂與母巖巖性分別為花崗巖、石灰巖和白云巖機制砂混凝土的和易性，他指出機制砂的特性主要取決于制砂母巖的化學和礦物成分、巖石類型、容重、硬度、強度、物理和化學穩定性以及巖石內部孔結構等。因此機制砂在建設工程的應用，需要提前對不同巖性、粒形系數和細度模數的機制砂混凝土進行試驗，以確定機制砂與外加劑的適應性和最優摻量（下圖）。

3 母巖巖性對機制砂混凝土力學性能的影響

研究結果顯示機制砂混凝土的強度一般優于同齡期天然河砂混凝土的強度，這可能是由于機制砂表面粗糙、顆粒的多棱角性等特性，從而使得機制砂與水泥石之間的粘結力增大。然而對于不同巖性機制砂對混凝土力學性能的影響仍缺乏系統研究。

天然砂與機制砂

梁金科分別采用玄武巖機制砂，以 0%、20%、40%、60%、80%、100%的替代率替代天然河砂，以探究玄武巖機制砂對混凝土性能的影響。研究結果顯示，當混凝土強度等級為C50，水膠比為0.39，砂率為39%時，7d、28d、56d純機制砂混凝土的強度分別是純天然砂混凝土強度的86%、89%、95%。因此，他指出玄武巖機制砂有利于混凝土后期強度的升高，且不同含量的玄武巖機制砂混凝土的抗壓強度整體上低于天然砂混凝土，隨著齡期增長純機制砂混凝土強度與天然砂混凝土強度越來越接近。趙社民對比研究了石灰巖、片麻巖、玄武巖三種母巖巖性機制砂對混凝土力學性能的影響，研究結果顯示當混凝土強度等級為C20時，石灰巖機制砂混凝土各齡期強度均高于玄武巖和片麻巖機制砂混凝土；混凝土強度等級為C30時，片麻巖機制砂混凝土各齡期強度等級均高于石灰巖和玄武巖機制砂混凝土；混凝土強度等級為C50時，玄武巖機制砂混凝土28d、60d強度均高于石灰巖和片麻巖機制砂混凝土同齡期強度。然而試驗結果顯示，機制砂母巖巖性雖然對不同強度等級混凝土的影響略有差異，但差異并不顯著。

李強研究分析了不同摻量的花崗巖機制砂對混凝土力學性能的影響規律，結果表明：隨著花崗巖機制砂摻量的增加，混凝土力學性能均呈先增大后減小的趨勢，對于最大抗壓、抗折和劈拉強度而言，最佳機制砂摻量分別為10wt%、10wt%和15wt%，這主要是由于石粉的填充效應以及機制砂與水泥漿體之間具有更大的粘結力。程成的研究結果表明，對于不同巖性機制砂配制的混凝土，石灰巖的抗壓強度最高，其次為凝灰巖和片麻巖，安山巖、花崗巖和石英巖最小。

綜上所述，機制砂母巖巖性對不同強度等級混凝土的影響存在差異，但差異并不顯著。此外，在進行試驗的過程中除應對不同母巖巖性的機制砂，設置相近的細度模數、顆粒級配外，還應考慮機制砂本身攜帶的石粉含量、受風化程度以及顆粒形貌對混凝土性能的影響。

4 母巖巖性對機制砂混凝土耐久性的影響

趙社民分別選取石灰巖、片麻巖、玄武巖三種巖性的機制砂配制C20、C30、C50三個強度等級的混凝土，并進行混凝土的抗凍性試驗。他指出硬化混凝土的抗凍性主要受混凝土內部孔隙大小的制約，其中對混凝土抗凍性影響最顯著的是孔徑大于100nm的毛細孔。由不同母巖巖性機制砂配制的C20、C30、C50混凝土，其抗凍等級分別為F100、F150和F300。且對于同一強度等級、不同巖性的機制砂混凝土在經過相同次數的凍融循環試驗后，混凝土的相對動彈性模量差值在8%以內。因此，趙社民認為機制砂母巖巖性的變化對不同強度等級混凝土的抗凍性沒有顯著的影響。梁金科通過對玄武巖機制砂和天然砂以不同的比例復摻到混凝土中，分別測試不同齡期混凝土的收縮應變性能。研究結果顯示純玄武巖機制砂混凝土的收縮應變高于純天然砂混凝土，但當玄武巖機制砂含量小于40%時，有利于降低混凝土的收縮應變。

綜上所述，由物理化學性質穩定的母巖制得的機制砂，其母巖巖性對混凝土的耐久性的影響并不顯著。除此之外機制砂混凝土的耐久性還受機制砂性能（如堆積密度、顆粒形貌、孔隙率）和石粉含量的影響。前人針對機制砂中石粉含量、級配對機制砂混凝土性能的影響進行了大量的研究，而對于機制砂顆粒形貌對混凝土工作性、力學性能和耐久性的影響仍然較為薄弱。針對機制砂顆粒形貌對混凝土流動阻力、表觀黏度等性能的影響將會是未來研究的熱點問題。

5 不同巖性的石粉對機制砂混凝土力學性能的影響

石粉作為機制砂生產的副產品，其對水泥基材料的影響主要包括四種效應：晶核效應、稀釋效應、充填效應和化學效應。一般在混凝土中，石粉主要是以惰性填充物的形式存在，對粗細集料起到充填效應、對水泥具有稀釋效應。然而某些巖性的石粉由于含有活性的SiO、AlO等活性組分，在水泥漿強堿性的環境下，會發生一系列反應，進而對混凝土的性能進一步產生影響。

湯晴對比了石灰巖和凝灰巖機制砂石粉對混凝土的力學性能影響，研究結果顯示，對于C30和C60混凝土，抗壓強度的最佳石粉摻量分別為10%～15%、7%～10%；當強度等級達到C80時，隨石粉含量的增加機制砂混凝土抗壓強度呈下降趨勢。姚楚康指出不同巖性的石粉具有不同的礦物成分和結構，從而對機制砂混凝土的性能產生不同的影響。他通過不同巖性石粉取代機制砂，探究石粉巖性對砂漿力學性能的影響，結果顯示摻不同巖性石粉的砂漿3d抗壓強度從高到低依次為：石灰巖＞輝綠巖＞白云巖＞卵石＞砂巖＞花崗巖，28d抗壓強度與3d抗壓強度的規律基本一致。同時，他還指出不同巖性的石粉對砂漿的工作性、強度、耐久性和體積穩定性均有較大的影響，而石粉巖性對C30、C60混凝土抗壓強度性能的影響較小。楊海成研究了砂巖石粉對水泥砂漿的力學性能影響發現，砂巖的石粉摻量在5%～11%時，隨著石粉含量的增加砂漿的7d和28d抗壓強度和抗折強度均有所增大，說明砂巖石粉可促進水泥基材料的早期水化過程。宋少民等采用了替代率為 0%，20%，40%，60%，80%，100%的變量研究了片麻巖機制砂石粉對砂漿性能的影響，得出結論砂漿的抗壓強度隨石粉摻量的增加呈先增大后減小的趨勢，拐點出現在60%～80%之間。

一般情況下，石粉的適宜摻量與混凝土（或砂漿）中的孔結構有關。對于高水膠比混凝土，孔隙率較高，石粉可以優化孔結構、充填孔隙，起到促進水泥水化、優化膠凝材料與集料反應界面的積極作用；對于低水膠比混凝土，其孔隙率較低，石粉對膠凝材料體系稀釋效應的影響更為顯著，對混凝土（或砂漿）的性能起到負面的效應。因此石粉對混凝土（或砂漿）孔結構的影響，是石粉影響混凝土（或砂漿）性能的關鍵因素。此外不同巖性的石粉對混凝土和砂漿性能的影響還體現在不同巖性石粉的礦物成分和結構的影響上，還需要進一步深化研究。

6 結論

綜上所述，機制砂對混凝土性能的影響受到巖性、石粉含量、混凝土強度等級、砂顆粒特性和砂MB值等因素的影響，不同巖性機制砂對混凝土性能的影響幅度不同但差異不大。

機制砂石粉的摻量和巖性均會對混凝土的性能產生影響，不同摻量和不同活性的石粉會改變混凝土的和易性，從而改變密實度，最終影響混凝土的力學性能。機制砂中的石粉含量對不同強度等級的混凝土影響不一致，機制砂中石粉含量的限值應根據混凝土的強度等級來確定。不同巖性石粉活性順序為石灰巖>大理巖>玄武巖>花崗巖>片麻巖>石英巖。