機制砂混凝土的特性及研究進展

方 劍 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

當前我國混凝土材料的制備多使用河砂，然而河砂作為一種地域資源，具有短時間內不可再生的特征，并且隨著我國對生態(tài)環(huán)境保護的愈加重視，天然砂的開采受到嚴格限制。其中，某些區(qū)域存在少砂甚至無砂的狀況，只可采取遠途運輸或者尋找其他材料替代的方法制備混凝土，嚴重制約了混凝土相關行業(yè)的建設發(fā)展。因此，采用人工制砂的方法勢在必行。隨著機制砂材料的來源途徑愈加豐富、制備工藝愈加成熟，制備高抗?jié)B透性、高強度、高耐久性和高穩(wěn)定性的機制砂混凝土得到相關領域專家的關注，對其持續(xù)的動態(tài)關注具有十分重要的意義。基于此，本文首先從機制砂的特性入手，評述了石粉對機制砂混凝土性能的影響以及機制砂混凝土的性能，依此做出未來展望。

2 機制砂的特性

機制砂是由人工使用專業(yè)研磨設備制作而成，砂粒的粒徑可根據(jù)具體的使用需求而改變，但大多數(shù)小于5mm。與天然砂相比，機制砂的級配較差，呈現(xiàn)出兩端多中間少的特點，砂粒粒徑大多以大于2.36mm和小于0.075mm為主，經(jīng)過水洗等工序之后，粒徑小于0.6mm的顆粒會再次減少，使得由機制砂制備的混凝土混合物的性能降低。為減少此種情況的發(fā)生，可通過使用擊碎設備、調整制備條件等措施改善，避免出現(xiàn)機制砂混凝土制備過程中的和易性差、外觀不佳、質量低下等問題。此外，由于是機械加工而成，機制砂的表面往往粗糙不堪、棱角分明，與同樣級別的天然砂相比其空隙率更高，因此更易于細骨料、水泥砂漿等材料的黏結，進而提高機制砂混凝土的強度和穩(wěn)定性，同時也會因混合物屈服應力的增大而降低和易性。由于人工制作的機制砂中含有一定量的石粉，雖然其顆粒粒徑與泥的粒徑相差無幾，但因組成成分不同，對混凝土拌合物的性能產(chǎn)生了不同的影響。適量的石粉可起到連接水泥與砂的作用，填充彼此之間的空隙，增強混凝土的整體性，而泥會阻礙砂料與水泥的黏結，造成混凝土的黏結性較差。要解決上述機制砂混凝土性能較差的問題，需要保證機制砂材料的質量，可通過選擇良好的制砂設備與原材料、合理的制砂工藝、成熟的制砂技術等途徑實現(xiàn)。

與天然砂相比，機制砂具有以下優(yōu)勢：①機制砂可根據(jù)不同的工程使用要求量身定做，其級配經(jīng)過專業(yè)研磨之后可滿足不同的使用需求；②經(jīng)過河水、雨水的長期沖刷，天然砂的表面更為光滑，而機制砂較之更為粗糙，在混凝土拌合物制作過程中可最大限度地填充空隙，使不同的材料更好地黏結在一起，混凝土的和易性得到提高；③由機制砂制備的混凝土，其抗壓、抗拉性能均強于天然砂制備的混凝土，干縮率則小于天然砂混凝土；④機制砂的制備可使用廢棄混凝土或碎石，實現(xiàn)了廢棄資源的再利用，更加經(jīng)濟環(huán)保，與當前碳中和及碳達峰的國家發(fā)展戰(zhàn)略相吻合。但同時也存在一些缺陷，包括由0.075mm以下的機制砂制備的混凝土強度較低，混凝土表面的光澤、紋理等不均勻。

3 石粉對機制砂混凝土性能的影響

機制砂在生產(chǎn)過程中受到制備工藝及原材料等因素的限制，難免會產(chǎn)生一定量的石粉。相對于天然砂中的泥質，石粉中的雜質較少，其主要礦物成分與機制砂母巖相同，主要區(qū)別在于顆粒粒徑大小的不同。當前學術界對于不同石粉含量是否會對機制砂混凝土的性能產(chǎn)生影響尚無定論，部分學者認為石粉含量的增高會加大混凝土拌合物的比表面積，增大需水量，進而影響混凝土的強度和濕度。另有學者認為由于石粉填充了漿體之間的空隙，降低了混凝土攪拌過程中的摩擦力，從而改善了混凝土的流動性能，減少混凝土水分的離析現(xiàn)象。但可以明確的是，石粉含量的配比存在一個臨界點，當超過或者低于此臨界點，混凝土的和易性將變差。因此，當前研究需著眼于不同石粉含量配比對混凝土拌合物性能的影響上，通過研究最佳石粉含量配比，將石粉材料的優(yōu)勢最大化。

楊家偉等探討了不同石粉含量與粉煤灰含量對低強度混凝土和易性及強度的影響，試驗結果表明，當石粉含量在24.8%左右時，混凝土的和易性最佳，粉煤灰摻量在35%左右時，混凝土的強度較好。B.P.Hudson等人認為石粉可填充機制砂混凝土漿體之間的空隙，起到潤滑混凝土拌合物的作用，當機制砂中的石粉含量在5%～10%之間時，只需維持較低的水量即可保證其工作性能。Nam-Shik Alln提出當石粉起到填充混凝土骨料縫隙的作用下，就不會增大用水量，彌補了常規(guī)觀點的不足。李興貴通過研究石粉含量對混凝土力學性能與收縮性能的影響，經(jīng)對比試驗得出當石粉含量在16%左右時，混凝土的力學性能達到最佳狀態(tài)。李嵩林等試驗研究了C50機制砂混凝土各組成成分的配合比，得出石粉含量在5%左右時，混凝土的抗壓強度最大；當石粉含量超過7%時，混凝土的抗壓強度與石粉含量成反比；但在12%以內變化時，石粉含量對混凝土的抗凍性與抗?jié)B性影響較小。王雨利等以不同類型的中低強度等級混凝土為研究對象，經(jīng)試驗得出5%、10%與15%的石粉含量分別對應的水粉比為0.4時，混凝土的抗壓性能處于最佳狀態(tài)。王衛(wèi)東等試驗得出當機制砂混凝土的砂率在35%～43%、石粉含量在5%～13%之間時，機制砂混凝土的工作性、收縮變形性能、力學性能、抗?jié)B性等性能與河砂混凝土相差無幾，甚至優(yōu)于河砂混凝土。

4 機制砂混凝土的性能研究

由人工制備而成的機制砂相異于天然砂，決定了機制砂混凝土與天然砂混凝土性能上的差異，并主要表現(xiàn)在強度、抗?jié)B性和穩(wěn)定性方面。

4.1 機制砂混凝土的強度

多數(shù)學者認為機制砂混凝土的強度要優(yōu)于天然砂混凝土，王稷良通過試驗對比了天然砂與機制砂的級配值，試驗結果表明，與天然砂混凝土相比，機制砂混凝土的強度要高出2MPa，巖性的不同會造成機制砂混凝土強度的不同，究其緣由，周明凱等人認為機制砂中的石粉增強了混凝土的保水性，在水化反應中起到晶核作用和集料填充作用，有效提高混凝土的強度。安文漢等人則認為使用機制砂可以增強混凝土的強度，原因在于石粉可以明顯改善混凝土聚合物的孔隙率，使其晶相產(chǎn)生一定的改變。然而，其他學者提出了不同的觀點，李拖福等人認為石粉含量過多或過少都會對混凝土的強度產(chǎn)生不利影響，最佳摻量是控制在13%～17%之間。E.L.Dukatz等認為當石粉含量到達7%時，機制砂混凝土的抗壓強度明顯高于天然砂混凝土。S.Takami研究得出混凝土的力學性能隨著石粉細度的提高而增強。蔡基偉等通過使用石粉制備中低強度混凝土，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，在單位水泥用量較少的情況下，石粉對機制砂混凝土強度的貢獻更加突出。崔洪濤研究了不同石粉摻量對機制砂混凝土抗壓及抗折性能的影響，結果表明，機制砂混凝土的強度與石粉摻量成正比，尤其在混凝土拌合物反應的早期階段。Bonavetti等人的試驗研究表明，當石粉摻量在20%以內時，混凝土的抗折強度隨摻量增加而增強。然而，當石粉含量超過21%時，混凝土的密實性與和易性會變差，過多的石粉會使水泥漿體的強度降低，從而造成機制砂混凝土的強度減小。J.K.Kim等人的研究顯示機制砂的摻入可提高機制砂混凝土的抗斷裂性能，石粉有效提高了漿體與骨料之間的粘結度。

4.2 機制砂混凝土的抗?jié)B性

毋庸置疑，機制砂混凝土的抗?jié)B性取決于混凝土的密實程度，密實程度的提高會相應地提高混凝土的抗?jié)B性。Tahir Celik認為，石粉是影響機制砂混凝土密實程度的重要因素，機制砂中的石粉可加速水泥的水化作用，阻礙了空隙與滲水通道之間的連接，石粉含量越大，阻礙作用越強，機制砂混凝土更加密實，從而提高其抗?jié)B性。其他學者則認為石粉能加速CS的水化反應，并與CA、CAF反應生成結晶水化物，從而改善了機制砂混凝土的孔隙結構。張廣林等人試驗對比了不同粉煤灰摻量對C50機制砂混凝土的抗?jié)B性能影響，結果表明，當粉煤灰含量在15%左右時，機制砂混凝土的抗?jié)B性能達到最佳狀態(tài)。但有學者提出了相反觀點，如洪錦祥等人認為等質量的石粉取代水泥會降低混凝土的抗?jié)B性能，究其緣由在于，石粉既不是惰性材料，也非膠結材料，而是粒徑較小的微集料，雖然可以優(yōu)化機制砂混凝土的孔隙結構，但會造成水化產(chǎn)物的減少，機制砂混凝土的密實性就會變差。因此，隨著石粉含量的增加，混凝土拌合物中的氯離子擴散系數(shù)會變大，機制砂混凝土的抗?jié)B性能就會不斷降低。隨著我國大型水利設施、防汛抗洪設施以及海洋工程建設的增加，對機制砂混凝土抗?jié)B性能的要求會不斷提高。

4.3 機制砂混凝土的穩(wěn)定性

機制砂混凝土的穩(wěn)定性受到多重因素的影響，試驗數(shù)據(jù)的不同會造成機制砂混凝土生化規(guī)律的不同。在石粉含量方面，吳明威等人試驗了0.08mm石粉對機制砂混凝土的影響，石粉含量越大，收縮越小，且比天然砂混凝土的收縮值小。然而其他學者提出了不同結論，李興貴等人的試驗表明，當石粉含量在12%以內時，機制砂混凝土的干縮率增長緩慢，當含量超過12%時，干縮率增長迅速，原因在于粒徑小于0.075mm的石粉顆粒可增加水泥漿的含量。彭仁琛試驗了C35混凝土的收縮性能，提出石粉摻入越多，水泥漿體受到的收縮約束越小，混凝土的收縮率變大。D.P Bentz等人研究發(fā)現(xiàn)當石粉含量達到15%時，機制砂混凝土的干縮率會降低，但強度幾乎沒有發(fā)生變化。機制砂混凝土的穩(wěn)定性除了與石粉含量有關，還受到混凝土齡期的影響，田建平等人以C60機制砂混凝土為研究對象，試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土早齡期（14d以前）的收縮率隨著石粉含量的增加而增長；14d以后，當石粉含量在7%以內時，混凝土各齡期的收縮率與石粉含量成正相關，超過7%時，混凝土各齡期的收縮率與石粉含量成負相關。段瑞斌等人試驗對比了90d齡期的機制砂混凝土和岳陽砂混凝土的收縮性能，結果表明兩者差距甚小。李晶的研究表明當石粉外摻量小于15%時，石粉會顯著抑制機制砂混凝土的收縮反應；當石粉內摻時，機制砂混凝土的收縮程度會不斷增大。

5 研究評述與展望

隨著我國一帶一路的大規(guī)模建設，對機制砂混凝土的需求越來越大，不同屬性特征的項目對機制砂混凝土的特性提出了更高要求。當前對于機制砂混凝土特性的研究多局限于石灰?guī)r這一材質，對其他巖性機制砂研究較少。另外，對高強度高性能機制砂混凝土的研究相對不足，對影響高性能機制砂混凝土的參數(shù)指標及相互關系缺乏實證研究，有待于進一步完善。綜合上述內容，未來機制砂混凝土的相關研究可在以下幾個方面進行拓展：

①不同性能機制砂混凝土的比較研究；

②采用多種指標系數(shù)對石粉的特性進行實證；

③如何在增加石粉摻量以提高機制砂混凝土強度的情況下，滿足泵送要求，使其具備更好的工作性能，尚需要進一步研究；

④系統(tǒng)配制并構建機制砂混凝土的配合比設計體系。