机制砂混凝土研究现状综述

文摘 2024-10-10 07:00 河南

0引言

混凝土具有造价低、施工方便以及应用广泛等特点，是现代工程中用量最大的建筑材料。天然砂作为传统的细集料配置混凝土在工程中已有多年的应用时间，但随着全国现代化建设进程的加快以及十四五规划对环境保护的要求，国家的限制开采，天然砂资源日渐匮乏，多地区天然砂资源已经枯竭。如果继续采用天然砂作原料，会极大增加工程的实际成本，不利于国家可持续发展。因此，不得不寻求能够替代天然砂的新型建筑材料。

目前市面上替代天然砂的细集料主要有海水海砂以及机制砂。其中，研究发现海水海砂中的Cl^-、SO₄^2-会对混凝土造成较为严重的破坏，极大降低混凝土的强度及耐久性。在这种形势下，机制砂替代天然砂成为主力砂源是混凝土行业的最佳选择。

机制砂是指经除土处理，以岩石、卵石等新鲜岩石经机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm的岩石颗粒（不包括软质、风化的颗粒）。机制砂的优点为来源广、资源丰富，可由多种废弃资源加工而成，既处理了环境污染的问题，又提高了自然资源的使用率。

但机制砂存在形貌粗糙、石粉或泥粉含量高等问题。因此，相比于天然砂，机制砂在实际应用中有着减水剂用量大、新拌混凝土和易性差、硬化混凝土强度不达标等工程缺陷。目前，国内已有许多学者对机制砂展开了大量的研究。但是在机制砂母岩特性、颗粒级配、石粉含量、MB值对混凝土的影响等许多方面仍尚不明确，存在着较大争议。

在此基础上，本文简要总结了机制砂和机制砂混凝土的研究与应用现状，并分析了现有存在的问题，为今后机制砂替代天然砂的推广应用提供一些理论指导和启发。

1机制砂母岩特性

加工机制砂的母岩种类繁多，我国生产机制砂的主要原料有石灰岩、花岗岩、玄武岩等。由于不同岩性化学成分以及物理性能不同，母岩在破碎后的机制砂粒型、表面粗糙度以及泥粉含量均存在差异，将直接影响细集料的吸水性，进而影响混凝土的性能。目前国内外有学者针对不同母岩所加工的机制砂对混凝土性能的影响，进行了诸多的研究。在工作性能上，PedroN.Quiroga研究发现，在配合比一定的情况下，相比于河砂，花岗岩、玄武岩、石灰岩、辉绿岩的砂浆坍落度较小。王立华以花岗岩、砂岩和石灰岩等为实验材料，探讨了不同岩性下混凝土拌和物的变化规律，分析得出同一配比条件下，石灰岩机制砂混凝土的坍落度稍大，花岗岩及砂岩机制砂混凝土的坍落度略小，岩性对混凝土坍落度的作用较弱。唐凯靖通过采用河砂、玄武岩等来对比研究不同岩性对机制砂混凝土工作性能的影响。结果表明，玄武岩因其石粉含量较多，且颗粒表面粗糙，进而导致玄武岩机制砂坍落度和扩展度损失分别达到160mm、390mm，所配制出的混凝土和易性较差。

在力学性能上，Donza比较分析了花岗岩、石灰石和白云岩三种不同类型的机制砂对高性能砼的影响。实验研究表明，三种不同类型的机制砂混凝土抗压强度均大于天然砂，且以花岗岩为最佳。

Bonavetti通过对比研究了石灰石、石英岩、花岗岩不同岩性的石粉对混凝土性能的影响。结果发现，石灰石、石英岩、花岗岩不同岩性的石粉均能提高混凝土的抗压强度。宋少民选取了六种不同岩性的机制砂分别配制C30和C50混凝土并对其力学性能进行研究。结果发现，不论C30还是C50混凝土，石灰岩因其石粉吸附性低、分散性好而使得混凝土匀质性好，缺陷较少，其制备的机制砂混凝土强度最高。谢开仲对比研究了石灰岩、卵石、玄武岩三种机制砂与天然砂混凝土的本构关系及力学性能，总结出不同岩性机制砂混凝土的破坏形态差异较小，可忽略不计。

在耐久性能上，王稷良研究了石英岩、花岗岩、玄武岩等作为细骨料制备的机制砂混凝土。对比其耐久性的差异发现，由于片麻岩、玄武岩、石灰岩及大理岩等机制砂中石粉的存在会减缓混凝土中自由水的移动速度，使其混凝土塑性开裂的延缓效果劣于粉煤灰和矿粉。但相较于粉煤灰，石英岩、片麻岩、花岗岩与玄武岩等机制砂中的石粉却可以大幅度提高混凝土早期、后期的收缩能力。赵社民通过快速冻融的方法，对石灰岩、玄武岩、片麻岩机制砂所配制的C20、C30和C50混凝土进行了抗冻性能研究。分析结果发现，在混凝土强度等级相同下，不同机制砂所配置的混凝土经过相同次数的冻融循环试验后，其相对弹性模量差均小于8%，即机制砂的岩性变化对混凝土抗冻性能影响甚微。

由此可见，机制砂的成分与母岩保持高度一致，与母岩有着较强的相关性。尽管国内外许多研究人员针对不同岩性的机制砂混凝土进行了大量的实验研究，但所用原料多为石灰岩、玄武岩等，而对其他岩性的机制砂混凝土缺乏深入性研究。由于地域差异，各地生产机制砂的母矿岩性种类不一，制砂设备和工艺存在多样性，故所生产的机制砂级配、粒径、石粉量等差异较大，极具研究价值。因此，扩展对不同岩性的机制砂混凝土进行研究，是当前需要解决的问题。

2机制砂颗粒级配

砂的颗粒级配是评估机制砂质量的重要指标。其对新拌混凝土的工作性有很大影响，进而影响硬化混凝土的各项性能。机制砂级配要劣于天然砂，大多是“两头多，中间少”。机制砂中的颗粒主要集中于0.15mm和2.36mm之间，中间颗粒较少，少数存在某一粒级断档现象，故机制砂所配制出来的混凝土易离析泌水。目前，国内外已有许多学者对机制砂级配对混凝土的影响进行了研究。在工作性能上，艾长发以1.18mm筛孔为分割点，将骨料组成分为Ⅰ（粒径＜1.18mm）、Ⅱ（粒径≥1.18mm）两组分，研究了6种不同级配类型的机制砂混凝土的工作性能。试验结果发现，颗粒级配越密实，混凝土工作性能越好。混凝土的泌水性主要由I区决定，保水性及黏结性主要由II区决定，当I、II区组分比例为1:2时混凝土工作性能达到最优。胡建伟以0.6mm筛孔为分界点将机制砂颗粒分为Ⅰ（颗粒粒径≥0.6mm）、Ⅱ（颗粒粒径≤0.6mm）两个区，通过研究9组级配不同的水泥砂浆的相关试验发现，所配制的机制砂水泥砂浆流动度最高达到202mm，最低只有124mm。II区中的机制砂颗粒可有效改善砂浆的流动度，且石粉掺量在3%～5%时，砂浆的流动性大幅度提高。

喻萍通过采用13个级配曲线来配置机制砂，并对胶砂性能进行了分析，结果表明：机制砂颗粒粒径大于0.6mm时对胶砂流动性有显著影响，且累计筛余量在40%～77%时，胶砂流动性随0.6mm累计筛余量的增大而增大。

在力学性能上，郭丹选取了Ⅱ区上限、中值和下限以及1.18mm以上颗粒的机制砂来拌和混凝土。经力学试验发现，Ⅱ区中粗砂配制的混凝土强度最高，且不同强度的混凝土，其颗粒分计筛余最佳范围有所不同。陈景采用筛分试验研究了机制砂级配对混凝土力学性能的影响。研究发现，合理的级配能够有效地提高混凝土强度，其中以最紧密堆积配置的机制砂级配其混凝土强度最高。刘慈军对16目～30目（1.18mm～0.6mm）和30目～50目（0.6mm～0.3mm）、50～100目（0.3mm～0.15mm）

粒径范围的机制砂混凝土进行力学试验。分析试验数据可知，当机制砂中16～30、30～50、50～100混合比例为4.5:4.5:1时，混凝土28d抗折、抗压强度分别为39.4MPa、173.9MPa，力学性能最佳。

在耐久性能上，Golterman认为具有连续级配时的骨料其堆积密度大、孔隙率小，减少了混凝土胶凝材料的用量，进而提高了混凝土的密实性及耐久性等。芮捷通过单因素分析法，研究了由细到粗7种机制砂级配组合对高标号混凝土耐久性的影响。结果发现，级配是细集料影响混凝土抗渗性能的主要因素之一。细度模数≥1.86时，机制砂细小颗粒的增多，会加大混凝土结构的密实性，减小电通量，提高混凝土的抗渗性能。

由此可知，较好的颗粒级配可以在较少用水量的条件下制备出性能良好的混凝土混合料，并能保证成型时不离析，得到均匀密实的混凝土。级配优良的机制砂骨料所配制出的混凝土性能接近河砂。但在实际工程应用中，很难保证级配在合理设计范围，故调整机制砂的级配有待进一步研究。

3机制砂石粉含量

适量的石粉可以有效改善混凝土的和易性，提高混凝土的强度、抗冻和抗渗性能。但当石粉含量过高时，反而会降低混凝土各方面的性能。为此，深入研究机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响，是确保混凝土结构品质的关键。

石粉含量的变化将影响混凝土的工作性能。陈家珑通过试验研究了不同类型的石粉含量对混凝土和易性及坍落度的影响，结果表明，适量的石粉可有效提高混凝土的和易性，石粉最佳含量为14%。刘建刚研究了石粉含量对低强度混凝土性能的影响，发现当石粉含量为14%时，混凝土的和易性最优，其坍落度和扩展度分别为170mm、424mm，超过该值时混凝土的坍落度和扩展度明显降低。Celik通过研究同等级配、比例下混凝土的性能发现，石粉在改善混凝土工作性能的同时，会加大集料的比表面积。故在同体积混凝土拌和物下，用水量随石粉含量的增加而提高。在探究石粉含量对机制砂混凝土力学性能的影响方面，从其作用机理上看，石粉主要通过其物理作用提高混凝土的强度。石粉因其粒径较小且分布均匀，能更好地弥补混凝土内部孔隙结构。且石粉表面的不规则性加大了集料和浆体的摩擦力。此外，石粉具有一定的活性，能够促进并参与水泥浆体中熟料颗粒的水化反应。生成的碱性碳酸钙使水化产物结构连接更加密实，细化了氢氧化钙晶粒，提高了表面的黏结作用，进而提高混凝土的强度。

权瑞针对不同混凝土等级的最佳石粉含量取值进行了研究。结果表明，C30以下的混凝土强度随着石粉含量的增加而增加，石粉含量在5%～10%时尤为明显。C40以上机制砂中石粉含量高于6%时，其强度呈下降趋势。

在耐久性能方面。Delik针对不同石粉含量的机制砂混凝土的抗盐冻性能进行了研究，发现随着石粉含量的增大，机制砂混凝土盐冻剥落质量增加，抗盐冻性能下降。柯国炬研究了石灰岩石粉含量对机制砂混凝土路面耐磨性的影响，研究发现当石粉含量由3%增到10%时，混凝土质量磨损率大幅度降低，超过10%后逐渐趋于平缓。石粉的存在提高了混凝土的密实度和磨损区域孔隙结构，进而提高了混凝土的耐磨性。杨卓强测试了石粉掺量对机制砂高性能混凝土的影响，进一步发现适量的石粉含量可增大混凝土内部结构的密实性，从而改善混凝土的抗渗、抗碳化性。但过量的石粉反而会使混凝土的耐久性降低，当石粉掺量≤15%时，可忽略石粉掺量对机制砂高性能混凝土抗冻性的影响。

由此可见，在不同强度等级混凝土中，石粉含量不同其作用效果也不尽相同，应根据混凝土强度等级确定机制砂中石粉含量的限值。尽管国内外学者对机制砂混凝土中石粉的最佳掺量进行了大量研究，但主要集中在混凝土和易性、强度两个方面，关于石粉对机制砂混凝土长期耐久性能影响规律的研究还比较匮乏，还需进行深入的研究。

4机制砂MB值

机制砂在开采和生产过程中，会不可避免地将山体表面带入导致机制砂中存在着部分微小的膨胀性粘土矿物（泥粉）。MB值是确定机制砂中是否存在膨胀性粘土矿物（泥粉）并确定其含量的整体指标，主要是反映小于0.075㎜的细颗粒主要是石粉还是泥粉的作用。国内外已有很多学者通过研究合理限定机制砂MB值的方法，推动了机制砂的工程应用。

在工作性能上，Topcu设计了8种不同MB值的机制砂来配置混凝土，分析研究了MB值与混凝土工作性能的关系。结果发现，因粘土在混凝土中会形成疏松的薄弱层，故随着MB值的增加，混凝土的坍落度会有所降低。Courard通过在石灰石中掺入高岭土、膨润土并替代25%的水泥，研究了粘土与MB值及自密实砂浆性能的关系。结果表明：膨润土的影响要大于高岭土，且随着粘土含量的增加，MB值增大，砂浆的流动性降低。徐全采用外掺粘土的方法改变机制砂MB值来确定其对混凝土工作性能的影响。研究表明，由于机制砂混凝土本身就存在离析泌水倾向，当机制砂MB值≤0.7时可有效地降低离析率，均在10%附近，提高了混凝土的工作性能；当机制砂MB值≥0.7时坍落度损失大，且扩展度下降接近50mm，混凝土的流动性和可泵性降低。

在力学性能上，徐志华了研究机制砂MB值在1.3g/kg～20g/kg范围改变时对C30和C60机制砂混凝土力学性能的影响。研究表明，机制砂MB值与混凝土28d抗压强度相关性较高。当机制砂MB值分别大于10g/kg和7g/kg时，C30和C60混凝土的抗压强度降低最高达7.6%。夏京亮在保证石粉和泥粉总含量不变的情况下，研究了MB值对C30和C40混凝土力学性能的影响。研究表明，当MB值为0.35%～1.4%时，混凝土的抗压强度随MB值的增大而增大。C30混凝土28d弹性模量由42.1GPa下降至38.2GPa，C40混凝土弹性模量由43.6GPa下降至39.1GPa。可见C30和C40混凝土弹性模量均在不同程度上受机制砂MB值影响。

在耐久性能上，李北星通过试验发现机制砂MB值在0.35～2.5范围变化时，MB值与粘土含量成正比且受粘土指数的影响。当MB值＞1.4时，随着MB值的增大，混凝土的塑性开裂程度和干缩能力也随之增大，进而加快了混凝土冻融的破坏速度，降低了混凝土抗氯离子的渗透能力。孙辉采用孔结构分析了MB值对混凝土碳化性能的影响机理，研究表明当机制砂MB值在0.35～1.05之间时，机制砂里的泥粉可有效保护自由水的吸附作用；可有效降低混凝土泌水的程度，使骨料与浆体的界面过渡区得到良好的改善。当MB值≥1.4时，泥粉将阻碍水泥的水化，吸附大量的自由水从而加快混凝土内部裂缝的形成，MB值的增大将引起混凝土碳化深度加深。

综上可知，由于现有研究MB值与机制砂混凝土性能的内在联系尚未完全确立，缺少能够直接表征机制砂中细粉含泥量及评价其有害性的指标，从而无法根据MB值精确判断机制砂中的细粉含量对混凝土的影响机理，机制砂MB值的研究有待加强。

5机制砂制造方式

虽然机制砂的使用已然成为混凝土生产的一种趋势，但机制砂相比于传统的天然砂，生产成本较高，且质量难以保证。市面上机制砂生产工艺主要为湿法水洗制砂、半干法制砂、干法制砂。

湿法水洗制砂可降低机制砂中的泥粉含量，但需要消耗大量的水，成砂率较低，不利于环保，且会造成机制砂中的微细石粉随水流失，使其所配制的混凝土易出现泌水等问题。半干法制砂即用水冲洗掉泥后，成品砂部分或全部不冲洗，可以减少用水量，但仍需消耗掉较多的水资源。为了进一步降低用水量并再次回收利用洗砂水，厂家大多会在水中加入可以净化水质的絮凝剂，但絮凝剂会降低混凝土后期强度，且不同种类、浓度的絮凝剂会对混凝工作性能造成不同程度的干扰和影响。

传统干法制砂工艺有锤式破碎机制砂、反击破碎机制砂、圆锥破碎机制砂等，大都存在机制砂含粉量过高，级配较差，设备耗损严重等问题。现阶段国内采用的新型干法制砂主要为双轴锤式破碎机制砂工艺、立轴破碎机制砂工艺、对辊破碎机制砂工艺。其中立轴破碎机占用面积小，制砂效率高，能满足I类建筑用砂的要求，但其设备构造复杂，系统电力能耗高，需要投入大量的资金建造，提高了运营成本。对辊破碎机设备相比立轴破碎机而言构造简单，生产费用低，但制成的机制砂粒形和级配分布一般只能满足Ⅱ类建筑用砂的要求。轴锤式破碎机的制砂质量最差，虽制砂产量、成品率高，但其制砂耗费时间长，制成的机制砂质量可控性不高，一般只能满足III类建筑用砂的要求。

总的来说，机制砂的生产需要使用先进设备，虽然生产的效率较高，但设备的运行、维护及更新也会带来额外较大的成本。此外，机制砂的生产过程需要耗费大量的电能和人力，也会进一步增加生产成本。由于机制砂的生产过程很容易受到生产工艺不稳定等外在因素的影响，从而导致机制砂的成品质量不一。在实际生产和使用中，机制砂很容易出现颗粒细度不均匀、内含超标泥土、气泡等问题，这些问题会直接影响到混凝土质量和稳定性，对混凝土的级配、强度等造成不利影响。如何结合环保降低机制砂的制砂成本，提高其品质质量，是推广机制砂应用的关键。

6结论与展望

机制砂在混凝土中的应用，是不可避免的趋势，是未来发展的需要。机制砂在建筑行业上发挥着重要的作用，有着较为美好的前景。它的岩性、颗粒级配、石粉含量、MB值、制造方式等特性都直接影响混凝土的性能。但其特性对混凝土性能的影响至今仍有很多争议，限制了机制砂的使用范围，加大了机制砂质量标准的执行难度。从机制砂混凝土的发展趋势来讲，只有全面系统研究机制砂特性对混凝土性能的影响，才能更好地推广应用机制砂，从而更好地为工程建设服务。

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