机制砂特性及其对混凝土性能影响的研究进展

文摘 2025-01-28 07:04 河南

0　引　言

随着我国对环境问题的逐渐重视，天然砂作为不可再生资源，其开采受到了一定程度的限制。为解决这一问题，学者们经过研究提出，用花岗岩、石灰岩等原料经除土、破碎和筛分后得到的机制砂替代天然砂，获得性能接近传统混凝土的机制砂混凝土。用机制砂替代日益短缺的天然砂已成为生态建材发展的必然趋势。机制砂具有棱角多、裂纹多、形状不规则、片状颗粒多、石粉含量高等特性，这些特性会给级配设计带来误差，使机制砂混凝土的工作性能及力学性能受到影响。为满足施工和强度要求，一方面需要对机制砂颗粒形貌和级配进行测定，以实现对机制砂生产质量的监控；另一方面需要根据机制砂混凝土原材料特性，探究适合机制砂混凝土的配合比设计方法，从而保证机制砂混凝土的性能。本文分析总结了机制砂生产制备方法、颗粒特性、级配以及混凝土配合比等对机制砂混凝土性能的影响，基于现有研究存在的不足，提出了建议，供后续研究参考。

1　机制砂的生产

机制砂的生产流程主要有以下步骤：头破粗碎、筛分除土、中碎前的预先筛分、中细碎设备整形、成品筛分。其中，中碎需要根据材料严格选择设备。目前主要有两种常用的中碎设备：反击式破碎机和圆锥破碎机。反击式破碎机成本较低，但对于硬度较高的原材料，其破碎效率和生产效率较低，且锤头等部件磨损快；对于硬度较低的石灰岩，反击式破碎机所产出的骨料中粗骨料较少、细骨料较多，进而导致所生产的机制砂级配较差，通常呈现出“两头大、中间小”的哑铃型级配，且骨料中的石粉含量也较高。相比之下，圆锥破碎机的生产方式更为合理，但成本较高。目前，多数厂家选择采用反击式破碎机进行机制砂生产，且销售的机制砂通常未经整形处理，这些因素使得机制砂整体质量偏低。

目前主要有干法和湿法两种制砂方式，工艺流程如图1和图2所示，其中干法制砂的使用更为广泛。除粉工艺是控制机制砂石粉含量的关键。干法制砂主要通过风控系统收集粉尘来调整和控制机制砂中的石粉含量，具有石粉含量可控、环境破坏较小的特点。然而，当骨料含水率较高时，风控系统无法对石粉进行有效去除，导致机制砂中的石粉含量超标。湿法制砂的核心是用水将机制砂中的石粉洗除，这种方法的缺点在于难以在干旱少水的地区使用。为了实现水的循环利用需添加絮凝剂，但絮凝剂的残留会降低所制备混凝土的性能。

两种制砂法适用于不同场景且现阶段均存在一定缺陷：若母岩风化严重或含有较多杂质时使用干法制砂，会造成机制砂的亚甲蓝值(MBV)偏大；而湿法制砂产生的废料多为含有较多石粉的泥浆，后期难以进行分离处理。

2　机制砂特性对混凝土性能的影响及检测方法

机制砂与天然砂在岩性和颗粒形貌等方面存在诸多物理化学性能差异，这些品质差异不仅会对原材料的用量产生影响，更会影响到最终混凝土的工作性能和力学性能。为了确保机制砂的质量满足国家与行业标准，需要对机制砂的质量进行准确监控。

2.1　机制砂母岩岩性

当前研究表明，不同岩性机制砂所制备的混凝土用水量及减水剂掺量不一致，这是由于不同岩性机制砂石粉对减水剂的吸附能力不同，使得有效外加剂含量不一致，进而对混凝土工作性能产生影响。Donza等发现白云岩机制砂的颗粒规则性差、颗粒间相互摩擦力较大，使得混凝土和易性降低。李振怀等的研究结果显示，相较于石灰石机制砂，使用卵石机制砂的C60、C80和C100混凝土坍落度分别增加了15、15和5mm以上，且扩展度也呈现出不同程度的增加。王军伟等通过对钙质和硅质机制砂的研究发现，硅质机制砂制备的水泥胶砂流动度和流变性能弱于钙质机制砂水泥胶砂，并认为这是由于层状硅酸盐矿物降低了减水剂的吸附性，减水剂用量、胶砂流动度损失与流变性损失均增大。在机制砂岩性对混凝土力学性能影响的研究中，徐良等发现，在保持级配不变的情况下，石灰岩、玄武岩及花岗岩机制砂制备的混凝土抗压强度均优于天然砂混凝土。方国富等通过进一步的研究发现，与钙质机制砂相比，硅质机制砂的总孔隙体积和孔隙率更大，抗压强度更低。王晓波等的研究结果显示，花岗岩机制砂的吸水率相对较低，因此具有更佳的稳定性、耐久性和抗压强度。宋少民等[14]认为，不同岩性机制砂的表面结构与压碎指标是影响混凝土强度的主要原因。冯玉钏等则认为母岩岩性对混凝土抗压强度影响并不大。李军等的研究表明，相比于花岗岩与片麻岩机制砂混凝土，石英岩机制砂混凝土的工作性能与抗压强度均更优。各岩性机制砂混凝土的工作性能与抗压强度如表1和表2所示。

然而，必须强调的是，若不同研究中机制砂的级配、颗粒形貌、石粉含量存在差异，则相应的研究结果参考价值较低。目前多数研究并未说明机制砂混凝土中所使用粗骨料的颗粒形貌和级配情况，这些因素均会影响机制砂混凝土的工作性能和力学性能。因此，应在不同岩性机制砂对混凝土性能的影响研究中提供粗骨料的级配等数据，便于对试验结果进行比较及参考。

2.2　机制砂石粉含量

机制砂是通过物理化学方法破碎岩石、卵石等原料制成的，在生产过程中会产生粒径小于75μm的微小颗粒，通常称为石粉。我国通过严格控制机制砂的MBV来控制石粉含量，我国不同标准对机制砂石粉含量的限值如表3所示；其他地区规范中机制砂石粉含量限值的对比如表4所示。

机制砂的石粉含量是影响混凝土工作性能的重要因素。Shen等发现，当仅改变石粉含量时，混凝土坍落度随石粉含量的增加先增大后减小。杨卓强等则认为，石粉含量的增加会导致混凝土拌合物流动性减小。有学者指出，造成这一现象的原因是，石粉含量越高，对减水剂的吸附性越强，导致的劣化作用也就越大。李艳等提出，石粉含量对混凝土工作性能产生影响的原因是石粉对机制砂圆形度和间隙率的改变。王毓发等发现，当碳酸盐机制砂石粉掺量为20%(质量分数)时，混凝土拌合物具有较好的和易性；当掺量增加到30%(质量分数)时，和易性反而会降低，且混凝土拌合物会出现坍损快、黏度高等问题。

　在机制砂石粉含量对混凝土力学性能的影响方面，董超等认为，石粉的掺入能够促进机制砂混凝土的早期水化反应，提高早期强度，但对后期强度的发展影响较小。与此同时，也有学者基于研究结果提出了影响混凝土力学性能的石粉含量临界值范围。张岩等对石粉含量进行研究后发现，将石粉含量控制在10%(质量分数，下同)时，机制砂混凝土具有最佳的抗压强度。王建国等对不同石粉掺量的C70机制砂混凝土的宏观力学性能和微观形态进行研究后认为，当石粉掺量含量为5%～7%时，机制砂混凝土具有较好的力学性能。黄登标指出，掺入适量石粉有助于提高混凝土的早期强度，并建议C30与C50混凝土的最佳石粉含量分别为9%与6%。刘文浩等通过采用水化热分析、XDR测试、XRF化学成分分析和SEM微观形貌分析等手段研究后表明，石粉含量的增加会使混凝土强度先增大后减小，并提出应将石粉含量控制在13%以内。陈维敏等研究表明，石粉含量的增加会使机制砂混凝土的徐变应变、徐变度和徐变系数呈现先减小后增大的趋势，且5%石粉含量的机制砂混凝土徐变最小。

综上所述，精准控制石粉含量于合理范围内，有利于改善机制砂混凝土的工作性能与力学性能。但目前的研究多集中在石粉含量对混凝土性能的影响方面，尚未找到经济高效的方法对机制砂中石粉含量进行精准控制。未来研究应聚焦于开发经济高效的加工方法以控制石粉含量，使机制砂混凝土具有良好的工作性能与力学性能。

2.3　机制砂颗粒形貌及检测方法

2.3.1　颗粒形貌对混凝土性能的影响

机制砂的棱角较天然砂更加尖锐，颗粒表面也更为粗糙，以上因素均会增加砂颗粒间的摩擦力，使混凝土拌合物和易性降低，但对成型后混凝土的力学性能却有积极作用。因此，掌握机制砂颗粒的最佳形貌对于维持机制砂混凝土的工作性能与力学性能至关重要。

Cepuritis等提出，机制砂混凝土的扩展度与片状砂含量呈近似反比关系。魏艺博等探讨了机制砂颗粒棱角性对胶砂流动度的影响，认为机制砂棱角性与胶砂流动度呈负相关。李艳等提出，机制砂颗粒的圆形度(F值)与流动时间存在较好的关联性，而孔隙率与流动时间的关联性则较低。Hafid等测得，随着砂颗粒轴径比的增加，机制砂的堆积密度会降低，这导致砂粒在油包水乳液中形成悬浮液的屈服应力有所增加。此外，Westerholm等还表明，当砂粒F值从0.59降至0.41时，对应砂浆的塑性黏度增加约3倍。

图3和图4分别展示了砂浆塑性黏度、屈服应力与砂粒圆形度之间的关系，其中R2为平方残差数。Huang等将机制砂与天然砂的粒形特征对比后得出，机制砂的长宽比增加了19%，而球形度降低了14.8%。袁霞认为，机制砂表面相比天然砂更加粗糙，表面积更大，因此需要更多的水泥砂浆进行裹覆；这意味着机制砂混凝土需要消耗更多的水或胶凝材料才能达到与天然砂混凝土相近的工作性能。

目前已有的研究结果表明，机制砂混凝土的力学性能优于天然砂混凝土。黄志刚等在对片状机制砂颗粒与混凝土强度关系的研究中指出，片状机制砂颗粒会增加砂浆的孔隙率、弱化界面过渡区性能，从而导致混凝土强度降低。黄京胜也提出，当机制砂中片状颗粒的质量分数超过20%时，混凝土的28d抗压强度降幅超过5%。杨晨认为，高性能混凝土的力学性能会受到机制砂形状特性和棱角性的影响，且棱角性越小的机制砂颗粒具有越低的孔隙率，有利于增强高性能混凝土的抗压强度。刘嘉栋在研究石灰岩机制砂的颗粒形貌特性后指出，石灰岩机制砂的纵横比Rd对混凝土力学性能影响程度最大。谢华兵将相对长宽比、相对内径比、相对纵横比、圆度和相对扁平比等参数进行归一化处理后得到机制砂粒形综合指数，并表明粒形综合指数越大的机制砂所制备的混凝土内部缺陷越少，抗压强度越大。

综上，与天然砂制备的混凝土相比，机制砂制备的混凝土工作性能较差，但具有更好的力学性能。然而，目前研究大多采用不同的形貌参数对机制砂的颗粒形貌进行表征，并没有统一的表征指标，因此无法对比得出最佳的机制砂颗粒形貌。今后的研究建议使用统一的颗粒形貌参数对机制砂颗粒形貌进行表征，以便更好地进行统一对比。

2.3.2　颗粒形貌检测方法

目前，间接测量法与直接测量法是两类主要的机制砂形貌检测方法。间接测量法包括间隙率法、流动时间法和条形孔筛法。例如曾晓辉等提出了石灰石细颗粒的圆度、轴向系数和球度等形貌参数，并计算出不同颗粒的分形维度。研究结果表明，石灰石机制砂与天然砂的形貌参数均符合正态分布，且两种砂的分形维度变化规律也基本一致。直接测量法多运用视觉图像的测量方式得到机制砂形貌特征。2020年，周新文提出了用于定量表征不同种类机制砂颗粒形貌的方法，并研究了机制砂颗粒形貌与砂浆流变性能的关系。同年，杜雪剑采用三视图轮廓投影法对不同颗粒形貌的机制砂进行区分，研究表明片状机制砂颗粒含量对砂浆工作性能影响程度最大，而对干缩和抗渗性能影响并不显著；Estephane等利用X-CT法表征机制砂颗粒形貌，也发现了片状机制砂颗粒会增加用水量并降低砂浆工作性能。

尽管机制砂颗粒形貌检测研究众多，但仅限于对机制砂颗粒形貌进行识别与分析，无法同时将形貌不佳的机制砂颗粒进行筛除。未来的研究应在形貌识别的基础上研发同步筛选功能，以实现机制砂颗粒形貌识别与筛选。

2.4　机制砂级配及测定方法

2.4.1　机制砂级配对混凝土性能的影响

机制砂级配(粒度)是衡量机制砂质量的重要指标。对于天然砂而言，砂粒级配会对混凝土砂浆的工作性能及力学性能产生重要影响，机制砂亦是如此。研究表明将机制砂进行富勒曲线调整后，所制成的混凝土具备良好的工作性能与力学性能。

部分研究认为，对于含石粉量较多的中粗机制砂而言，其细度模数相对于天然砂较大，这会增加机制砂颗粒之间的内摩擦，导致拌合物出现表面干涩、离析泌水等不良现象，甚至影响混凝土的强度。徐良等研究表明，细度模数较大的机制砂级配有助于提高混凝土的抗压强度和抗硫酸盐侵蚀性能。赵文久、艾志勇等在研究高性能混凝土的级配时，得出了应在合理比例范围内控制机制砂各筛余量的结论。周新文在对机制砂级配进行研究后认为，机制砂的比表面积会对砂浆的工作性能产生影响，其中0.075～0.3mm和1.18～4.75mm的机制砂颗粒会对砂浆工作性能产生较大影响。王军伟等则认为，0.3～0.6mm的机制砂颗粒对水泥胶砂流动度和流变性能影响最为显著。Quiroga等的研究表明，在配制混凝土时，使用连续级配机制砂可以使混凝土获得更好的和易性，而使用间断级配机制砂会使混凝土坍落度更高，但仍小于天然砂混凝土的坍落度。黄登标也指出，在不改变配合比的情况下，调整机制砂级配，能够较为有效地改善混凝土性能。罗健勇等也表明：筛余百分率较均匀的机制砂由于孔隙率小、微小孔隙多且粗大孔隙少，所以配制的混凝土各项性能最佳；“中间多，两头少”的机制砂级配可能导致混凝土的和易性差且劈裂抗拉强度、抗压强度以及氯离子渗透性较低；此外，中值粒径的机制砂颗粒分布越集中，混凝土性能衰减越严重。

由此可见，机制砂的级配会影响混凝土需水量和胶砂流动度等参数；并且，通过适当调整机制砂的各级筛余量，能够改善混凝土的工作性能和力学性能。但目前的研究尚未就混凝土各项性能与机制砂各级筛余量的关联度达成统一意见；此外，关于各级筛余量的最佳含量也尚无统一定论。未来的研究应深入探讨上述两个问题，以获得工作性能与力学性能均较优的机制砂混凝土。

2.4.2　机制砂级配测定方法

由于机制砂级配会对所制备混凝土的工作性能和力学性能产生影响，因此需对各粒级含量进行准确测量，并确保级配的合理性。目前，机制砂级配测量的主流方法包括筛分法和图像法。国标采用的传统筛分法效率较低，在实际工程中难以应用，且筛分法也无法在筛分的同时获取机制砂的颗粒形貌参数。而图像法因具有高效性和准确性，在科学研究和实际应用中越来越受欢迎。

陈思嘉自主研发了一种基于图像法的机制砂颗粒形貌、粒径检测装置，其外观及模块组成原理如图5和图6所示。该装置主要用于研究粒径范围在0.6～4.75mm的机制砂，实现了机制砂级配的实时检测。Kong等利用X射线断层图像扫描，分析得到了碳酸盐岩砂的三维形态，通过微观形态研究了碳酸盐岩砂的颗粒大小和颗粒间孔隙率，并基于此提出了一种新的机制砂级配与颗粒形貌识别方法。同年，Su等提出了揭示粒子几何参数形态M、表面积A、体积V和尺寸L之间相互关系的新公式，并指出典型矿物颗粒的M值介于1～3。Yaghoobi等基于神经网络以及傅里叶变换等方法对破碎后的岩石颗粒进行特征提取，并提出了一种确定机制砂粒度分布的算法，该算法的结果在准确性和均匀性方面均优于Split-Desktop自动模式的结果。黄晓宇指出，图像法与筛分法所测得的级配结果存在的误差，是机制砂形状不规则所导致。黄晓宇提出了一种动态图像测量方法，用于测量机制砂的形态与级配。该方法测得的级配结果与筛分法结果的误差保持在±1%以内，细度模数误差保持在±0.05以内，从而实现了对机制砂级配的准确监测。

目前机制砂级配图像检测法发展迅速，许多学者从不同角度开发了基于图像检测的机制砂颗粒形貌与级配检测算法，并提出各类表征参数验证该算法所得结果与筛分法所得结果的准确性差异。但仍有不少学者采用筛分法中的表征参数，例如细度模数作为图像法的评价指标，但这类评价指标在图像法中的应用准确性缺乏实际理论验证。此外，图像法检测需要相应检测仪器、光源和识别程序的配合，但相关技术目前仅限于在实验室中对小面积机制砂进行识别，无法实现对大面积机制砂级配的快速检测，因此目前尚未在工程中广泛使用。未来的研究应进一步改进图像法的检测效率，以便广泛应用于工程中。

3　机制砂混凝土配合比设计

3.1　机制砂混凝土配合比设计方法

当前《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)中的配合比设计方法得到了业界普遍认同，但该方法是建立在使用天然砂的基础上，对于普通质量或相对劣质的机制砂，其适用性会显著降低。由于机制砂具有表面粗糙、粒形圆度欠佳及石粉含量较高等特性，因此需要探索更适合机制砂混凝土的配合比设计方法。

Ozbay等综合考虑了机制砂混凝土中多种矿物掺合料情况，提出了一种自密实机制砂混凝土的配合比设计方法：首先计算混凝土各组分用量，并使用最紧密堆积理论确定骨料级配，最后再根据实际情况调整混凝土中水泥浆和减水剂的用量。张瑜修正了Bolomy公式，定义了石粉影响系数这一概念，并在此基础上提出了新的机制砂混凝土砂率计算公式，得到了更精准的机制砂混凝土水胶比计算结果。针对机制砂中的石粉问题，翟文静通过对比研究得出，基于原材料品质配制出的机制砂混凝土性能较优，在此基础上提出了将机制砂中部分石粉计入胶凝材料的研究思路，并形成了一种新的机制砂预拌混凝土配合比设计方法。

吴朝明等也将机制砂中的石粉视为浆体组成的一部分，通过调整裹浆厚度与水胶比进而对机制砂混凝土的工作性能及力学性能进行调控，并以此建立了机制砂混凝土的配合比设计方法。曹康建等[提出了一种改进优化的花岗岩机制砂混凝土配合比设计方法，相较于《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)中的设计方法，该方法降低了水泥用量且所制备的花岗岩机制砂混凝土各龄期强度与天然砂混凝土强度接近。朱效荣针对机制砂的特性，提出了机制砂混凝土的数字化制备技术：通过机制砂的含水量确定混凝土用水量，再以混凝土的强度要求为基准调整胶凝材料的活性及用量。Shobeiri等在充分研究机制砂混凝土配合比设计方法后，提出了一种基于材料设计剖面分析工具结合优化算法的机制砂混凝土设计优化框架；通过人工神经网络对不同组分含量的混凝土力学性能进行分析，总结出了机制砂混凝土配合比设计框架。

虽然目前机制砂配合比设计方法众多，但并无统一的设计理论标准。目前的机制砂混凝土配合比设计由于机制砂中石粉含量不同，相较于传统水泥混凝土变异性更大。因此，后续研究需查明石粉含量对机制砂混凝土配合比的影响，并在配合比设计中将石粉含量作为重要因素进行考虑。

3.2　机制砂混凝土配合比

李北星等认为，在高强混凝土的配合比中，机制砂的石粉含量限制值能够提高到10%。刘平云等提出水灰比是影响机制砂混凝土性能的关键因素，并根据工作性能与力学性能确定C35、C40、C50花岗岩机制砂混凝土的最佳水灰比分别为0.39、0.34和0.32。王慧斌等通过响应面方法分析，认为水胶比为0.36、浆体体积分数为25%且石粉质量分数不超过10%为机制砂路面混凝土的最佳配合比。宋少民等提出：为保证机制砂高性能混凝土的和易性与强度，胶凝材料用量不宜过多，水胶比应控制在0.4以下；另外，还提出粉煤灰与石粉的质量分数应分别控制在35%和9%～12%。管宇晨等研究认为：细度模数为3.0～3.8时，数值每增加0.2，对应机制砂砂率应提高1%～2%；在满足设计强度的前提下，“牺牲”部分富余强度并增加用水量，能够提高机制砂混凝土拌合物的和易性。

目前，机制砂混凝土配合比设计往往未考虑混凝土原材料的变异性，这可能使配制的混凝土性能出现差异。现阶段市场销售的机制砂质量参差不齐，含有较高比例的石粉和固废粉体，因此需要进一步完善规范中对机制砂的质量要求。目前的机制砂混凝土在进行配合比设计时，对于石粉的含量及其所属组分的探讨还不够完备，且由于机制砂本身特性与天然砂存在区别，对外掺剂的掺量应重新考虑。当前脱离原材料的配合比设计并不准确，也无法得出最优配合比。因此建议在进行机制砂混凝土配合比设计时先进行试配，再根据结果确定最优配合比。

4　结　语

1)不同母岩岩性的机制砂所制备混凝土的工作性能及力学性能并不一致，应在规范中规定不同岩性机制砂混凝土所适用的强度等级与工作性能范围，并提供不同岩性机制砂的指标规定。

2)不同岩性机制砂混凝土工作性能及力学性能的合理石粉含量均不同，但目前的机制砂制备方法无法对石粉含量进行精准控制，尤其对大规模机制砂的石粉含量进行精准控制还存在一定难度，且成本也相对较高。因此，研发更为经济节能、石粉含量稳定的制砂工艺，确保机制砂品质尤为关键。

3)目前没有统一的颗粒形貌参数对机制砂颗粒形貌进行表征，应建立统一的参数表征机制砂颗粒形貌，以便更好对比研究机制砂颗粒形貌对混凝土性能的影响，并得出符合要求的机制砂颗粒形貌参数标准。

4)当前机制砂形貌检测方法无法剔除形貌不佳的颗粒，后续应开发检测、筛分一体的高效形貌检测筛分设备。

5)机制砂混凝土性能与机制砂级配中各级筛余量关系尚不明确，应建立二者间关联度关系，并据此确定机制砂各级筛余量的最佳含量和机制砂的最佳级配。此外，应研究如何将图像法应用在工程中进行机制砂级配快速检测。

6)现阶段机制砂混凝土配合比设计理论并不完善，且材料的变异性较大，相应配合比设计应建立在实际原材料性能的测试上。建议在规范中对石粉含量、片状砂含量等会导致机制砂混凝土性能产生变异的参数进行控制，进而提出适宜的配合比设计理论。

通过这些措施，能够进一步提高机制砂混凝土的综合性能，使其在实际工程中得到更广泛的应用和认可。未来的研究还需关注机制砂混凝土的长期性能和环境影响，以推动机制砂在建筑材料领域的可持续发展。（来源：《硅酸盐通报》2024.11）

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