机制砂原料、工艺和石粉含量对混凝土性能的影响分析

　　摘    要：　机制砂具有成本低、环保等特点，作为天然砂的替代产品具有良好的经济效益和环境效益。但由于机制砂原材料来源各异及机制砂存在诸如表面粗糙、颗粒棱角多、较高的石粉含量、级配差等问题，在一定程度上限制了机制砂的工程应用。本文阐述了机制砂原材料来源、制备工艺和石粉含量对混凝土性能影响，提出了机制砂混凝土存在的技术问题和相应解决对策。结果表明，为了有效控制机制砂对混凝土性能的不利影响，应选择适宜的母岩作为原材料，并对机制砂的宏观形貌、石粉含量及其吸附性进行控制。

　　关键词 :      机制砂;混凝土性能;石粉含量;

　　Abstract：　Manufactured sand has the characteristics of low cost and environmental protection.As a substitute product of natural sand,it has good economic benefits and environmental benefits.However,the engineering application of manufactured sand is limited to a certain extent due to the different sources of raw materials and the problems of manufactured sand,such as rough surface,more grain edges and corners,higher stone powder content,and poor grading.This paper expounds the influence of raw material source,preparation technology and stone powder content of manufactured sand on concrete performance,and puts forward the existing technical problems of manufactured sand concrete and corresponding countermeasures.The results show that in order to effectively control the adverse effect of mechanized sand on concrete performance,the suitable parent rock should be selected as the raw material,and the macromorphology, stone powder content and its adsorbability of manufactured sand should be controlled.

　　Keyword：　manufactured sand; concrete performance; stone powder content;

　　0、 引言

　　随着城市化进程不断推进，混凝土材料的用量逐年攀升，砂作为混凝土的重要组成材料用量也随之增加。同时由于天然砂的过度开采带来的资源短缺和环境问题也日渐凸显，机制砂作为天然砂的替代产品将成为未来混凝土的重要组成材料。

　　机制砂是经除土、机械破碎、筛分制成的粒径<4.75 mm岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风化的颗粒。机制砂性能由破碎方法和原材料性质决定[1,2]，机制砂相较于天然砂存在表面粗糙、颗粒棱角多、较高的石粉含量、级配差[3,4]，从而拌制的混凝土存在需水量高、和易性差、易离析泌水等问题[5]，同时由于颗粒表面粗糙、棱角多增加了机制砂颗粒表面与水泥浆体之间界面过渡区面积，从而改善混凝土力学性能[6]。文中主要阐述机制砂原材料来源、制备工艺、石粉含量对混凝土性能影响研究现状。

　　1 、机制砂原料来源对混凝土性能影响

　　根据机制砂原材料的来源不同，机制砂可分为岩石破碎得到的机制砂、尾矿破碎得到的机制砂和工业废渣破碎得到的机制砂。

　　1.1、 岩石破碎得到的机制砂

　　岩石破碎得到的机制砂由于原材料岩性存在差异，机制砂的微观形貌、表面宏观形态、石粉含量和级配也存在差异，因此采用不同原材料制备的机制砂对混凝土性能也存在一定差异。宋少民等[7]选取了安山岩、花岗岩、凝灰岩、石灰岩、石英岩和片麻岩6种不同岩性的机制砂，对它们的表面织构和成分进行分析，发现安山岩、石灰岩、石英岩表面光滑，花岗岩、凝灰岩、片麻岩表面粗糙，除石灰岩属于钙质机制砂以外，其余均属于硅质机制砂。研究考察了不同岩性机制砂对混凝土和易性和与水泥适应性的影响，结果表明，表面粗糙的机制砂对混凝土和易性影响较大并且与减水剂的适应性较差，钙质机制砂对混凝土和易性的不利影响整体上低于硅质机制砂。孙星海等[8]分别采用了以石灰岩为主的机制砂、泥灰岩为主的机制砂和石英岩为主的机制砂，研究了机制砂岩性对其宏观形貌的影响，结果表明，由于矿物组成及晶相分布的原因，采用相同破碎方法3种机制砂的圆形度为泥灰岩为主的机制砂>石灰岩为主的机制砂>石英岩为主的机制砂，长径比为石英岩为主的机制砂>石灰岩为主的机制砂>泥灰岩为主的机制砂，当粒级达到0.60mm这个临界值时破碎颗粒的圆形度和长径比均会有一个较为明显的变化，此时圆形度最低、长径比最大，孙星海等认为0.60 mm粒级在胶砂配比中影响高于其他粒级。

　　综上所述,从微观形貌上看钙质机制砂相较于硅质机制砂表面显微结构更为粗糙不平,能够显着提高界面过渡区粘结面积,在一定程度上提高机制砂混凝土的力学性能。从表面宏观形态上看钙质机制砂相较于硅质机制砂具有更高的圆形度和更低的长径比，圆形度和长径比直接影响新拌混凝土的工作性能，圆形度较低、长径比较大时混凝土工作性能降低。因此，在选择制备机制砂的基岩时应对岩石成分进行分析，优先选取钙质基岩为制备机制砂的原料。

　　1.2、 尾矿破碎得到的机制砂

　　常见的尾矿破碎得到的机制砂为铁尾矿机制砂，其是在选矿厂将矿石磨细提取有用组分后经分级筛分后的材料。王成伟等[9]研究了相同配合比条件下铁尾矿砂取代河砂比例对混凝土坍落度和抗压强度的影响，随着铁尾矿机制砂取代河砂比例增加其坍落度略有降低，但其抗压强度呈现增加趋势，结果表明采用铁尾矿砂配制的混凝土性能能够满足采用河砂配制的混泥土的性能要求。刘文燕等[10]采用铁尾矿砂取代细度模数为3.5的碎石破碎得到的机制砂，发现当采用铁尾矿机制砂取代率为40%的混合砂配制混凝土，在相同配合比条件下其工作性能、力学性能和耐久性能均优于只用碎石机制砂配制的混凝土。因此，铁尾矿机制砂不仅可以取代河砂，还可以与级配较差的机制砂混合使用改善其颗粒级配，使其可以用于生产混凝土。

　　1.3、 工业废渣破碎得到的机制砂

　　由于工业废渣来源较广，故采用工业废渣破碎得到的机制砂与河砂性质差异较大。目前，对采用工业废渣破碎得到的机制砂制备混凝土的研究较多。如采用废陶瓷制备的机制砂，其物理力学性能与河砂存在一定差异，且表面粗糙颗粒间摩擦力增加，研究表明随着废陶瓷机制砂取代河砂量的增加混凝土工作性能降低、抗压强度先上升后降低[11]，如图1所示，任非认为工作性能降低和抗压强度上升是由于废陶瓷机制砂表面粗糙摩擦力增加所致，废陶瓷机制砂取代河砂比例为50%时效果最佳，当废陶瓷机制砂取代率继续增加，需水量增加，反应速度减慢，使得包裹在机制砂表面的反应产物数量减少，抗压强度降低。另外，镍渣砂作为混凝土细集料也是可行的，周敏等[12]采用镍渣砂部分取代机制砂制备了普通混凝土和高强混凝土并对其相关性能进行研究，镍渣砂能够改善混凝土流动性能，但过量的镍渣砂对混凝土的泌水影响明显，当镍渣砂掺量为10%～30%时既能改善混凝土流动性同时又具有良好的保水性，并且普通混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能提高。

　　图1 废陶瓷机制砂取代率对混凝土坍落度和28 d抗压强度的影响

　　2 、机制砂制备工艺对混凝土性能影响

　　机制砂根据生产工艺可以分为湿法生产水洗机制砂和干法生产机制砂。湿法水洗机制砂相较于干法生产机制砂含粉量低，因此其需水量低，但是由于粗颗粒较多级配不太合理，采用湿法水洗机制砂配制混凝土很容易产生泌水离析与和易性较差的问题，另外采用水洗工艺会产生大量泥浆对周边环境造成影响。干法生产机制砂具有细度细、含粉量较高、颗粒级配较好等优点，对混凝土和易性影响较小，但是含粉量较高将致使混凝土需水量增加，并且由于细粉吸附性较强，外加剂用量增加成本增加，同时较高的含粉量对混凝土物理力学性能和耐久性能均有一定程度的不利影响。

　　董藏龙等[13]分别对水洗砂和干法制砂得到的2种机制砂进行检测，发现水洗砂的MB值为0.9、需水量为112%，优于干法制砂的MB值1.2、需水量121%，并将2种机制砂进行掺配，在水洗砂和干法制砂掺配比例为7:3时，其工作性能、力学性能和耐久性能最佳。艾春珲等[14]分别采用了水洗机制砂和干法生产机制砂配制混凝土，发现水洗机制砂相较于干法生产机制砂配制混凝土易出现泌水与和易性差的问题，引起这一问题的主要原因是水洗机制砂细度模数较大、含粉量较少且颗粒形态不佳，艾春珲等通过采用保水型母液复配的减水剂有效的克服了水洗机制砂混凝土易出现泌水与和易性差的问题。

　　3、 机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响

　　机制砂中的细粉由与母岩化学成分相同的石粉和黏土质泥粉组成，现行国家标准GB/T 14684—2011将它们统称为石粉。由于组成石粉的母岩性质和黏土质泥粉含量的差异，其吸附性能也存在一定的差异，国家标准GB/T 14684—2011采用亚甲蓝（MB）值表示石粉吸附性的大小，研究表明随着石粉MB值增加存在新拌混凝土工作性能降低、混凝土力学性能和耐久性能降低等问题[15]。

　　目前，国内外对石粉含量对混凝土性能影响的研究较多，但存在一定的争议，部分研究人员[16,17]认为在一定范围内石粉含量对机制砂混凝土的工作性能和抗压强度具有积极地作用，存在最佳的石粉含量，谢开仲等[18]研究表明不同岩性机制砂混凝土力学性能差异与石粉含量有关，随着石粉含量增加混凝土峰值应力与峰值应变呈先增加后降低的趋势，在应力和应变极大值时，石粉含量为最佳。王旭昊等[19]研究了石粉含量对C45凝灰岩机制砂混凝土性能的影响，结果表明，随着石粉含量增加相关性能均呈现先增大后减小的趋势，存在最佳石粉含量，并通过控制机制砂石粉含量使C45凝灰岩机制砂混凝土的综合性能优于C45天然砂混凝土。另一部分研究人员[20,21]认为增加石粉含量会降低机制砂混凝土的工作性能和抗压强度，这可能是由于不同岩性机制砂石粉吸附性差异引起的,王振等[22]研究表明凝灰岩和石灰岩石粉对胶砂强度的影响优于其它岩性石粉。

　　4 、机制砂混凝土存在技术问题及对策

　　前已述及机制砂相较于天然砂存在表面粗糙、颗粒棱角多、较高的石粉含量、级配差，对机制砂混凝土的工作性能和力学性能影响较大。在机制砂应用过程中可采取以下措施。

　　1）由于机制砂表面粗糙、颗粒棱角多，从而使新拌混凝土易出现泌水、和易性差、流动度不佳等问题进而影响硬化混凝土强度，可采用保水型外加剂以改善机制砂混凝土性能。

　　2）机制砂制备过程中存在较多石粉，由于不同岩性石粉的需水量和对外加剂的吸附不同，因此应通过试验确定石粉最佳含量，以降低石粉含量对机制砂混凝土工作性能和对外加剂用量的影响。

　　3）由于机制砂存在级配差的问题，只有选用级配良好的机制砂才能制备性能符合要求的混凝土，可以通过不同级配机制砂之间掺配使用改善机制砂混凝土性能。

　　4）选择适宜的母岩作为机制砂的原材料，并对机制砂的宏观形貌（如圆形度、长径比）和亚甲蓝（MB）值进行控制，以降低机制砂对混凝土性能的不利影响。

　　5 、结语

　　机制砂作为天然砂的替代品将成为混凝土的重要组成材料，其大量使用具有可观的经济效益和环境效益。然而，由于机制砂相较于天然砂存在诸多问题，在一定程度上限制了机制砂在混凝土中的应用，并且不同岩性的机制砂对混凝土性能影响存在一定差异。因此，为获得符合要求的机制砂混凝土，应结合机制砂自身特点合理使用。

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