機(jī)制砂混凝土的特性及研究進(jìn)展

方 劍 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 引言

當(dāng)前我國(guó)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(shí)間內(nèi)不可再生的特征，并且隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的愈加重視，天然砂的開(kāi)采受到嚴(yán)格限制。其中，某些區(qū)域存在少砂甚至無(wú)砂的狀況，只可采取遠(yuǎn)途運(yùn)輸或者尋找其他材料替代的方法制備混凝土，嚴(yán)重制約了混凝土相關(guān)行業(yè)的建設(shè)發(fā)展。因此，采用人工制砂的方法勢(shì)在必行。隨著機(jī)制砂材料的來(lái)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(qiáng)度、高耐久性和高穩(wěn)定性的機(jī)制砂混凝土得到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注，對(duì)其持續(xù)的動(dòng)態(tài)關(guān)注具有十分重要的意義?；诖?，本文首先從機(jī)制砂的特性入手，評(píng)述了石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響以及機(jī)制砂混凝土的性能，依此做出未來(lái)展望。

2 機(jī)制砂的特性

機(jī)制砂是由人工使用專(zhuān)業(yè)研磨設(shè)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(jī)制砂的級(jí)配較差，呈現(xiàn)出兩端多中間少的特點(diǎn)，砂粒粒徑大多以大于2.36mm和小于0.075mm為主，經(jīng)過(guò)水洗等工序之后，粒徑小于0.6mm的顆粒會(huì)再次減少，使得由機(jī)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(guò)使用擊碎設(shè)備、調(diào)整制備條件等措施改善，避免出現(xiàn)機(jī)制砂混凝土制備過(guò)程中的和易性差、外觀不佳、質(zhì)量低下等問(wèn)題。此外，由于是機(jī)械加工而成，機(jī)制砂的表面往往粗糙不堪、棱角分明，與同樣級(jí)別的天然砂相比其空隙率更高，因此更易于細(xì)骨料、水泥砂漿等材料的黏結(jié)，進(jìn)而提高機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)因混合物屈服應(yīng)力的增大而降低和易性。由于人工制作的機(jī)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(wú)幾，但因組成成分不同，對(duì)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(qiáng)混凝土的整體性，而泥會(huì)阻礙砂料與水泥的黏結(jié)，造成混凝土的黏結(jié)性較差。要解決上述機(jī)制砂混凝土性能較差的問(wèn)題，需要保證機(jī)制砂材料的質(zhì)量，可通過(guò)選擇良好的制砂設(shè)備與原材料、合理的制砂工藝、成熟的制砂技術(shù)等途徑實(shí)現(xiàn)。

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

3 石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響

機(jī)制砂在生產(chǎn)過(guò)程中受到制備工藝及原材料等因素的限制，難免會(huì)產(chǎn)生一定量的石粉。相對(duì)于天然砂中的泥質(zhì)，石粉中的雜質(zhì)較少，其主要礦物成分與機(jī)制砂母巖相同，主要區(qū)別在于顆粒粒徑大小的不同。當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)于不同石粉含量是否會(huì)對(duì)機(jī)制砂混凝土的性能產(chǎn)生影響尚無(wú)定論，部分學(xué)者認(rèn)為石粉含量的增高會(huì)加大混凝土拌合物的比表面積，增大需水量，進(jìn)而影響混凝土的強(qiáng)度和濕度。另有學(xué)者認(rèn)為由于石粉填充了漿體之間的空隙，降低了混凝土攪拌過(guò)程中的摩擦力，從而改善了混凝土的流動(dòng)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(gè)臨界點(diǎn)，當(dāng)超過(guò)或者低于此臨界點(diǎn)，混凝土的和易性將變差。因此，當(dāng)前研究需著眼于不同石粉含量配比對(duì)混凝土拌合物性能的影響上，通過(guò)研究最佳石粉含量配比，將石粉材料的優(yōu)勢(shì)最大化。

楊家偉等探討了不同石粉含量與粉煤灰含量對(duì)低強(qiáng)度混凝土和易性及強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)石粉含量在24.8%左右時(shí)，混凝土的和易性最佳，粉煤灰摻量在35%左右時(shí)，混凝土的強(qiáng)度較好。B.P.Hudson等人認(rèn)為石粉可填充機(jī)制砂混凝土漿體之間的空隙，起到潤(rùn)滑混凝土拌合物的作用，當(dāng)機(jī)制砂中的石粉含量在5%～10%之間時(shí)，只需維持較低的水量即可保證其工作性能。Nam-Shik Alln提出當(dāng)石粉起到填充混凝土骨料縫隙的作用下，就不會(huì)增大用水量，彌補(bǔ)了常規(guī)觀點(diǎn)的不足。李興貴通過(guò)研究石粉含量對(duì)混凝土力學(xué)性能與收縮性能的影響，經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)得出當(dāng)石粉含量在16%左右時(shí)，混凝土的力學(xué)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。李嵩林等試驗(yàn)研究了C50機(jī)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(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最大；當(dāng)石粉含量超過(guò)7%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度與石粉含量成反比；但在12%以?xún)?nèi)變化時(shí)，石粉含量對(duì)混凝土的抗凍性與抗?jié)B性影響較小。王雨利等以不同類(lèi)型的中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土為研究對(duì)象，經(jīng)試驗(yàn)得出5%、10%與15%的石粉含量分別對(duì)應(yīng)的水粉比為0.4時(shí)，混凝土的抗壓性能處于最佳狀態(tài)。王衛(wèi)東等試驗(yàn)得出當(dāng)機(jī)制砂混凝土的砂率在35%～43%、石粉含量在5%～13%之間時(shí)，機(jī)制砂混凝土的工作性、收縮變形性能、力學(xué)性能、抗?jié)B性等性能與河砂混凝土相差無(wú)幾，甚至優(yōu)于河砂混凝土。

4 機(jī)制砂混凝土的性能研究

由人工制備而成的機(jī)制砂相異于天然砂，決定了機(jī)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(qiáng)度、抗?jié)B性和穩(wěn)定性方面。

4.1 機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度要優(yōu)于天然砂混凝土，王稷良通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了天然砂與機(jī)制砂的級(jí)配值，試驗(yàn)結(jié)果表明，與天然砂混凝土相比，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度要高出2MPa，巖性的不同會(huì)造成機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度的不同，究其緣由，周明凱等人認(rèn)為機(jī)制砂中的石粉增強(qiáng)了混凝土的保水性，在水化反應(yīng)中起到晶核作用和集料填充作用，有效提高混凝土的強(qiáng)度。安文漢等人則認(rèn)為使用機(jī)制砂可以增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)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(xué)者提出了不同的觀點(diǎn)，李拖福等人認(rèn)為石粉含量過(guò)多或過(guò)少都會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)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(rèn)為當(dāng)石粉含量到達(dá)7%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯高于天然砂混凝土。S.Takami研究得出混凝土的力學(xué)性能隨著石粉細(xì)度的提高而增強(qiáng)。蔡基偉等通過(guò)使用石粉制備中低強(qiáng)度混凝土，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在單位水泥用量較少的情況下，石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)更加突出。崔洪濤研究了不同石粉摻量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓及抗折性能的影響，結(jié)果表明，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度與石粉摻量成正比，尤其在混凝土拌合物反應(yīng)的早期階段。Bonavetti等人的試驗(yàn)研究表明，當(dāng)石粉摻量在20%以?xún)?nèi)時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度隨摻量增加而增強(qiáng)。然而，當(dāng)石粉含量超過(guò)21%時(shí)，混凝土的密實(shí)性與和易性會(huì)變差，過(guò)多的石粉會(huì)使水泥漿體的強(qiáng)度降低，從而造成機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度減小。J.K.Kim等人的研究顯示機(jī)制砂的摻入可提高機(jī)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(jié)度。

4.2 機(jī)制砂混凝土的抗?jié)B性

毋庸置疑，機(jī)制砂混凝土的抗?jié)B性取決于混凝土的密實(shí)程度，密實(shí)程度的提高會(huì)相應(yīng)地提高混凝土的抗?jié)B性。Tahir Celik認(rèn)為，石粉是影響機(jī)制砂混凝土密實(shí)程度的重要因素，機(jī)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(qiáng)，機(jī)制砂混凝土更加密實(shí)，從而提高其抗?jié)B性。其他學(xué)者則認(rèn)為石粉能加速CS的水化反應(yīng)，并與CA、CAF反應(yīng)生成結(jié)晶水化物，從而改善了機(jī)制砂混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。張廣林等人試驗(yàn)對(duì)比了不同粉煤灰摻量對(duì)C50機(jī)制砂混凝土的抗?jié)B性能影響，結(jié)果表明，當(dāng)粉煤灰含量在15%左右時(shí)，機(jī)制砂混凝土的抗?jié)B性能達(dá)到最佳狀態(tài)。但有學(xué)者提出了相反觀點(diǎn)，如洪錦祥等人認(rèn)為等質(zhì)量的石粉取代水泥會(huì)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(jié)材料，而是粒徑較小的微集料，雖然可以?xún)?yōu)化機(jī)制砂混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，但會(huì)造成水化產(chǎn)物的減少，機(jī)制砂混凝土的密實(shí)性就會(huì)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(kuò)散系數(shù)會(huì)變大，機(jī)制砂混凝土的抗?jié)B性能就會(huì)不斷降低。隨著我國(guó)大型水利設(shè)施、防汛抗洪設(shè)施以及海洋工程建設(shè)的增加，對(duì)機(jī)制砂混凝土抗?jié)B性能的要求會(huì)不斷提高。

4.3 機(jī)制砂混凝土的穩(wěn)定性

機(jī)制砂混凝土的穩(wěn)定性受到多重因素的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不同會(huì)造成機(jī)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(yàn)了0.08mm石粉對(duì)機(jī)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(xué)者提出了不同結(jié)論，李興貴等人的試驗(yàn)表明，當(dāng)石粉含量在12%以?xún)?nèi)時(shí)，機(jī)制砂混凝土的干縮率增長(zhǎng)緩慢，當(dāng)含量超過(guò)12%時(shí)，干縮率增長(zhǎng)迅速，原因在于粒徑小于0.075mm的石粉顆?？稍黾铀酀{的含量。彭仁琛試驗(yàn)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(dāng)石粉含量達(dá)到15%時(shí)，機(jī)制砂混凝土的干縮率會(huì)降低，但強(qiáng)度幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。機(jī)制砂混凝土的穩(wěn)定性除了與石粉含量有關(guān)，還受到混凝土齡期的影響，田建平等人以C60機(jī)制砂混凝土為研究對(duì)象，試驗(yàn)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(zhǎng)；14d以后，當(dāng)石粉含量在7%以?xún)?nèi)時(shí)，混凝土各齡期的收縮率與石粉含量成正相關(guān)，超過(guò)7%時(shí)，混凝土各齡期的收縮率與石粉含量成負(fù)相關(guān)。段瑞斌等人試驗(yàn)對(duì)比了90d齡期的機(jī)制砂混凝土和岳陽(yáng)砂混凝土的收縮性能，結(jié)果表明兩者差距甚小。李晶的研究表明當(dāng)石粉外摻量小于15%時(shí)，石粉會(huì)顯著抑制機(jī)制砂混凝土的收縮反應(yīng)；當(dāng)石粉內(nèi)摻時(shí)，機(jī)制砂混凝土的收縮程度會(huì)不斷增大。

5 研究評(píng)述與展望

隨著我國(guó)一帶一路的大規(guī)模建設(shè)，對(duì)機(jī)制砂混凝土的需求越來(lái)越大，不同屬性特征的項(xiàng)目對(duì)機(jī)制砂混凝土的特性提出了更高要求。當(dāng)前對(duì)于機(jī)制砂混凝土特性的研究多局限于石灰?guī)r這一材質(zhì)，對(duì)其他巖性機(jī)制砂研究較少。另外，對(duì)高強(qiáng)度高性能機(jī)制砂混凝土的研究相對(duì)不足，對(duì)影響高性能機(jī)制砂混凝土的參數(shù)指標(biāo)及相互關(guān)系缺乏實(shí)證研究，有待于進(jìn)一步完善。綜合上述內(nèi)容，未來(lái)機(jī)制砂混凝土的相關(guān)研究可在以下幾個(gè)方面進(jìn)行拓展：

①不同性能機(jī)制砂混凝土的比較研究；

②采用多種指標(biāo)系數(shù)對(duì)石粉的特性進(jìn)行實(shí)證；

③如何在增加石粉摻量以提高機(jī)制砂混凝土強(qiáng)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(jìn)一步研究；

④系統(tǒng)配制并構(gòu)建機(jī)制砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)體系。