浅谈机制砂对混凝土性能的影响

浅谈机制砂对混凝土性能的影响

胡庆勋

中铁一局集团有限公司计量试验检测中心陕西省西安市710100

摘要：由于机制砂与天然河砂的特性区别，决定了二者对混凝土性能的影响不同，所以在混凝土设计配制方法上也有所不同。通过对机制砂固有特性对混凝土性能影响分析，有利于提高工程技术人员对机制砂的充分认识，对机制砂混凝土的实际生产应用具重要的指导意义。

关键词：机制砂；特性；混凝土；性能；影响控制

一、概述

随着我国改革开放的不断深化和经济发展，各类基本建设项目与日俱增，混凝土的需求量越来越大，砂的用量也随之增加，天然河砂资源越来越少，若过度地开采，一是对环境造成破坏，二是砂的质量也难以保证。因此，在资源有限、短期不可再生和环境保护的条件下，用机制砂作为细集料将是今后混凝土工程发展的主要方向。在我国西南地区，尤其是云、贵两省的河砂资源极为匮乏，在那里绝大部分的建筑工程混凝土细集料都使用机制砂，用其配制的C20～C60混凝土已在工程中得到广泛的应用。然而，对于那些长期使用河砂资源的地区来说，用机制砂配制混凝土还是很陌生的，本文针对机制砂与天然河砂的不同特性对混凝土性能的影响进行分析讨论。

二、机制砂与天然河砂的特性区别

机制砂俗称人工砂，经除土处理，由机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风化的颗粒。由于各地机制砂的料源、设备和工艺不尽相同，导致生产出的机制砂在化学成分、颗粒形状、表面结构、颗料级配以及石粉含量等性能方面与天然河砂都不尽相同。影响混凝性能主要与机制砂的颗粒形状、颗粒级配和石粉含量等密切相关。因此，有必要对机制砂特性进行研究分析，弄清楚与天然河砂的特性区别，以便正确指导机制砂在混凝土工程中的应用。

1、颗粒形状：机制砂是由岩石或卵石经机械破碎、筛分而成的，由于母岩和生产工艺不同，生产出来的机制砂也不尽相同。加工后的机制砂表面粗糙、吸水率高，棱角多且尖锐，相互咬合力能力强，并含有较多的针片状颗粒。河砂是指岩石风化、脱落，由水流冲刷、撞击、摩擦而形成的天然产物，其颗粒形状较为方圆，表面较为光滑，吸水率低。

2、颗粒级配：机制砂的颗粒级配普遍较差，大于2.36mm和小于0.15mm的颗粒较多，而0.3～1.18mm的颗粒较少。这种“两头多，中间少”的粒径组份，造成级配不良。机制砂一般为中粗砂，其细度模数大多在2.9～3.6之间，并且在粗砂范围内占的比例更大。而河砂一般为中砂，其细度模数在2.3～3.0之间，级配较好，各粒径范围分布较为均匀。

3、石粉含量：机制砂在生产过中不可避免地产生一定数量粒径小于0.075mm的石粉，其含量一般在5%～15%，有些因母岩或机械原因石粉含量可达20%左右。天然河砂粒径小于0.075mm颗粒称为泥粉，虽然二者都在同一个粒径之下，但他们的成份不同，性质不同，所起的作用也不同。石粉是一种惰性物质，而泥粉则是一种有害物质。

三、机制砂对混凝土性能的影响

机制砂对混凝土性能的影响来源于自身的固有特性，其影响因素主要体现在颗粒形状、颗粒级配和石粉含量三个方面。

1、颗粒形状的影响

相对天然形成的河砂而言，机制砂是由岩石破碎而成。在配制混凝土时，由于机制砂颗粒表面粗糙，棱角多，在与水泥浆结合时，有助于提高二者之间的粘结力，有利于提高混凝土的抗压强度和体积稳定性；同时也正因为机制砂颗粒的棱角性、表面粗糙性，使其堆积密度较小，空隙率较大，拌合时需要更多的浆体材料来填充包裹，在保证水灰比不变的条件下，要达到相同的工作性，则需要额外补充相应的用水量和水泥用量，否则易导致混凝土离析泌水，影响混凝土拌合物的和易性、工作性，造成施工困难，强度也难以保证。因此，机制砂颗粒形状对混凝土性能的影响，主要是增大了混凝土的单位用水量。在配制相同强度等级、工作性的混凝土时，机制砂混凝土的胶材总量和用水量宜在天然河砂混凝土胶材总量和用水量的基础上适当提高，才能达到相同的性能效果。

2、颗粒级配的影响

砂的颗粒级配是指不同粒径的砂粒相互搭配的数量比例，它是衡量砂的内在品质好坏的一个重要指标。砂的粗细程度可用细度模数表征。国家标准和行业标准都将砂按细度模数分为粗、中、细三种规格，粗：3.7～3.1；中：3.0～2.3；细：2.2～1.6。虽然细度模数不能全面地反映砂的颗粒级配真实情况，但能够表征其各级粒径组分合成后总的粗细程度。机制砂颗粒级配的最大特点就是由“两头多，中间少”的粒径组分构成，导致级配不良，细度模数偏大。在配制混凝土时，为了解决机制砂“中间少”的颗粒数量，通常采用的方法是适当地提高砂率来弥补“中间少”的颗粒不足，以保证机制砂混凝土的工作性。然面，一些项目工地搅拌站把提高砂率作为了一种常态化，认为砂率越高越容易施工浇注，甚至将C30以下强度等级的混凝土砂率提高到60%以上。过度提高砂率，虽然保证了混凝土的工作性，但对混凝土的力学性能和耐儿性能影响很大。砂率过大，一方面增大了砂的空隙需要更多的水泥浆去填充包裹，同时又意味着粗集料的用量就要相对减少，粗集料在混凝土中起着支承骨架的作用，是混凝土抗压强度的核心力量，在水胶比一定的条件下，粗集料用量越少，强度就会越低；另一方面，砂率过大会增加预拌混凝土的早期收缩，易出现塑性开裂，特别是在炎热夏季表现的更为突出，对混凝土的长期耐久性产生不利影响。

在设计混凝土配合比时，水胶比、单位用水量和砂率是重要的三大指标。砂率是指细集料占粗、细集料总量的百分率。砂率的大小将影响着混凝土拌合物的和易性、工作性，通常砂率每增大1%，混凝土坍落度增大20mm，相应的粗集料用量也就减少1%。在配制机制混凝土需要增大砂率时，应将机制砂中粒径大于4.75mm的颗粒质量计入到粗集料中，以弥补因砂率增大粗集料相应减少的不足。在机制砂混凝土中掺入一定比例数量的粉煤灰取代部分水泥用量也是解决问题的一种好方法，一是可以改善机制砂混凝土拌合物的和易性，提高其工作性；二是可以解决机制砂混凝土早期强度高，后期强度低的问题，从而提高其耐久性。所以，在机制砂混凝土中掺入适量的粉煤灰，不仅能够节约水泥，降低成本，还能对机制砂混凝土性能起到积极的作用。

3、石粉含量的影响

机制砂中的石粉矿物组成与化学成份与母岩完全相同。由于国内机制砂生产现状和技术管理水平，生产出的成品机制砂的石粉含量有时会超出了GB/T14684-2011《建设用砂》规定的限值。降低机制砂石灰含量，一方面要改变生产工艺增加费用提高了制砂成本，另一方面也不利于机制砂的全面推广应用。因此，国内许多学者和工程技术人员都以石粉为对象，研究机制砂石粉含量对混凝性能的影响。综合研究结果表明，适量的石粉可以起到完善机制砂的级配、增加浆体数量和填充颗粒空隙的作用，改善机制砂混凝土的工作性，提高其强度和耐久性能。但过量的石粉，使其比表面积增大，吸附大量的水分使混凝土的工作性变差，其强度和耐久性能也随之降低。因此，机制砂中的石粉含量在适量与过量之间存在一个临界值，当石粉含量小于临界值时，说明机制砂混凝性能是可控的；超过临界值时，可控性将大大的降低。因此，许多研究者认为C50以下混凝土的石粉含量应控制在15%以下，C50及以上混凝土的石粉含量控制在10%以下较为适宜，且强度等级越高，控制石粉含量越小。

在机制砂生产中，可能由于母岩夹带或受周围泥土的污染，在机制砂石粉中混入一定量的泥粉，导致石粉性质与母岩发生了变异。虽然石粉和泥粉都在0.075mm粒径之下，但他们的细度相差较大。泥粉粒径大多小于0.016mm，而石粉粒径大多在0.016～0.075mm之间。当石粉中含有泥粉时，泥粉吸附在砂的表面，一方面阻碍水泥浆与砂的粘结，另一方面对外加剂有强大地吸附作用，降低了外加剂减水增强的性能。而适量的石粉可填充水泥和砂之间的空隙，使机制砂的级配得到一定的改善，起到微滚珠的润滑作用，使集料颗粒间的摩擦减小，从而提高机制砂混凝土的工作性；若石粉过量，就会在水泥石中或界面过渡区呈现出游离态的石粉，从而降低机制砂混凝土性能。因此，在使用机制砂配制混凝土时，除对机制砂进行常规性能检验外，还必对其石粉含量进行吸附性能的检验，即亚甲蓝（MB）值的测定。当（MB）值<1.4时，说明机制砂中的石粉特性是以其母岩岩性为主导的；当（MB）值≥1.4时，说明机制砂中的石粉特性是由泥粉性质为主导的，此时必须对机制砂石粉含量实施严格控制。

四、结束语

在工程建设中，砂作为混凝土重要的组成材料，其质量优劣直接影响着混凝土的性能和工程质量。随着天然河砂的日益匮乏和人们对生态环境保护认识的提高，有些地区已对河砂过度开采下达了禁令，因此，机制砂代替河砂将是今后混凝土发展的必然趋势。由于目前生产的机制砂在粒形、级配、石粉含量等特性指标上达不到天然河砂的内在品质，在混凝土设计配制技术上又与河砂有所不同，用机制砂设计混凝土配合比时不能机械地套用河砂混凝土的设计配制方法，必须针对机制砂固有特性指标，分析可能对混凝土性能带来的影响，采取相应的措施配制出满足设计强度、施工工作性、耐久性和经济性的混凝土，推动机制砂混凝土全面地发展应用。

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准GB/T14684-2011《建设用砂》

[2]中华人民共和国行业标准JGJ/T241-2011《人工砂混凝土应用技术规程》

[3]王稷良《机制砂特性对混凝土的影响与机理研究》（武汉理工大学）2008年