机制砂对混凝土性能的影响研究综述

引言
近年来，我国对生态环境的保护力度逐年提升，各地出台了大量的政策法规保护几近枯竭的自然资源—天然河砂，机制砂因此逐步进入大众的视线。

机制砂的分类有石灰岩机制砂、花岗岩机制砂等，工程实践应用中使用机制砂代替天然河砂在混凝土制备中的细骨料成
为一种必然的趋势。

机制砂由岩石破碎而成，具有取材方便、保护环境的优点，但同样也存在石粉含量高、颗粒级配差、骨料粒形差（尤指针片状含量多）等缺点。

石粉含量的增加会导致混凝土的流动性不断降低，粘聚性和保水性虽然能在低石粉含量的情况下得到改善，但超过12%的临界值后也呈劣化趋势；与河砂相比，机制砂的级配中大于1.18mm和小于0.15mm部分的颗粒含量偏多,表现出两头大中间小的“哑铃型”，使用机制砂制成的混凝土也更容易出现离析、泌水等问题；针片状颗粒含量的增加会增大砂浆的孔隙率，增加大尺寸多害孔的比例，弱化界面过渡区，从而导致砂浆流动度、抗渗性和强度的降低。

这些缺点使得机制砂混凝土在浇筑时工作性较差，不易施工。

影响机制砂混凝土性能的因素多种多样，本文主要针对机制砂的石粉含量、颗粒级配、骨料粒形以及母岩种类这几种最常见的影响因素展开讨论，提出合理的解决对策，并进行总结。

1 石粉含量
许多学者都研究过石粉含量对机制砂混凝土性能的影响，值得注意的是，这其中并不全都是负面影响，不同含量的石粉对混
凝土的抗压强度、轴向抗压强度和弹性模量有着不同程度的增强效果。

ZHENG通过试验发现含量为5%～7%的石粉可以提高混凝土的抗压强度，含量为11%的石粉可以大大改善混凝土的轴向抗压强度，当石粉的含量在9%以内时，混凝土的弹性模量略有提高。

TANG通过试验研究和灰色关联分析方法，证明机制砂混凝土的抗弯和抗压强度均大于相同石粉含量的标准砂。

ZHAO用劈裂拉伸法测试了机制砂混凝土立方体，发现石粉含量不超过13%时，有利于提高机制砂混凝土的长期抗拉强度。

FENG通过扫描电镜（SEM）图像发现适量的石粉能够提高再生混凝土的抗压强度，但过多的石粉含量和过高的亚甲蓝值对再生混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能不利。

谢开仲的试验表明，随着细度模数或石粉含量的增多，机制砂混凝土试件峰值应力与峰值应变呈现出先增大后减小的趋势，不同岩性的机制砂混凝土试件的峰值应力与峰值应变均大于天然河砂混凝土。

另外，考虑石粉含量和亚甲蓝值对机制砂混凝土综合性能的耦合影响，低亚甲蓝值的石粉可以改善新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的密实度，高亚甲蓝值的石粉则会对混凝土的抗冻性能和收缩能力产生负面影响。

由此可以看出，石粉的掺入在机制砂混凝土中具有双重效应，要综合考虑混凝土的抗冻性能、力学性能和工作性能，将石粉掺量控制在一个临界值内。

LI测试了混凝
土的耐磨性和砂浆的硫酸盐侵蚀性，发现对于低强混凝土，石粉掺量的增加会提高其抗氯离子渗透能力，但降低了其抗冻能力；但对于高强混凝土而言，石粉掺量的增加对其抗氯离子渗透能力和抗冻性能影响较小。

ABD探究了石粉作为水泥替代品的可行性，试验使用热重分析仪（Thermal Gravimetric Analyzer，TGA）、X射线衍射（XRD）和SEM对用花岗岩粉尘改性的水泥浆进行了检测，结果表明，花岗岩粉掺入到水泥浆体时，水泥的抗压强度和抗拉强度均有所提高。

综上可知，机制砂石粉含量是影响混凝土性能的关键因素。

不同石粉含量会对混凝土性能产生不同程度的影响，石粉含量在5%～11%时，对混凝土的抗压强度、轴向抗压强度、弹性模量起到不同程度的有利影响，但过多的石粉含量则会对混凝土的抗冻性能和收缩能力产生负面影响。

石粉含量的控制需要综合考虑多种性能因素，并将其控制在一个临界值内。

世界各国也都出台过政策，对机制砂混凝土中的石粉含量做出规定，具体见表1。

同时，石粉作为水泥的替代物也具有一定的可行性。

2 颗粒级配
机制砂存在颗粒级配偏Ⅰ区、中间粒径颗粒偏少、颗粒孔隙率偏大的问题，优秀的颗粒级配能让混凝土各方面的性能得到更大程度的优化。

陈小和认为控制机制砂颗粒级配是提高机制砂性能的关键因素。

谢开仲研究发现不同颗粒级配下，随着机制砂颗粒的由细变粗，机制砂混凝土的坍落度、立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量呈现先变大后变小的趋势；当机制砂颗粒级配曲线位于Ⅱ区砂中值和上限之间，细度模数为2.90左右时，机制砂混凝土力学性能达到峰值，其峰值较天然河砂混凝土提高了17.8%。

芮捷等采用单因素分析法，对机制砂进行筛分后重新组合形成新的级配配比，测试了混凝土的工作性能、力学性能以及抗渗性能，结果表明，机制砂级配曲线位于Ⅱ区中值和下限之间，机制砂中通过0.3mm筛细料的含量为20%时，混凝土的坍落度最大，工作性能最佳；机制砂级配曲线位于Ⅱ区中值和上限之间，细度模数3.0左右时，混凝土的抗压强度最高，这也佐证了谢开仲的观点；另外机制砂级配对混凝土工作性能、耐久性能的影响程度大于其对力学性能的影响，同级配机制砂和天然河砂相比，机制砂配制的混凝土抗压强度比天然河砂混凝土的抗压强度高1.7%左右；细度模数不小于1.86时，机制砂越细，混凝土的抗氯离子渗透能力越强，抗渗性能越好。

胡建伟等通过试验发现机制砂中粗颗粒与细颗粒含量对机制砂砂浆流动性能均具有正反两方面的效应，其中0.6mm筛孔筛余
量是改善机制砂流动性能的关键指标；通过对比不同级配的机制砂发现，机制砂级配的差异对砂浆抗压强度的影响并不明显。

岳晓伟通过正交试验研究了机制砂颗粒级配与空隙率的关系，他指出颗粒级配与机制砂空隙率密切相关，调整级配降低空隙率的成本远低于颗粒整形的成本，且效果极佳。

同时该试验也发现机制砂表观密度不合格和空隙率最低相矛盾的问题，所以机制砂空隙率大幅度降低是否具有意义仍需要进一步探究。

詹奇淇等依据泰波级配模型，对比分析了细度模数、级配区间以及泰波级配评价机制砂颗粒分布状态的准确性，她认为对于机制砂，使用试验级配与泰波级配的偏差值和分计筛余共同评价机制砂级配特性，具有更好的合理性和准确性。

综上可知，颗粒级配是影响机制砂混凝土性能的关键因素。

不同颗粒级配下混凝土的各项力学性能指标会随着机制砂颗粒的由细变粗，呈现先变大后变小的趋势。

在颗粒级配最优情况下的机制砂混凝土力学性能达到峰值，甚至较天然河砂混凝土提高了17.8%，机制砂颗粒级配曲线位于Ⅱ区中值和下限之间时，混凝土的坍落度最大，工作性能最佳。

此外通过调整级配降低空隙率对混凝土起到积极影响的成本远低于颗粒整形的成本。

3 骨料粒形
英国BS 812-1标准将颗粒的形状分为圆形、不规则形、片状、角状、细长形等，将表面结构分为玻璃质、光滑、粒状、粗糙、结晶和蜂窝状等；英国BS 821-8标准以“棱角系数”将骨料分为
圆形、不规则形和有棱角形等。

为了评定骨料针片状颗粒，英国BS 812-105.1标准和BS 812-105.2标准定义“当颗粒的厚度小于其粒度级平均筛孔直径的0.6倍（我国定义0.4倍）时，该颗粒属于片状，当颗粒长度（最大尺寸）大于粒度级平均筛孔尺寸的1.8倍（我国定义2.4倍）时，该颗粒属于片状颗粒”。

H UA NG 采用数字图像处理技术研究了天然河砂和石灰石机制砂的颗粒形状参数，结果表明，与天然河砂相比，机制砂的长径比大于19.0%，平径比小于11.5%，凸径比大于0.3%，丰径比大于0.2%，颗粒形状参数小于19.3%，球形度小于14.8%。

因此天然河砂更接近球状，更光滑，而机制砂则更细长、扁平和粗糙。

当坍落度和水泥用量相同时，机制砂混凝土的用水量较大，含气量较小，但其抗压强度却比天然砂混凝土的抗压强度大。

SHEN通过数字图像分析研究了机制砂和天然河砂的颗粒形状，发现机制砂相较于天然河砂具有较高的圆度和长宽比，并且圆度和长宽比的分布范围更大，而在微观尺度上大多数机制砂的表面粗糙度比天然河砂低，与石粉和粘土块含量以及机制砂的级配相比，机制砂的颗粒形状和表面纹理对其在混凝土中的行为影响不大。

刘秀美等通过设计3种不同圆度系数的机制砂对混凝土性能的影响试验，得出圆形度越大，即机制砂颗粒越接近球形，混凝土的工作性能越好，抗压强度越高这一结论。

机制砂的粒形特点使其有利于与水泥的粘结，但是对混凝土的和易性不利，用水量较大，易使低等级的混凝土泌水、离析。

采用球形度较好的机制砂，达
到相同坍落度所需要的浆体量较少，可以降低混凝土成本。

REN 基于多级双相假设，预测了与骨料颗粒形状有关的机制砂混凝土的流变特性，证明了每个水平的相对塑性粘度和相对屈服应力与相应悬浮介质的相对厚度呈幂律关系，并提出了能预测混凝土混合物相对流变参数的模型。

于本田采用条形孔筛分法得到不同粒径的片状机制砂颗粒，试验证明随着片状颗粒总含量的增加，水泥胶砂的流动度、强度在降低；当片状颗粒含量相同时，随着片状颗粒粒径的增大，水泥胶砂中的有害孔隙就越多，导致水泥胶砂的孔隙率增大，从而使水泥胶砂的强度降低。

他认为要保证水泥胶砂的性能，应严格控制机制砂片状颗粒中粒径为 4.75～9.50mm的片状颗粒含量。

综上可知，骨料粒形是研究机制砂混凝土时不可忽略的一项影响因素，机制砂区别于天然河砂的获得途径，导致其针片状颗粒含量极高，对机制砂混凝土性能的影响十分显著。

机制砂含有大量的针片状颗粒，与天然河砂相比，其更细长、扁平和粗糙。

当坍落度和水泥用量相同时，机制砂混凝土的用水量较大，含气量较小，但其抗压强度却比天然砂混凝土的抗压强度大。

骨料粒形分为圆形、不规则形、片状、角状、细长形等形状，表面结构分为玻璃质、光滑、粒状、粗糙、结晶和蜂窝状等结构。

片状颗粒含量越高，机制砂混凝土的流动度、强度越低，故要严格控制机制砂中片状颗粒的含量，特别是4.75～9.50mm的片状颗粒含量，以保证水泥胶砂的性能。

4 制砂方式
众所周知，目前所使用的制砂方式在大类上分为3种，分别是湿法制砂、干法制砂以及干湿结合制砂，根据不同砂的来源和对机制砂产出的要求，选择不同的制砂方式。

湿法制砂工艺较多，需要耗费大量的水资源，且水污染问题严重，而且水洗后机制砂中的微细石粉随水流失，水洗去除的石粉除开粒径低于75μm的，更多的是粒径在75μm以上的颗粒，如0.15、0.3、0.6mm的颗粒，较为严重地破坏了机制砂细颗粒的级配组成，导致使用其搅拌的混凝土易出现泌水问题。

所以机制砂在水洗之后，一方面需要增加脱水设备控制机制砂的含水率，另一方面还需要增加细砂和石粉回收设备。

为满足环保要求以及降低生产成本，生产厂商往往会在洗砂水中加入絮凝剂，絮凝剂可以起到净化水质、让洗砂水再次回收利用的作用，但絮凝剂对于混凝土后期强度的负面影响不可小觑。

杨林、尹键丽研究了湿法制砂中絮凝剂对混凝土性能的影响，发现随着聚丙烯酰胺（PAM）浓度的增加（超过0.03‰后），混凝土的流动度、坍落度、扩展度逐渐减小，强度损失增大，对掺外加剂净浆的流动度影响更加明显；絮凝剂的分子量降低（试验使用分子量为1800万的PAM，市售PAM分子量大都在800～1800万）对混凝土性能的影响会相对减弱。

湿法制砂和干法制砂的主要区别在于制砂过程中粉料的处理方式不同，湿法制砂采用洗砂机进行水洗，干法制砂则采用选粉机进行电动收尘。

干法制砂同样有着极大的弊端，传统的干法制砂工艺有锤式破碎机制砂、反击破碎机制砂、圆锥破碎机制砂以及多种破碎机组合使用进行制砂，但均有着产品含粉量过高、粒形差、级配不合理、成品率低、设备磨损大等缺陷。

目前国内制砂企业主要使用新型干法制砂工艺，包括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等。

从产品成品率来看，对辊破碎机和双轴锤式破碎机的成品率均是100%，立轴破碎机的成品率与设备及原料的硬度有关，成品率约在60%～85%。

从经济性来看，立轴破碎机花费最高，对辊破碎机次之，双轴锤式破碎机最低。

从环保性来看，立轴破碎机的环保性最优。

另外还有将干湿结合的半干法制砂，根据干湿的先后顺序分为先湿后干法和先干后湿法。

半干法制砂工艺的最大特点是用水冲洗掉泥和泥团，成品砂部分或全部不再进行水洗，因此用水量减少较多，成品砂中石粉流失量少、水分含量低。

综上可知，不同的制砂方式对机制砂混凝土的性能影响主要表现在级配组成、水分含量、强度损失这几个方面。

湿法制砂需要经过水洗，而水洗去除的石粉中含有较多粒径在75μm以上的颗粒，导致机制砂细颗粒的级配组成被破坏，从而影响混凝土性
能。

湿法制砂生产过程需要使用大量水资源，水污染问题比较严重，需要考虑环保和生产成本问题。

干法制砂则不需要用水，制砂后产品水分含量较低。

湿法制砂中加入絮凝剂会减小混凝土的流动度、坍落度、扩展度，同时增加混凝土的强度损失。

因此，对湿法制砂来说，应选择合适的絮凝剂以及适宜的絮凝剂掺量，可降低其对混凝土性能的负面影响。

在干法制砂中，制砂工艺的选择对混凝土的强度影响相对较小。

总的来说，不同的制砂方式会对机制砂混凝土的性能产生影响，需要在具体生产过程中结合产品要求、经济性和环保等因素进行选择。

5 机制砂岩性
目前，常用的机制砂母岩有石灰岩、花岗岩、玄武岩等，机制砂中的石粉是在母岩破碎时期伴随其破碎产生的，而泥粉则是在母岩成岩时期产生的，所以不同的母岩会导致机制砂含有不同种类、含量的泥粉。

母岩的不同不会使机制砂混凝土的抗冻性能有很大差异，但母岩的酸碱性、成岩地质特点会影响机制砂与减水剂的相容性，且碱性母岩制成的机制砂较酸性母岩更亲水，目前国内大多数研究所采用的聚羧酸系减水剂对泥粉的含量高度敏感，所以在正式投入使用前，应对不同母岩机制砂和减水剂的相容性进行测试。

此外，母岩的折压比越大，其制备的机制砂细度模数越容易偏离设计值。

宋少民在相同级配和粒形的条件下，研究了6种常见机制砂的岩性对胶砂和混凝土性能的影响，结果表明不同岩性机制砂对
胶砂和混凝土的和易性及外加剂适应性的影响与岩石表面织构、石粉吸附性和化学组成相关性较大，钙质机制砂在分散性和石粉低吸附性上优于硅质机制砂。

综上可知，不同母岩生产的机制砂对混凝土的性能也有一定的影响。

不同岩性的机制砂石粉含量不同，对机制砂与减水剂的相容性影响也会有不同，岩性对混凝土的各方面性能均有影响，钙质机制砂在分散性和石粉低吸附性上优于硅质机制砂。

此外，相同岩性的机制砂和石子是否会在水泥水化放热时起到协同作用也是一个值得探讨的课题。

6 对策与思考
针对石粉含量、颗粒级配以及制砂方式的问题，现有的机制砂生产技术仍需要进一步的改进，有以下几方面需要改进：（1）不仅要在设备方面进行改进，而且要在机制砂初步成型之后，对颗粒进行筛分重组，这样可以同时解决颗粒级配差和石粉含量不一的问题。

（2）骨料粒形差同样可以依托于生产设备的改进，在结合使用条形孔筛分法和颗粒整形技术改善骨料粒形的同时，进一步提升机制砂混凝土的经济性、环保性和实用性等优势。

（3）母岩岩性的不同所造成的混凝土性能差异，目前无法通过物理手段来规避，学界和行业通用的做法是将机制砂与不同的外加剂进行相容性测试，筛选出最优的外加剂组合。

（4）石粉含量过高、颗粒级配不良和湿法制砂中絮凝剂对机制砂混凝土性能所造成的负面影响，除了从生产方法和生产器械方面进行改进，也可以通过掺入不同的外加剂进行改善。

结论
本文综合多位学者的研究，讨论了机制砂对混凝土性能的影响，得到以下结论：
（1）机制砂的石粉含量在5%～11%时，对混凝土的力学性能起到相当有利的影响，但石粉过多则会对混凝土抗冻性能和收缩能力产生不利的影响。

（2）合理的机制砂颗粒级配可以降低混凝土的空隙率，从而提高其力学性能，但需要探究空隙率的最低值与表观密度之间的关系问题。

（3）骨料粒形对机制砂混凝土的性能影响显著，片状颗粒含量越高，混凝土的流动度和强度就越低，因此需要严格控制机制砂片状颗粒的含量。

（4）制砂方式不同对混凝土的性能影响也各有千秋，选择湿法制砂时，合适的絮凝剂以及适宜的掺量能最大程度地降低其对混凝土性能的负面影响。

（5）在使用机制砂时，需要考虑不同岩性对混凝土造成的影响，若要考虑分散性和石粉低吸附性，则可以优先选择钙质机制砂，在机制砂投入使用前需要测试其和减水剂的相容性。