詹文華 魏盛春

　　隨著基礎設施建設規模不斷擴大，混凝土的需求量越來越大，砂作為混凝土骨料的消耗量也越來越大。近年來，超量開采，毀田挖沙等現象日益嚴重，國家和各地政府相繼出臺了禁采和限采天然砂的規定。因此解決天然砂困乏的問題，成為混凝土行業面臨的一大難題。目前代替天然砂應用最多的是機制砂。
 

　　應用實例證明，機制砂只要具有足夠高的硬度和強度，良好的級配和粒形，不含有害雜質，經過合理的制造工藝后都完全滿足建筑用砂的要求。

　　國內外很多研究者普遍認為，機制砂能夠很好的應用在高性能混凝土中，并且適量的石粉能夠改善高性能混凝土的工作性和強度等諸多性能。

　　機制砂定義

　　2011年修訂的GB/T4684-2011《建設用砂》定義機制砂是指經除土處理，由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業廢渣顆粒，但不包括軟質、風的顆粒。

　　《公路水運工程混凝土用機制砂生產與應用技術規程》(DB36/T 1153-2019)要求機制砂施工工藝除了機械破碎和篩分外，增加了整形和控粉;《混凝土用機制砂質量及檢驗方法標準》(DBJ41T 232-2020)增加了“卵石、建筑固體廢棄物”可作為機制砂母材。

　　機制砂特點

　　1.機制砂的優點

　　機制砂的母材種類繁多，且資源豐富。國家和地方標準中明確巖石、礦山尾礦、工業廢渣和建筑固廢都可以作為機制砂的母材使用。

　　機制砂中的石粉可以起到填充作用。機制砂中含有一定量的石粉，石粉與天然砂中泥的成分不同，所起的作用也不同。泥的顆粒一般都小于0.016mm，而石粉的顆粒為0.016～0.075mm。通常情況下，泥附著于砂的表層，切斷了砂與水泥的粘結，導致混凝土的粘結性較差，而適量石粉顆粒均勻分布在骨料的空隙中，產生微骨料效應，有利于機制砂混凝土強度提高。

　　機制砂的細度模數和顆粒級配可以調整。機制砂作為人工砂可以根據工程的需要，結合原材料的性質和混凝土的要求，通過調整制砂設備、工藝流程來調節砂的細度模數和顆粒級配。級配優良、粒形圓潤的機制砂有助于提升混凝土的工作性能，并降低骨料體系的空隙率，提升混凝土的力學性能。

　　機制砂質量可以得到保障。機制砂可以采用生產線生產，自動化程度高，在質量方面可以得到很好的保證。可以從原材料以及破碎、整形等工藝流程方面建立具體的質量監控體系，使得機制砂質量得到良好的保障。

　　機制砂的物理力學性能較好。機制砂在生產過程中可以選用一些硬質的巖石、固廢等原材料，不選擇質軟、有風化痕跡的巖石，對含泥量進行人工控制，這樣可以對機制砂的物理力學性能進行很好的控制。

　　2.機制砂的缺點

　　機制砂的級配較差。天然砂經過長期的自然風化，顆粒外觀比較渾圓，表面非常光滑。天然砂的細度模數大多為2.6～3.0mm，級配較好。而機制砂顆粒尖銳、多棱角、表面粗糙，細度模數基本在3.0mm以上，中間粒徑顆粒偏少，顆粒的級配較差，導致混凝土的和易性較差。

　　機制砂的質量波動較大。機制砂原材料的選材范圍較大，從2002年國家標準《建設用砂》中的1種巖石到2020年《混凝土用機制砂質量及檢驗方法標準》中5種：巖石、卵石、建筑固體廢棄物、礦山尾礦、工業廢渣，如果機制砂在選用原材料方面出現變化，那么就容易造成機制砂的質量波動，這樣就會給相應的施工造成較大的難度。

　　機制砂顆粒的孔隙率偏大。經過機械破碎、篩分的機制砂表面粗糙、棱角多，加之大粒徑的顆粒偏多，導致混凝土骨料間孔隙率較天然砂骨料增加。

　　機制砂對混凝土性能的影響

　　隨著我國城鎮化的發展和基礎設施建設的大規模進行，混凝土作為工程重要的結構材料用量巨大。機制砂作為混凝土主要的組成部分，其性能是影響混凝土性能的主要因素。

　　1.機制砂的粒形

　　機制砂的粒形沒有天然砂圓潤。經過機械破碎得到的機制砂顆粒形狀不規則，片狀、針狀較多，表面粗糙，導致機制砂的和易性較差，骨料間的空隙率較大。為獲得較好的顆粒粒形，許多砂石企業采用整形設備對顆粒進行整形的方法。顏廣通過試驗驗證，經過整形的機制砂混凝土拌合物性能如初始坍落度、流動性、抗壓強度等都優于未整形的機制砂混凝土。

　　2.細度模數

　　細度模數是用來表征機制砂粒徑粗細程度及類別的指標。細度模數越大，表示機制砂的粒徑越大。普通混凝土用機制砂的細度模數范圍在3.7～1.6mm，以中砂為宜。機制砂的規格按細度模數分為：粗砂、中砂、細砂、特細砂4種規格。其細度模數分別為：粗砂3.7～3.1mm;中砂3.0～2.3mm;細砂2.2～1.6mm;特細砂1.5～0.7mm。機制砂的細度模數可以通過生產設備控制，以滿足不同建筑工程需要。

　　3.顆粒級配

　　機制砂的顆粒級配用顆粒各粒徑的搭配比例表示。機制砂顆粒級配可以通過調整進料級配、進料量、破碎機轉速、篩網尺寸等方面實現。機制砂級配是影響機制砂產品性能的重要因素，機制砂級配改變對于其應用性能的影響主要是由于其級配改變造成了相應的機制砂的堆積狀態的改變。

　　4.石粉含量

　　機制砂中粒徑小于75μm的顆粒稱為石粉。在機制砂生產過程中會產生一定量的石粉，這是天然砂和機制砂的主要區別之一。石粉的比表面積大，增加用水量;同時適量的石粉可以完善混凝土骨料的級配，改善混凝土的和易性，提高混凝土的密實性，所以在實際應用中，需要掌握好石粉的用量。

　　5.有害物質

　　機制砂中常見的有害物質有云母、輕物質(如樹葉、草等)、有機物、氯化物、硫化物以及硫酸鹽等。云母呈薄片狀，表面光滑，容易沿節理開裂，因此與水泥漿體的粘結性能差，若含量過高對混凝土和易性及砂漿抗凍性產生較大影響;輕物質會增大混凝土空隙率，降低混凝土強度;硫化物及硫酸鹽會在混凝土硬化后發生化學反應生成三氧化二鐵，體積膨脹，導致混凝土鼓包、開裂、脫落。

　　6.堅固性

　　機制砂在外力作用下抵抗破壞的能力用堅固性來表示，在外力作用下質量損失過多，其配制出的混凝土抗疲勞、耐磨、抗腐蝕等能力就會下降。《建設用砂》定義的硫酸鈉溶液5次循環浸泡后質量損失不超過8%，10%;英國及歐洲標準BSEN12620：2002+AI：2008經飽和硫酸鎂溶液循環浸泡5次后的質量損失不超過18%，25%或35%。

　　改善機制砂混凝土和易性方法

　　機制砂顆粒尖銳、多棱角、表面粗糙，容易產生離析，影響混凝土的和易性。

　　1.適當摻入細砂

　　根據使用要求的不同，適當摻入細砂，提高混凝土中細骨料的含量。郜進良等研究表明，在混凝土中的小顆粒比表面積大，其表面可以吸附大量的自由水，可以提高混凝土的保水性。機制砂中小顆粒與水泥、水混合形成細砂漿在混凝土拌和物中減小粗骨料之間的摩擦阻力，起到潤滑劑的作用，能夠增大拌和物流動性，因此在混凝土中適量摻入細砂可以提高混凝土的和易性。

　　2.控制石粉用量

　　2011年修訂的國家標準GB/T4684-2011《建設用砂》在2002年國家標準GB/T4684-2001《建設用砂》基礎上將石粉含量3%～7%的最高限值放寬到10%。這不僅減少了機制砂的生產成本，還有利于機制砂混凝土的工作性能和力學性能。

　　石粉的微級配和粗糙表面在混凝土的界面起到很好的填充效應、晶核效應、活性效應、保水效應和潤滑效應。它使漿體密實，孔隙率小，降低漿體周圍的實際水灰比，改善混凝土的和易性。因此，適量石粉既可以起到活性潤滑、密實作用，又使混凝土的物理力學性能、耐久性得到改善。

　　3.添加外加劑

　　建筑施工中常用的機制砂整體粗糙，細粉顆粒含量較少，勢必會導致混凝土空隙率偏大，無法形成良好的空間搭配，導致混凝土和易性不佳。由于中間顆粒的缺失，混凝土會出現不同程度的離析、泌水現象，且由于混凝土空隙率增加，導致混凝土的抗壓強度會出現明顯的下降。在進行混凝土配比調整時，僅靠提高砂率和石粉含量不會取得很好的效果，必須選用適宜的外加劑來提高混凝土的和易性，使混凝土更容易澆注和搗實。

　　機制砂在混凝土中應用的意義

　　1.實現資源優化配置

　　機制砂可以選用巖石如石灰巖，花崗石，板巖和未風化層的巖層等作為原材料，這樣可以在很大程度上緩解天然砂資源日益枯竭的現象，同時由于機制砂的生產成本相對較低，在一定程度上大量使用機制砂代替天然砂作為混凝土骨料可以實現對天然砂資源的合理利用。

　　2.減少環境污染

　　2011年修訂的國家標準《建設用砂》中增加了“礦山尾礦、工業廢渣顆粒”可作為機制砂的原材料;2020年實施的地方標準《混凝土用機制砂質量及檢驗方法標準》中增加了“卵石、建筑固體廢棄物”可作為機制砂的原材料，這些原材料的加入，不但減少了固體廢棄物對環境的污染，還能夠減少天然砂開采過程中對農田、水源等造成的危害。

　　3.節約生產成本

　　由于天然砂儲量不足，加上國家和地方政府各項環保措施的出臺，天然砂的價格越來越高。而機制砂原料充足，加工設備和工藝成熟，價格相對天然砂較低，在符合使用要求的情況下，使用機制砂能夠大幅降低成本。賈波等通過現場應用案例分析得到：使用合格的機制砂拌制混凝土，每方混凝土生產成本能夠降低10.8元。
 

　　結 語

　　綜上所述，機制砂可以很好的應用于建筑材料中，根據工程建設的需要調整機制砂混凝土的性能，對于機制砂混凝土存在的缺陷問題，需要在確保混凝土的力學性能的基礎上采用相應的方法進行改善。