詹文華 魏盛春

　　隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)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(xiàn)象日益嚴(yán)重，國家和各地政府相繼出臺了禁采和限采天然砂的規(guī)定。因此解決天然砂困乏的問題，成為混凝土行業(yè)面臨的一大難題。目前代替天然砂應(yīng)用最多的是機(jī)制砂。
 

　　應(yīng)用實(shí)例證明，機(jī)制砂只要具有足夠高的硬度和強(qiáng)度，良好的級配和粒形，不含有害雜質(zhì)，經(jīng)過合理的制造工藝后都完全滿足建筑用砂的要求。

　　國內(nèi)外很多研究者普遍認(rèn)為，機(jī)制砂能夠很好的應(yīng)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(qiáng)度等諸多性能。

　　機(jī)制砂定義

　　2011年修訂的GB/T4684-2011《建設(shè)用砂》定義機(jī)制砂是指經(jīng)除土處理，由機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但不包括軟質(zhì)、風(fēng)的顆粒。

　　《公路水運(yùn)工程混凝土用機(jī)制砂生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DB36/T 1153-2019)要求機(jī)制砂施工工藝除了機(jī)械破碎和篩分外，增加了整形和控粉;《混凝土用機(jī)制砂質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ41T 232-2020)增加了“卵石、建筑固體廢棄物”可作為機(jī)制砂母材。

　　機(jī)制砂特點(diǎn)

　　1.機(jī)制砂的優(yōu)點(diǎn)

　　機(jī)制砂的母材種類繁多，且資源豐富。國家和地方標(biāo)準(zhǔn)中明確巖石、礦山尾礦、工業(yè)廢渣和建筑固廢都可以作為機(jī)制砂的母材使用。

　　機(jī)制砂中的石粉可以起到填充作用。機(jī)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(jié)，導(dǎo)致混凝土的粘結(jié)性較差，而適量石粉顆粒均勻分布在骨料的空隙中，產(chǎn)生微骨料效應(yīng)，有利于機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度提高。

　　機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)和顆粒級配可以調(diào)整。機(jī)制砂作為人工砂可以根據(jù)工程的需要，結(jié)合原材料的性質(zhì)和混凝土的要求，通過調(diào)整制砂設(shè)備、工藝流程來調(diào)節(jié)砂的細(xì)度模數(shù)和顆粒級配。級配優(yōu)良、粒形圓潤的機(jī)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(xué)性能。

　　機(jī)制砂質(zhì)量可以得到保障。機(jī)制砂可以采用生產(chǎn)線生產(chǎn)，自動(dòng)化程度高，在質(zhì)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(zhì)量監(jiān)控體系，使得機(jī)制砂質(zhì)量得到良好的保障。

　　機(jī)制砂的物理力學(xué)性能較好。機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中可以選用一些硬質(zhì)的巖石、固廢等原材料，不選擇質(zhì)軟、有風(fēng)化痕跡的巖石，對含泥量進(jìn)行人工控制，這樣可以對機(jī)制砂的物理力學(xué)性能進(jìn)行很好的控制。

　　2.機(jī)制砂的缺點(diǎn)

　　機(jī)制砂的級配較差。天然砂經(jīng)過長期的自然風(fēng)化，顆粒外觀比較渾圓，表面非常光滑。天然砂的細(xì)度模數(shù)大多為2.6～3.0mm，級配較好。而機(jī)制砂顆粒尖銳、多棱角、表面粗糙，細(xì)度模數(shù)基本在3.0mm以上，中間粒徑顆粒偏少，顆粒的級配較差，導(dǎo)致混凝土的和易性較差。

　　機(jī)制砂的質(zhì)量波動(dòng)較大。機(jī)制砂原材料的選材范圍較大，從2002年國家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》中的1種巖石到2020年《混凝土用機(jī)制砂質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中5種：巖石、卵石、建筑固體廢棄物、礦山尾礦、工業(yè)廢渣，如果機(jī)制砂在選用原材料方面出現(xiàn)變化，那么就容易造成機(jī)制砂的質(zhì)量波動(dòng)，這樣就會(huì)給相應(yīng)的施工造成較大的難度。

　　機(jī)制砂顆粒的孔隙率偏大。經(jīng)過機(jī)械破碎、篩分的機(jī)制砂表面粗糙、棱角多，加之大粒徑的顆粒偏多，導(dǎo)致混凝土骨料間孔隙率較天然砂骨料增加。

　　機(jī)制砂對混凝土性能的影響

　　隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模進(jìn)行，混凝土作為工程重要的結(jié)構(gòu)材料用量巨大。機(jī)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(jī)制砂的粒形

　　機(jī)制砂的粒形沒有天然砂圓潤。經(jīng)過機(jī)械破碎得到的機(jī)制砂顆粒形狀不規(guī)則，片狀、針狀較多，表面粗糙，導(dǎo)致機(jī)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(yè)采用整形設(shè)備對顆粒進(jìn)行整形的方法。顏廣通過試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過整形的機(jī)制砂混凝土拌合物性能如初始坍落度、流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度等都優(yōu)于未整形的機(jī)制砂混凝土。

　　2.細(xì)度模數(shù)

　　細(xì)度模數(shù)是用來表征機(jī)制砂粒徑粗細(xì)程度及類別的指標(biāo)。細(xì)度模數(shù)越大，表示機(jī)制砂的粒徑越大。普通混凝土用機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)范圍在3.7～1.6mm，以中砂為宜。機(jī)制砂的規(guī)格按細(xì)度模數(shù)分為：粗砂、中砂、細(xì)砂、特細(xì)砂4種規(guī)格。其細(xì)度模數(shù)分別為：粗砂3.7～3.1mm;中砂3.0～2.3mm;細(xì)砂2.2～1.6mm;特細(xì)砂1.5～0.7mm。機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)可以通過生產(chǎn)設(shè)備控制，以滿足不同建筑工程需要。

　　3.顆粒級配

　　機(jī)制砂的顆粒級配用顆粒各粒徑的搭配比例表示。機(jī)制砂顆粒級配可以通過調(diào)整進(jìn)料級配、進(jìn)料量、破碎機(jī)轉(zhuǎn)速、篩網(wǎng)尺寸等方面實(shí)現(xiàn)。機(jī)制砂級配是影響機(jī)制砂產(chǎn)品性能的重要因素，機(jī)制砂級配改變對于其應(yīng)用性能的影響主要是由于其級配改變造成了相應(yīng)的機(jī)制砂的堆積狀態(tài)的改變。

　　4.石粉含量

　　機(jī)制砂中粒徑小于75μm的顆粒稱為石粉。在機(jī)制砂生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生一定量的石粉，這是天然砂和機(jī)制砂的主要區(qū)別之一。石粉的比表面積大，增加用水量;同時(shí)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(shí)性，所以在實(shí)際應(yīng)用中，需要掌握好石粉的用量。

　　5.有害物質(zhì)

　　機(jī)制砂中常見的有害物質(zhì)有云母、輕物質(zhì)(如樹葉、草等)、有機(jī)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(jié)理開裂，因此與水泥漿體的粘結(jié)性能差，若含量過高對混凝土和易性及砂漿抗凍性產(chǎn)生較大影響;輕物質(zhì)會(huì)增大混凝土空隙率，降低混凝土強(qiáng)度;硫化物及硫酸鹽會(huì)在混凝土硬化后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成三氧化二鐵，體積膨脹，導(dǎo)致混凝土鼓包、開裂、脫落。

　　6.堅(jiān)固性

　　機(jī)制砂在外力作用下抵抗破壞的能力用堅(jiān)固性來表示，在外力作用下質(zhì)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(huì)下降。《建設(shè)用砂》定義的硫酸鈉溶液5次循環(huán)浸泡后質(zhì)量損失不超過8%，10%;英國及歐洲標(biāo)準(zhǔn)BSEN12620：2002+AI：2008經(jīng)飽和硫酸鎂溶液循環(huán)浸泡5次后的質(zhì)量損失不超過18%，25%或35%。

　　改善機(jī)制砂混凝土和易性方法

　　機(jī)制砂顆粒尖銳、多棱角、表面粗糙，容易產(chǎn)生離析，影響混凝土的和易性。

　　1.適當(dāng)摻入細(xì)砂

　　根據(jù)使用要求的不同，適當(dāng)摻入細(xì)砂，提高混凝土中細(xì)骨料的含量。郜進(jìn)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(jī)制砂中小顆粒與水泥、水混合形成細(xì)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(dòng)性，因此在混凝土中適量摻入細(xì)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(biāo)準(zhǔn)GB/T4684-2011《建設(shè)用砂》在2002年國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4684-2001《建設(shè)用砂》基礎(chǔ)上將石粉含量3%～7%的最高限值放寬到10%。這不僅減少了機(jī)制砂的生產(chǎn)成本，還有利于機(jī)制砂混凝土的工作性能和力學(xué)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(yīng)、晶核效應(yīng)、活性效應(yīng)、保水效應(yīng)和潤滑效應(yīng)。它使?jié){體密實(shí)，孔隙率小，降低漿體周圍的實(shí)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(shí)作用，又使混凝土的物理力學(xué)性能、耐久性得到改善。

　　3.添加外加劑

　　建筑施工中常用的機(jī)制砂整體粗糙，細(xì)粉顆粒含量較少，勢必會(huì)導(dǎo)致混凝土空隙率偏大，無法形成良好的空間搭配，導(dǎo)致混凝土和易性不佳。由于中間顆粒的缺失，混凝土?xí)霈F(xiàn)不同程度的離析、泌水現(xiàn)象，且由于混凝土空隙率增加，導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。在進(jìn)行混凝土配比調(diào)整時(shí)，僅靠提高砂率和石粉含量不會(huì)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(shí)。

　　機(jī)制砂在混凝土中應(yīng)用的意義

　　1.實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置

　　機(jī)制砂可以選用巖石如石灰?guī)r，花崗石，板巖和未風(fēng)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(xiàn)象，同時(shí)由于機(jī)制砂的生產(chǎn)成本相對較低，在一定程度上大量使用機(jī)制砂代替天然砂作為混凝土骨料可以實(shí)現(xiàn)對天然砂資源的合理利用。

　　2.減少環(huán)境污染

　　2011年修訂的國家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》中增加了“礦山尾礦、工業(yè)廢渣顆粒”可作為機(jī)制砂的原材料;2020年實(shí)施的地方標(biāo)準(zhǔn)《混凝土用機(jī)制砂質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中增加了“卵石、建筑固體廢棄物”可作為機(jī)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(huán)境的污染，還能夠減少天然砂開采過程中對農(nóng)田、水源等造成的危害。

　　3.節(jié)約生產(chǎn)成本

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

　　結(jié) 語

　　綜上所述，機(jī)制砂可以很好的應(yīng)用于建筑材料中，根據(jù)工程建設(shè)的需要調(diào)整機(jī)制砂混凝土的性能，對于機(jī)制砂混凝土存在的缺陷問題，需要在確保混凝土的力學(xué)性能的基礎(chǔ)上采用相應(yīng)的方法進(jìn)行改善。