机制砂质量指标及对混凝土性能的影响分析

何少将

（中国水利水电第十六工程局有限公司，福建 福州 350000）

0 前言

社会经济的发展给我国的基础设施建设带来了很大的挑战，在基建的过程中，混凝土骨料等材料的需求量也随之上升。随着工程的建设，天然砂资源也逐渐减少，混凝土的用砂量需求逐渐无法得到满足，这是工程的建设进度受到很大的影响。与天然砂相比，通过机器对岩石进行破碎，得到一定级配的机制砂，所以为了对其级配以及石粉含量进行改进，施工人员可以通过调整制砂机的参数进行调节。除此之外，在生产、、施工及运输机制砂的过程中，环境的污染也比较少，因此在欧美等发达国家为了满足工程的需求，对天然砂进行保护，应该制定了相对完善的规范用于机制砂的生产。本文首先概括了国内外对机制砂的相关规范，然后描述了机制砂的质量指标和混凝土质量的关系，并提出相应的措施进行改进，使混凝土的施工质量得到提高。

1 机制砂的相关定义

对比我国与国外的标准和规范可以看出，在对机制砂进行定义的过程中，不同国家有着不同的标准，我国不同地区的定义也不尽相同，表1为不同规范中的定义。

表1 不同标准规范中有关于机制砂的定义

2 质量指标

根据以往的经验，机制砂的质量指标主要有：第一，机制砂的形貌，比如表面粗糙度以及粒形等特征；第二，机制砂中的石粉含量指标。

2.1 颗粒形貌特征

在生产机制砂的时候，母岩和生产工艺都不一样，从而导致生产出的机制砂具有不规则、表面粗糙有棱角的特征，与此同时，颗粒的比表面积大且内部的裂纹比较多。通常情况下，冲击式、锤式破碎机生产效果比辊压式、圆锥式以及反击式破碎机生产的效果好。

因为机制砂的颗粒形状极其不规则，所以无法正确的对其表征进行描述，虽然在相关的规范中主要总结了流动时间法和间隙率法两种细骨料棱角性试验，但是试验的误差较大，所以近几年为了更准确的对其棱角性进行分析，通常会采用DIP（数字图像处理技术）。DIP 技术主要使用正面投影技术分析颗粒的轮廓图像，对半径比、长宽比以圆球度等相关的参数进行分析，从而对粒形表征进行描述。使用DIP 技术对圆锥破碎、冲击破碎机制砂以及天然河砂的长宽比和圆球度进行比较可以看出，使用圆锥式破碎机制得的机制砂颗粒棱角最多、长宽比最大以及圆球度最小的特点。

在对评价指标进行量化的过程中有效的融入数字图像分析技术，可以使结果更加的科学严谨，但是在实际的使用过程中存在所研究的对象较少、操作复杂且代表性差的缺点，因此通常情况下施工人员还是会选用细集料片状颗粒含量测定法对其进行测评。

2.2 石粉含量

不同国家对石粉含量的最高限值的规定也是不一样的，表2为不同地区的石粉含量的最高限值，从表2中我们可以看出，由于国家不同导致工程的施工措施不同，所以在对石粉含量进行计算的过程中，所考虑的影响因素也不一致，这就使石粉含量的最高限制存在差异，表中可以看出我国的石粉含量最高值是10%，欧洲为22%。

表2 石粉含量最高限值

3 质量指标对混凝土性能的影响

3.1 颗粒形貌的影响

由于机制砂的颗粒具有较多的棱角，所以各个颗粒之间具有较大的咬合力，颗粒之间的碰撞会使混凝土的工作性降低。当机制砂的粒级为2.36mm 时，混凝土的流动性与颗粒形状的规则性息息相关。由于其表面的棱角多、粗糙且含有较多的针片状颗粒，所以在混凝土配置的过程中需要加入更多的水泥浆体，才能使混凝土的性能得到保障，一旦水泥浆体过少就可能出现离析的现象。

在混凝土的生产过程中如果使用机制砂作为原材料，其生产出的混凝土比河砂拌制的混凝土强度高，产生这种结果的原因主要有：第一，机制砂的表面比较粗糙，从而使混凝土界面的黏结力增加；第二，在混凝土的高碱环境中，由于CaCO3是机制砂的主要成分，因此其可以有效的促进C3A 及C3S 的水化。除此之外，在砂的堆积过程中，堆积状态主要取决于颗粒的形貌，在水泥砂浆将空隙填充完成后，混凝土体系的密实度就会相应的增加，进而提高混凝土的抗压强度。但是部分学者则人为颗粒表面越光滑，混凝土拌合物的性能就越好，因此机制砂的粒形对混凝土性能的影响作用还需要更加深入的探讨。

3.2 石粉含量的混凝土性能的影响

由于母岩种类的不同，其产生石粉的成分及岩性都不进相同，导致混凝土的水化作用有很大的差异。根据经验可知，石灰岩是我国生产机制砂的主要材料，因此本文着重研究石灰石粉。

（1）对混凝土工作性的影响

虽然石粉可以有效的提高混凝土的粘聚性和保水性，是混凝土的离析心现象得到改善，但是如果混凝土中石粉含量过高，就会产生干稠的现象。部分学者认为，在混凝土的生产过程中石粉的掺量存在一个临界值，当石粉掺量在临界值以内，其可以使混凝土的流动性得到增加，但是石粉掺量超过这个临界值，拌合物的黏聚性就会增加，从而使混凝土的流动性降低。因此我们可以将机制砂中石粉的含量对混凝土工作性的影响分为负效应和正效应两种：负效应是指混凝土中的水分会被石粉吸收，导致混凝土拌合物的需水量增加；正效应使指在石粉会包裹着机制砂，使其形成浆体，进而减小颗粒中的摩擦，改善机制砂在粒形上的不足，当负效应小于正效应的时候，石粉的含量不利于混凝土的工作性，反之则有利于。当混凝土为中低强度的时候，石粉增加浆体含量，使混凝土的工作性得到提高；然而当混凝土的强度较高时，因其水灰比小，拌合物中胶凝材料用量多，所以不需要石粉改善混凝土的泌水现象，因此当石粉较多的时候，会吸收水分，使水泥水化反应无法正常进行，流动性降低，最终使混凝土的强度降低。

综上，在混凝土的施工过程中，应该根据强度等级的不同对石粉含量的临界值进行界定，使其有助于提高混凝土的工作性。

（2）对混凝土力学性能的影响

第一，因为石粉的细度比较小，所以其可以起到一定的填充作用；第二，在混凝土材料体系中，石粉具有一定的水化活性，而且其水化所产生的产物结构密实。在混凝土拌合的早期，石灰石粉可以加快水泥的水化反应，有效的提高混凝土和砂浆的早期强度，但是由于石粉缺少活性效应，导致混凝土在90d 后强度增加变慢，因此部分学者认为当石粉的含量小于13%的时候，混凝土后期的强度增加才不会受到影响。

综上，在混凝土早期水化的过程中，石粉可以有效的促进其水化速度，提高早期强度，但是对后期强度的提高还需要更加深入的研究。

（3）对混凝土耐久性能的影响

微活性作用、化学作用、填充作用以及晶核作用都是石粉在水泥基材料中的作用，因此石粉可以影响到混凝土的耐久性能。石粉所存在的晶核效应可以有效的提高水泥的水化速度，有利于C-S-H 凝胶等产物的析出，使混凝土的密实度得到提高，混凝土的抗渗等级增加，最终减小氯离子的扩散系数。在低强混凝土中，将石粉量从0 提高到20%，可以使氯离子的渗透阻力增大，使混凝土的抗冻性降低；在高强混凝土中，将石粉的掺量从0 增加到15%，混凝土的抗冻性并不会受到影响。当水灰比不变时，石粉的含量越高，混凝土的抗硫酸盐能力就越低。使用石粉代替部分水泥进行试验可以看出，石粉可以抑制碱骨料的反应。在混凝土中，石粉的活性小，体积稳定且细度小，所以其可以起到一定的分散和填充作用，使混凝土的收缩减小。在机制砂所制成的混凝土中石粉的含量一般不小于7%，早期的干缩值要比河砂混凝土大，但是在后期影响并不大，甚至还有所降低。

综上，在一定范围内，石粉含量增加可以使混凝土的抗氯离子渗透性增加，减少碱骨料的反应，但是其并不利于抗硫酸盐侵蚀能力的提高。

4 结论与建议

到目前为止，对机制砂的定义的过程中，各国家并不统一，而且在检验机制砂形貌的过程中缺乏简便有效的方法，且缺乏机制砂对混凝土耐久性的影响的研究，就以上几点提出如下建议：

（1）在混凝土的拌合过程中应该考虑机制砂的产品特点、生产工艺以及原材料等因素，在选择机制砂的原材料时可以考虑废弃石块、混凝土废弃物等建筑垃圾，实现可持续发展。

（2）相关研究人员应该重视机制砂石粉含量以及形貌特征对混凝土耐久性的影响，确保机制砂混凝土的质量。