机制砂在混凝土中的应用问题浅探

陈 立，郭 鹏，唱春伟

1.中国建筑土木建设有限公司，北京 100068；2.中土木（北京）技术检测有限公司，北京 102488

由于环保压力和成本压力的持续加剧，传统混凝土的生产和使用技术走到了需要大幅度改良的关口。新理念、新方法、新材料在混凝土中的应用已成为一种趋势。其中，在混凝土中使用机制砂对天然砂进行替代，是一个持续升温的关注点［1］。而且，国内部分省市已经对此形成了地方性规范。本文即结合笔者在混凝土应用和研究方面的经验，对机制砂在混凝土中的应用原理和主要问题进行探讨。

1 机制砂与天然砂在混凝土中的作用差异

这个问题是研究机制砂混凝土的起点。从材料构成的角度，机制砂混凝土与普通混凝土之间的差别，仅为细骨料的不同而已。在现有的机制砂混凝土研究中，也通常是从将机制砂作为天然砂的替代品的角度，或采用机制砂模拟天然砂的属性的角度入手。但这个问题是值得进一步探讨的。

机制砂与天然砂的材料属性不同。机制砂是人工破碎岩石的产物［2］，天然砂是自然风化的结果。人工破碎属于物理分解，自然风化属于“物理+化学+生物”分解，两者具有完全不同的表面特征。天然砂经过长期的自然风化，表面能降低，能够在材料的混合态中稳定存在；而机制砂是瞬间破碎产生的，具有较高的表面能［3］，能够与介质材料发生相对强烈的表面反应和能量交换。因而天然砂是作为具有稳定态的独立材料发挥物理作用，机制砂则存在进行深度能量反应的潜力，发挥强烈的物理化学作用。

2 机制砂对普通混凝土力学结构的改变

机制砂作为人工破碎岩石的产物，其几何形状较之天然砂更具不规则性，粒型更趋复杂、针片状颗粒较多。机制砂这一几何特性是人工手段在成本控制的前提下无法有效改善的，对混凝土的力学结构产生了严重的影响。

普通混凝土的骨料配合比本质上是按照Fuller 曲线［4］进行设计的，考虑的颗粒为粒型相近的凸多面体，这一堆积形式中力学作用以表面摩擦和表面咬合为主。而对于针片状颗粒较多、粒型复杂的机制砂颗粒而言，并不符合理想密实堆积的边界条件，其颗粒间的力学作用以表面摩擦、体积咬合和颗粒剪力为主。这一差异导致传统的普通混凝土配合比设计方法对机制砂的局部失灵，因为机制砂实质上破坏了普通混凝土原有的内部结构统一性。在宏观上，细骨料对粗骨料空隙的填充具有非均质性，从而胶凝材料对骨料空隙的填充也将发生“块集”，成为混凝土各项性能降低的诱因。

3 机制砂对混凝土性能影响的多重性

机制砂对混凝土性能的影响并非单方面的，主要由强度影响、和易性影响、耐久性影响三方面构成，而这三方面影响并非呈正相关。

在强度方面：采用机制砂的混凝土由于细颗粒咬合力大、与胶凝材料握裹力强，在中低强度混凝土范畴内，其强度参数优于天然砂混凝；在和易性方面：采用机制砂的混凝土由于表面粗糙，在同等用量条件下，其和易性较之天然砂混凝土为差。而机制砂的表面效应，具有较强的吸水性，为混凝土带来较大的塌落度损失；在耐久性方面：由于机制砂不具有稳定的表面形态，表面能较大，能够促进表面反应，所以机制砂混凝土在同等配比用量条件下抵抗氯离子侵蚀的能力要低于天然砂混凝土。

可知，机制砂在混凝土中应用的优势主要表现在强度方面，而在和易性和耐久性方面则不能通过简单的材料替换来进行设计，需要更加严密复杂的调整机制。

4 机制砂混凝土研究方法存在的问题

机制砂混凝土的研究，在目前而言存在两个主要的误区：（1）研究者一般都是在考虑机制砂对天然砂的替代使用机制，研究的目标是通过配合参数调整使机制砂混凝土能够达到普通混凝土的性能要求；（2）机制砂的使用和机制砂的装备要求，一般重点放在磨圆度、石粉含量、针片状颗粒含量等方面，实际上就是实现天然砂的人工模拟工作。

笔者认为机制砂混凝土配合比设计，首先应该改变上述两种观念，采用以下方法：

（1）普通混凝土的内部结构，属于悬浮介质结构，而机制砂混凝土更接近于咬合嵌挤式结构。尤其是混凝土制备的早期，这种差别更加明显。天然砂主要具有填充骨料的性质，而机制砂具有结构性骨架的性质。同时，机制砂较高的表面能能够与胶凝溶解物发生渗透反应。所以机制砂混凝土应该作为一种新型混凝土材料，立足于以上三个特点，进行全新的模型研究，而不可将之在普通混凝土模型中简单套用。

（2）天然砂的材料性质是不可能通过人工模拟而短期实现的，采用天然砂的基本特征去对机制砂的参数进行约束，本身就是个伪命题。对机制砂的参数约定，应当依据机制砂在混凝土中的“填充—结构骨架”属性和“胶凝—强化”属性，考虑机制砂的混凝土结构贡献分布特征、胶凝材料作用强化特征，进行重建。

5 结论

机制砂混凝土的产生和发展，是环保压力和成本压力共同作用的结果。但如果依据普通混凝土的设计理论对机制砂进行约定，最终必要导致混凝土配合比中的胶凝材料、外加剂用量的提高，对成本控制带来相当的压力。所以，基于机制砂自身材料特征，建立相应的机制砂混凝土研究方法和设计应用理论是解决当前混凝土市场机制砂应用问题的有效途径。