機制砂作為天然砂的優(yōu)良替代品，是混凝土工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。文章通過對機制砂的特性、石粉對機制砂混凝土性能的影響、機制砂混凝土的性能等現(xiàn)狀研究予以評述，并對未來研究做出展望，旨在為混凝土行業(yè)的綠色低碳發(fā)展提供理論參考。

　　1 、引言

　　當(dāng)前我國混凝土材料的制備多使用河砂，然而河砂作為一種地域資源，具有短時間內(nèi)不可再生的特征，并且隨著我國對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的愈加重視，天然砂的開采受到嚴(yán)格限制。其中，某些區(qū)域存在少砂甚至無砂的狀況，只可采取遠(yuǎn)途運輸或者尋找其他材料替代的方法制備混凝土，嚴(yán)重制約了混凝土相關(guān)行業(yè)的建設(shè)發(fā)展。因此，采用人工制砂的方法勢在必行。隨著機制砂材料的來源途徑愈加豐富、制備工藝愈加成熟，制備高抗?jié)B透性、高強度、高耐久性和高穩(wěn)定性的機制砂混凝土得到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注，對其持續(xù)的動態(tài)關(guān)注具有十分重要的意義。基于此，本文首先從機制砂的特性入手，評述了石粉對機制砂混凝土性能的影響以及機制砂混凝土的性能，依此做出未來展望。

　　2 、機制砂的特性

　　機制砂是由人工使用專業(yè)研磨設(shè)備制作而成，砂粒的粒徑可根據(jù)具體的使用需求而改變，但大多數(shù)小于5mm。與天然砂相比，機制砂的級配較差，呈現(xiàn)出兩端多中間少的特點，砂粒粒徑大多以大于2.36mm和小于0.075mm為主，經(jīng)過水洗等工序之后，粒徑小于0.6mm的顆粒會再次減少，使得由機制砂制備的混凝土混合物的性能降低[1]。為減少此種情況的發(fā)生，可通過使用擊碎設(shè)備、調(diào)整制備條件等措施改善，避免出現(xiàn)機制砂混凝土制備過程中的和易性差、外觀不佳、質(zhì)量低下等問題。此外，由于是機械加工而成，機制砂的表面往往粗糙不堪、棱角分明，與同樣級別的天然砂相比其空隙率更高，因此更易于細(xì)骨料、水泥砂漿等材料的黏結(jié)，進(jìn)而提高機制砂混凝土的強度和穩(wěn)定性，同時也會因混合物屈服應(yīng)力的增大而降低和易性。由于人工制作的機制砂中含有一定量的石粉，雖然其顆粒粒徑與泥的粒徑相差無幾，但因組成成分不同，對混凝土拌合物的性能產(chǎn)生了不同的影響。適量的石粉可起到連接水泥與砂的作用，填充彼此之間的空隙，增強混凝土的整體性，而泥會阻礙砂料與水泥的黏結(jié)，造成混凝土的黏結(jié)性較差。要解決上述機制砂混凝土性能較差的問題，需要保證機制砂材料的質(zhì)量，可通過選擇良好的制砂設(shè)備與原材料、合理的制砂工藝、成熟的制砂技術(shù)等途徑實現(xiàn)。

　　與天然砂相比，機制砂具有以下優(yōu)勢：(1)機制砂可根據(jù)不同的工程使用要求量身定做，其級配經(jīng)過專業(yè)研磨之后可滿足不同的使用需求;(2)經(jīng)過河水、雨水的長期沖刷，天然砂的表面更為光滑，而機制砂較之更為粗糙，在混凝土拌合物制作過程中可最大限度地填充空隙，使不同的材料更好地黏結(jié)在一起，混凝土的和易性得到提高;(3)由機制砂制備的混凝土，其抗壓、抗拉性能均強于天然砂制備的混凝土，干縮率則小于天然砂混凝土;(4)機制砂的制備可使用廢棄混凝土或碎石，實現(xiàn)了廢棄資源的再利用，更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，與當(dāng)前碳中和及碳達(dá)峰的國家發(fā)展戰(zhàn)略相吻合。但同時也存在一些缺陷，包括由0.075mm以下的機制砂制備的混凝土強度較低，混凝土表面的光澤、紋理等不均勻[2]。

　　3、 石粉對機制砂混凝土性能的影響

　　機制砂在生產(chǎn)過程中受到制備工藝及原材料等因素的限制，難免會產(chǎn)生一定量的石粉。相對于天然砂中的泥質(zhì)，石粉中的雜質(zhì)較少，其主要礦物成分與機制砂母巖相同，主要區(qū)別在于顆粒粒徑大小的不同。當(dāng)前學(xué)術(shù)界對于不同石粉含量是否會對機制砂混凝土的性能產(chǎn)生影響尚無定論，部分學(xué)者認(rèn)為石粉含量的增高會加大混凝土拌合物的比表面積，增大需水量，進(jìn)而影響混凝土的強度和濕度。另有學(xué)者認(rèn)為由于石粉填充了漿體之間的空隙，降低了混凝土攪拌過程中的摩擦力，從而改善了混凝土的流動性能，減少混凝土水分的離析現(xiàn)象。但可以明確的是，石粉含量的配比存在一個臨界點，當(dāng)超過或者低于此臨界點，混凝土的和易性將變差。因此，當(dāng)前研究需著眼于不同石粉含量配比對混凝土拌合物性能的影響上，通過研究最佳石粉含量配比，將石粉材料的優(yōu)勢最大化。

　　4、 機制砂混凝土的性能研究

　　由人工制備而成的機制砂相異于天然砂，決定了機制砂混凝土與天然砂混凝土性能上的差異，并主要表現(xiàn)在強度、抗?jié)B性和穩(wěn)定性方面。

　　4.1 、機制砂混凝土的強度

　　多數(shù)學(xué)者認(rèn)為機制砂混凝土的強度要優(yōu)于天然砂混凝土，王稷良[13]通過試驗對比了天然砂與機制砂的級配值，試驗結(jié)果表明，與天然砂混凝土相比，機制砂混凝土的強度要高出2MPa，巖性的不同會造成機制砂混凝土強度的不同，究其緣由，周明凱等人[14]認(rèn)為機制砂中的石粉增強了混凝土的保水性，在水化反應(yīng)中起到晶核作用和集料填充作用，有效提高混凝土的強度。安文漢等人[15]則認(rèn)為使用機制砂可以增強混凝土的強度，原因在于石粉可以明顯改善混凝土聚合物的孔隙率，使其晶相產(chǎn)生一定的改變。然而，其他學(xué)者提出了不同的觀點，李拖福等人[16]認(rèn)為石粉含量過多或過少都會對混凝土的強度產(chǎn)生不利影響，最佳摻量是控制在13%～17%之間。E.L.Dukatz等[17]認(rèn)為當(dāng)石粉含量到達(dá)7%時，機制砂混凝土的抗壓強度明顯高于天然砂混凝土。S.Takami[18]研究得出混凝土的力學(xué)性能隨著石粉細(xì)度的提高而增強。蔡基偉等[19]通過使用石粉制備中低強度混凝土，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，在單位水泥用量較少的情況下，石粉對機制砂混凝土強度的貢獻(xiàn)更加突出。崔洪濤[20]研究了不同石粉摻量對機制砂混凝土抗壓及抗折性能的影響，結(jié)果表明，機制砂混凝土的強度與石粉摻量成正比，尤其在混凝土拌合物反應(yīng)的早期階段。Bonavetti等人[21]的試驗研究表明，當(dāng)石粉摻量在20%以內(nèi)時，混凝土的抗折強度隨摻量增加而增強。然而，當(dāng)石粉含量超過21%時，混凝土的密實性與和易性會變差，過多的石粉會使水泥漿體的強度降低，從而造成機制砂混凝土的強度減小[22]。J.K.Kim等人[23]的研究顯示機制砂的摻入可提高機制砂混凝土的抗斷裂性能，石粉有效提高了漿體與骨料之間的粘結(jié)度。

　　4.2、 機制砂混凝土的抗?jié)B性

　　毋庸置疑，機制砂混凝土的抗?jié)B性取決于混凝土的密實程度，密實程度的提高會相應(yīng)地提高混凝土的抗?jié)B性。Tahir Celik[24]認(rèn)為，石粉是影響機制砂混凝土密實程度的重要因素，機制砂中的石粉可加速水泥的水化作用，阻礙了空隙與滲水通道之間的連接，石粉含量越大，阻礙作用越強，機制砂混凝土更加密實，從而提高其抗?jié)B性。其他學(xué)者則認(rèn)為石粉能加速C3S的水化反應(yīng)，并與C3A、C4AF反應(yīng)生成結(jié)晶水化物，從而改善了機制砂混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。張廣林等人[25]試驗對比了不同粉煤灰摻量對C50機制砂混凝土的抗?jié)B性能影響，結(jié)果表明，當(dāng)粉煤灰含量在15%左右時，機制砂混凝土的抗?jié)B性能達(dá)到最佳狀態(tài)。但有學(xué)者提出了相反觀點，如洪錦祥等人[26]認(rèn)為等質(zhì)量的石粉取代水泥會降低混凝土的抗?jié)B性能，究其緣由在于，石粉既不是惰性材料，也非膠結(jié)材料，而是粒徑較小的微集料，雖然可以優(yōu)化機制砂混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，但會造成水化產(chǎn)物的減少，機制砂混凝土的密實性就會變差。因此，隨著石粉含量的增加，混凝土拌合物中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)會變大，機制砂混凝土的抗?jié)B性能就會不斷降低。隨著我國大型水利設(shè)施、防汛抗洪設(shè)施以及海洋工程建設(shè)的增加，對機制砂混凝土抗?jié)B性能的要求會不斷提高。

　　4.3 、機制砂混凝土的穩(wěn)定性

　　機制砂混凝土的穩(wěn)定性受到多重因素的影響，試驗數(shù)據(jù)的不同會造成機制砂混凝土生化規(guī)律的不同。在石粉含量方面，吳明威等人[27]試驗了0.08mm石粉對機制砂混凝土的影響，石粉含量越大，收縮越小，且比天然砂混凝土的收縮值小。然而其他學(xué)者提出了不同結(jié)論，李興貴等人[28]的試驗表明，當(dāng)石粉含量在12%以內(nèi)時，機制砂混凝土的干縮率增長緩慢，當(dāng)含量超過12%時，干縮率增長迅速，原因在于粒徑小于0.075mm的石粉顆粒可增加水泥漿的含量。彭仁琛[29]試驗了C35混凝土的收縮性能，提出石粉摻入越多，水泥漿體受到的收縮約束越小，混凝土的收縮率變大。D.P Bentz等人[30]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)石粉含量達(dá)到15%時，機制砂混凝土的干縮率會降低，但強度幾乎沒有發(fā)生變化。機制砂混凝土的穩(wěn)定性除了與石粉含量有關(guān)，還受到混凝土齡期的影響，田建平等人[31]以C60機制砂混凝土為研究對象，試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土早齡期(14d以前)的收縮率隨著石粉含量的增加而增長;14d以后，當(dāng)石粉含量在7%以內(nèi)時，混凝土各齡期的收縮率與石粉含量成正相關(guān)，超過7%時，混凝土各齡期的收縮率與石粉含量成負(fù)相關(guān)。段瑞斌等人[32]試驗對比了90d齡期的機制砂混凝土和岳陽砂混凝土的收縮性能，結(jié)果表明兩者差距甚小。李晶[33]的研究表明當(dāng)石粉外摻量小于15%時，石粉會顯著抑制機制砂混凝土的收縮反應(yīng);當(dāng)石粉內(nèi)摻時，機制砂混凝土的收縮程度會不斷增大。

　　5 、研究評述與展望

　　隨著我國一帶一路的大規(guī)模建設(shè)，對機制砂混凝土的需求越來越大，不同屬性特征的項目對機制砂混凝土的特性提出了更高要求。當(dāng)前對于機制砂混凝土特性的研究多局限于石灰?guī)r這一材質(zhì)，對其他巖性機制砂研究較少。另外，對高強度高性能機制砂混凝土的研究相對不足，對影響高性能機制砂混凝土的參數(shù)指標(biāo)及相互關(guān)系缺乏實證研究，有待于進(jìn)一步完善。綜合上述內(nèi)容，未來機制砂混凝土的相關(guān)研究可在以下幾個方面進(jìn)行拓展：

　　(1)不同性能機制砂混凝土的比較研究;

　　(2)采用多種指標(biāo)系數(shù)對石粉的特性進(jìn)行實證;

　　(3)如何在增加石粉摻量以提高機制砂混凝土強度的情況下，滿足泵送要求，使其具備更好的工作性能，尚需要進(jìn)一步研究;

　　(4)系統(tǒng)配制并構(gòu)建機制砂混凝土的配合比設(shè)計體系。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]劉貞鵬.王晶陸芳,等機制砂及機制砂混凝土研究應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J]黑龍江交通科技2017.40(02):20-21.

　　[2]袁霞機制砂的研究現(xiàn)狀[J].工程技術(shù)研究, 2020, 5(02)-:127-128.

　　《機制砂混凝土的特性及研究進(jìn)展》來源：《安徽建筑》，作者：方劍