0引言

砂作为混凝土重要组成部分，其用量随混凝土用量的增加逐年增长，导致天然砂供不应求，而天然砂是混凝土用砂的主要来源。由于天然砂过度开采引发的资源危机和对生态环境的破坏日渐显著，考虑到混凝土材料未来的可持续发展，采用机制砂替代天然砂是解决混凝土用砂短缺的有效途径。

机制砂的来源十分广泛，通过对矿山岩石、尾矿以及工业废渣等进行处理均可得到。与天然砂相比，机制砂的颗粒形状、表面纹理及粗糙度、级配和微粉含量截然不同，其具有外形有棱角、表面结构更粗糙及微粉含量更高的特点，且由于制造工艺的不同，使得机制砂颗粒的特性存在一定差异，对混凝土工作性能、力学性能会产生不同的影响。目前，机制砂对混凝土各项性能的影响已有大量的研究，但部分性能受机制砂的影响仍存在差异，且机制砂的作用机理尚不清楚。本文简要介绍了机制砂的特性及其对混凝土工作性能及强度的影响，并指出了机制砂在混凝土中应用存在的问题及改进措施。

1机制砂特性的关键参数

机制砂是采用多重破碎工艺得到，因此影响机制砂特性的参数较多。其特性参数主要包含颗粒级配、颗粒形状、细度模数、微粉含量、空隙率、表观密度、堆积密度、亚甲蓝值（MBV）和压碎值等指标。机制砂特性参数与天然河砂的区别主要为颗粒特征、微粉含量、MBV和颗粒级配，目前机制砂的颗粒级配对混凝土性能的影响、机理及其优化研究相对较少。

1.1颗粒特征

机制砂在破碎过程中由于母岩成分和破碎比的差异，机制砂颗粒通常表现出独特的几何特征：棱角锋利、表面粗糙，如图1所示。

但有研究认为，机制砂表面粗糙度低于河砂，主要原因为机制砂表面由光滑的新破碎晶体组成，且破碎工艺的不同导致岩石切断面的粗糙程度不同。将天然砂与机制砂的颗粒形状参数进行对比发现机制砂平整度降低11.5%，颗粒形状参数降低19.3%，球度降低14.8%。粗糙的机制砂颗粒可以产生临界状态摩擦角，成角状态能够增强浆体与骨料之间的互锁结构，进而增强混凝土力学性能，其界面形貌如图2所示。

机制砂与浆体界面形成了紧密包裹结构，而天然河砂与浆体界面存在较为明显的孔隙，为CH、AFm和AFt的结晶和生长提供了更多的空间。机制砂与浆体的界面过渡区的自由空间较少，具有更高的粘结力，骨料、浆体的致密程度明显高于河砂。机制砂的颗粒形状与表面特性不仅影响了浆体界面过渡区的密实程度，也是决定混凝土配合比用水量的重要因素，颗粒的比表面积越大，影响越大，尺寸为4.75～2.36mm的颗粒对混凝土性能的影响最为显著。

1.2微粉含量

机制砂在生产过程中必然会产生大量的小于75μm的微粉，高于天然河砂。微粉的数量和质量会显著影响机制砂混凝土性能，微粉含量过高会导致混凝土性能降低，适量的微粉可改善混凝土的骨料活性及微观结构，从而提高混凝土宏观性能。目前，常见的采用矿山岩石破碎的机制砂母岩通常为石灰岩，砂中的微粉即为石灰石粉，而石灰石粉在水泥基材料中具有填充效应、晶核作用及化学作用三大效应。石灰石微粉能够填充水泥基材料孔隙，提高基体的密实度，有利于水泥基材料性能的提升。

在静电力作用下，石灰石微粉颗粒表面能够定向吸附液相中的Ca²⁺，为水泥的水化产物提供成核位点，有效分散水化产物的沉积聚集，避免其对未水化水泥颗粒的包裹和覆盖，提高水泥颗粒的水化程度，促进胶凝体系的水化反应。石灰石微粉中的CaCO3能够与单矿C₃A发生缓慢反应，生成单碳型和半碳性水化碳铝酸钙，促进了产物之间的桥接，使水泥石微观结构更加致密。石灰石微粉含量较高时，其稀释作用导致水化产物量的减少会引起混凝土微结构的破坏及性能的劣化。因此，机制砂混凝土的制备需要通过合理的配合比设计控制其在混凝土中带入的微粉含量，以保证混凝土质量满足规范要求。

1.3  MBV

在机制砂中，通常采用亚甲蓝值来表征机制砂微粉中粘土的含量，亚甲蓝试验能有效检测小于75μm的物质主要是石粉还是粘土。粘土与微粉具有相同的粒径范围，但由于它增加了混凝土用水量，降低了水化产物物相的性能，从而降低混凝土的坍落度、强度和耐久性，因此被认为是一种有害物质。

根据JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》亚甲蓝合格值的规定，机制砂中的含泥量应控制在1%（占机制砂总量）之内。机制砂混凝土的制备需考虑MBV值的大小，而粘土主要存在于微粉中，因此在对机制砂混凝土进行配合比设计时，也要合理调控微粉含量。现有的机制砂研究并不能将粘土与微粉区分开，有些甚至将部分微粉作为粘土，从而导致了实际工程中对机制砂微粉含量的要求过高，极大地制约了机制砂的应用和发展。

2机制砂对混凝土性能的影响

2.1工作性能

机制砂混凝土的工作性能与其微粉含量、MBV、颗粒特性等参数紧密相关。Zhu研究发现，机制砂微粉的加入增大了水泥浆体的屈服应力，由于微粉的比表面积较高，降低了浆体的平均表面覆盖率，增加了相互接触颗粒的数量和有效体积分数，从而增强了胶体间的相互作用。适量的微粉可以增加机制砂混凝土中的浆体含量，从而改善混凝土流动性，降低浆体屈服应力，微粉含量过高对流动性产生不利影响。

与天然砂相比，在不掺加外加剂的条件下，若要保持混凝土坍落度不变，机制砂混凝土的需水量要高于天然砂混凝土。这是由于机制砂颗粒表面粗糙、棱角锋利、圆度低，颗粒之间相互摩擦和阻碍，因此需要更多的水泥浆体进行包裹和润滑，且机制砂颗粒表面有一定量的开孔和裂纹，会吸收更多的水分，此外微粉含量较多，比表面积大，吸水量较大，进一步增加了混凝土的用水量。

粘土颗粒相比微粉更细，粘土与微粉对机制砂混凝土流动性的影响不同。相关研究表明，机制砂微粉含量高于5%，MBV在0～3g/kg范围时，混凝土坍落度较大，在一定范围内，混凝土流动性随微粉含量的增加而增加，随MBV的增加而降低。低MBV的微粉含水量较低，降低了外加剂的吸附性，因此增加微粉含量就增加了浆体含量，提高了流动性。当MBV大于7g/kg时，微粉含量的增加对混凝土流动性会产生不利影响。因此，MBV小于7g/kg、微粉含量在15%～20%之间的机制砂混凝土具有较好的工作性能。

水泥砂浆的工作性能与砂的堆积分数有关，机制砂颗粒特征（几何特性、颗粒大小）与浆体塑性黏度的关系表现为颗粒的堆积分数和比表面积对黏度的影响。因此，颗粒形状对砂浆流变性能的影响可通过颗粒堆积进行表征，由于机制砂颗粒形状较差，堆积分数通常比河砂低，通过增加浆体体积，可以消除或显著减少由于颗粒形状不佳引起的骨料堆积分数降低而造成的负面影响，要使机制砂砂浆具有足够的流变性，需要较大的浆体体积。机制砂与球形颗粒对不同砂粒体积分数浆体塑性黏度的影响如图3所示。

所有浆体塑性黏度均随砂粒体积分数的增加而增加，且在不同砂粒体积分数下，含机制砂浆体表现出比含球形砂的浆体更高的塑性黏度。机制砂对水泥砂浆塑性黏度的影响表现为颗粒形状效应，颗粒尺寸越小，浆体的塑性黏度越大。Westerholm等人测量了不同机制砂砂浆的流变性能，发现随着机制砂颗粒尺寸变得越来越细长，砂浆的塑性黏度增加了约3倍，其主要原因为非球形颗粒之间物理干扰的增加。

2.2强度

机制砂粗糙的表面和锋利的棱角能够改善骨料与浆体间的粘结性能，且粗颗粒与水泥浆体的胶结效果相对较好，更有利于改善混凝土强度。当MBV在0～7g/kg范围时，机制砂混凝土28d抗压强度随微粉含量的增加而增加，MBV为10～14g/kg时，混凝土抗压强度明显高于MBV为0～7g/kg（微粉含量小于5%）时的抗压强度。当微粉含量高于15%时，较高的MBV会导致抗压强度的降低。在机制砂混凝土中，当MBV不超过7g/kg时，可以增加微粉含量以提高抗压强度，但随着MBV的增大，微粉掺量需要进行相应的调整，详见图4。

与天然砂相比，机制砂使混凝土3d、28d抗压强度均略有提升，其主要原因得益于机制砂的颗粒特征。由于机制砂表面粗糙、棱角锋利，能够改善骨料与水泥浆体之间的粘结性能，砂粒间的桥接、摩擦和阻碍作用改善了硬化混凝土的内应力分布，进而可以提高混凝土的抗压强度，详见图5。

3机制砂混凝土存在的问题

（1）由于生产工艺上的缺陷，导致机制砂具有级配差、石粉

含量不稳定、亚甲蓝值大等缺点，限制了其大规模应用。因此，

如何降低机制砂对混凝土性能的不利影响，是目前机制砂混凝

土可持续应用的关键问题。

（2）机制砂混凝土部分性能的劣化与机制砂特性具有直接

关系，机制砂中包含了骨料和接近于胶凝颗粒的微粉，而针对

不同机制砂颗粒特性及骨料与胶凝组分连续级配的配合比优

化设计仍显不足。

4改进措施及结论

4.1改进措施

（1）针对机制砂颗粒特性的改善可从其传统生产工艺上进行改良，如增加整形机优化机制砂粒形，采用高效气体选砂机控制机制砂的微粉含量。

（2）机制砂的原料主要有矿山岩石、工业废渣和尾矿，其产生的微粉大多为钙质或硅质，若发挥微粉的化学作用，可采用碱激发材料促进微粉的反应，为水泥基体提供更多有利产物。

（3）生产工艺不同的机制砂的颗粒级配、粒径分布存在差异，若要得到较优级配的机制砂，可采用不同工艺的机制砂进行复配使其达到连续级配，以改善混凝土工作性能。

（4）机制砂中的微粉能够填充混凝土内部孔隙，增加密实程度，在配合比设计中应充分考虑微粉含量以保证混凝土的最佳密实结构，可将微粉作为胶凝组分，并考虑砂的粒径分布，采用紧密堆积原理对胶砂体系进行配合比优化。

4.2结论

（1）机制砂的颗粒形状主要表现为棱角锋利、表面粗糙、圆度低，会导致混凝土用水量的增加，混凝土堆积密实度的降低。但其特有的颗粒特征能够改善骨料与浆体间的粘结性能，提高混凝土的抗压强度。

（2）亚甲蓝值的增加对混凝土工作性能和力学性能具有不利影响，适量的微粉含量能够改善混凝土性能，MBV小于7g/kg、微粉含量在15%～20%之间的机制砂混凝土具有较好的流动性和较高的抗压强度。

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