張建業(yè)，顧淑英

（廣東紅墻新材料股份有限公司 廣東惠州516127）

砂石是第二大消耗資源，我國砂石骨料用量約占全世界的50%。在我國，為保護日益枯竭的天然砂資源，避免過度開采等對江河生態(tài)及防洪堤、航運等使用安全的影響，機制砂已逐漸替代天然砂應(yīng)用于混凝土。2002年時我國機制砂用量所占比重不足10%；而2013年時，機制砂所占比重已達76%［1］。2018年12月在上海召開的第五屆中國國際砂石骨料大會上，工業(yè)和信息化部提出我國砂石行業(yè)的現(xiàn)狀要求我國必須加快發(fā)展機制砂石，并需走高質(zhì)量的發(fā)展道路。

我國砂石骨料發(fā)展的迫切需求使得機制砂成為眾多學(xué)者的研究焦點。機制砂在顆粒形貌、級配特征、石粉含量等特性方面與天然砂存在的較大差異，使得眾多研究人員對其開展多方面、多維度的試驗研究，主要包括機制砂混凝土的配合比設(shè)計思路及方法、配制機制砂高性能混凝土及機制砂混凝土耐久性能研究等。文章對這3 個方面進行相關(guān)總結(jié)，旨在為機制砂的研究與應(yīng)用提供理論參考。

1 機制砂混凝土配合比設(shè)計思路及設(shè)計方法

機制砂的形貌特征、級配特點、石粉含量等與天然砂存在差異。大量研究人員對采用天然砂設(shè)計混凝土配合比的設(shè)計思路配制機制砂混凝土的適用性問題進行相關(guān)試驗驗證?，F(xiàn)階段優(yōu)化天然砂混凝土配合比的設(shè)計方法有調(diào)整漿骨比法、致密密實配合比方法等。其中使用較多的調(diào)整漿骨比法是指混凝土同時達到最優(yōu)的施工性與力學(xué)性能時膠凝材料的漿體量與骨料含量之間存在最佳的體積比，普通天然砂混凝土一般約為35∶65，而對于機制砂混凝土的合適取值，有研究表明可根據(jù)不同的水膠比范圍選取不同的最佳漿骨比，但受研究范圍所限，數(shù)據(jù)的普適性有待驗證。而對于假定容重法進行配合比設(shè)計時，田建平［2］、盧明華［3］等人的研究指出機制砂表觀密度較天然砂略高，因此采用機制砂配制混凝土?xí)r的假定容重應(yīng)比相應(yīng)天然河砂的容重高30～40 kg/m3。

尹亞柳［4］通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析出機制砂混凝土配制強度與灰水比關(guān)系公式，并得出一定水灰比條件下機制砂的砂率取值范圍。段岳強［5］對中低強度等級機制砂混凝土抗壓強度與灰水比的關(guān)系予以總結(jié)，通過線性回歸得出機制砂混凝土抗壓強度與灰水比之間的線性回歸關(guān)系。余川［6］通過對C30～C50 之間不同強度等級的機制砂混凝土回歸分析，利用最小二乘法得出機制砂混凝土的配合比計算公式。不同研究人員的計算公式如表1 所示。由表1 可以看出，不同研究人員得出的公式參數(shù)存在較大差異，這是由于不同研究人員的試驗條件、試驗所用機制砂差異等因素引起，因此公式的普遍適用性需大量試驗驗證。

表1 不同研究人員通過線性回歸得到的配制強度與灰水比關(guān)系Tab.1 Relationship between Strength and Water-binder Ratio by Different Researchers

管宇晨等人［7-12］采用傳統(tǒng)配合比計算方法，通過正交試驗優(yōu)化漿骨比、水膠比、礦物摻合料、外加劑等因素從而實現(xiàn)配合比優(yōu)化。石新橋［13］、吳茂勝［14］依據(jù)致密級配混凝土配合比設(shè)計思路設(shè)計機制砂混凝土配合比，并與采用普通混凝土配合比設(shè)計思路的同強度等級的混凝土性能進行比對，試驗結(jié)果認(rèn)為致密級配的配合比設(shè)計思路可行。朱榮軍［15］參照包裹骨料所需最小漿體厚度的配合比設(shè)計思路合理設(shè)計出機制砂混凝土配合比。于春輝［16］采用李固華教授提出的全機制砂配合比設(shè)計方法——粉體當(dāng)量體積法進行試驗配比設(shè)計，試驗結(jié)果顯示配制的混凝土性能滿足要求。

綜上所述，目前雖有研究人員提出了針對機制砂的配合比計算公式，但對公式的普適性仍需大量試驗驗證。機制砂混凝土配合比的設(shè)計仍多采用傳統(tǒng)配合比計算方法計算，而后采用不同的優(yōu)化方式予以優(yōu)化確定。而針對機制砂混凝土配合比特定的設(shè)計思路及方法仍需完善。

2 機制砂高性能混凝土試驗研究

石粉是影響機制砂配制高性能混凝土的關(guān)鍵因素，眾多研究人員對不同石粉含量的機制砂如何配制高強高性能混凝土進行相關(guān)試驗研究，并對石粉最佳含量范圍進行推薦。

田建平［2］利用石粉含量大于10%的機制砂制備C60混凝土，并對其性能進行研究，試驗結(jié)果顯示利用機制砂可以制備與天然砂性能等同的混凝土。孟亞鋒［17］等利用機制砂配制出C20～C120不同強度等級的混凝土，并采用粉料含量3.30%～17.67%的機制砂配制C60混凝土，試驗結(jié)果顯示機制砂具有廣泛的適用性。徐意［18］通過混凝土配比優(yōu)化的方式配制C100～C140強度等級的機制砂混凝土，成功應(yīng)用于四川廣安官盛渠江特大鋼管混凝土拱橋。胡曉曼［19］等采用正交試驗優(yōu)化配合比思路，采用石粉含量9%的機制砂配制C60混凝土，并與同配比的天然砂混凝土對比，機制砂混凝土的物理力學(xué)性能、耐久性能均優(yōu)于同配比的天然砂混凝土。寧晉成［20］利用石粉含量7%以下的機制砂配制出塌落度180 mm，擴展度500 mm 以上，且耐久性能優(yōu)良的C60 機制砂混凝土。張坤等人［21］采用石灰石、卵石制成的機制砂，配制C100 強度等級的混凝土，并建議可將石粉含量放寬至7%。張振升［22］成功利用篩底粉量為4.55%，亞甲藍值為1.2的機制砂配制出強度等級C90，泵送高度300 m 以上的高強超高泵送混凝土。唐明英等人［23］利用石粉含量9%～12%的機制砂配制出應(yīng)用于貴州下平川特大橋的C55 泵送混凝土。

從上述研究人員的大量試驗數(shù)據(jù)及成功應(yīng)用的工程案例可以看出，利用機制砂可配制與天然砂性能等同的高強高性能混凝土，但對應(yīng)用于高強高性能混凝土的機制砂的最佳石粉含量，不同研究人員之間存在差異，通常以10%為分界點。

3 耐久性試驗研究

直接將巖石破碎制備的機制砂石粉含量最大可達20%。機制砂高石粉含量的特點，使得機制砂混凝土耐久性能與天然砂混凝土存在差異。胡蝶［24］通過干濕循環(huán)試驗與長期浸泡試驗，對機制砂配制的不同強度等級混凝土進行抗氯離子滲透性能試驗，試驗結(jié)果顯示在中低強度等級的混凝土中，石粉含量在一定范圍內(nèi)時可增強抗氯離子的滲透性能；而對于高強混凝土則作用不明顯。喬宏霞等人［25］采用干濕循環(huán)的試驗方法對玄武巖機制砂配制的混凝土進行硫酸鹽侵蝕試驗，試驗分析認(rèn)為玄武巖機制砂混凝土的侵蝕產(chǎn)物主要為石膏。玄武巖機制砂混凝土的外觀侵蝕與內(nèi)部裂縫較天然砂混凝土輕微，即相比于天然砂混凝土，玄武巖機制砂混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力較強。田建平［2］的研究結(jié)果顯示石粉含量對C60機制砂混凝土的抗氯離子滲透性能影響不明顯；單對混凝土收縮性能的影響存在臨界值，為7%；試驗數(shù)據(jù)如圖1所示。謝華兵［26］通過顆粒粒形綜合指數(shù)，評判不同巖性機制砂粒形的優(yōu)良，提出相同配合比下粒形綜合指數(shù)高的石灰?guī)r機制砂制備的混凝土抗氯離子滲透性更好，抗碳化能力更優(yōu)異。王雨利［27］、趙社民［28］認(rèn)為在相同膠凝材料用量、相同水膠比及相同石粉含量情況下，機制砂母巖類別對機制砂混凝土抗凍性能基本沒有影響，試驗結(jié)果如表2 所示。蔣翊［29］分析不同水平水膠比、礦物摻合料摻量、機制砂替代率等因素對機制砂混凝土抗氯離子性能的影響，認(rèn)為礦物摻合料、水膠比是主要因素，而機制砂替代率為次要因素。

圖1 C60混凝土：不同石粉含量收縮性能隨齡期變化曲線［2］Fig.1 C60:The Curve of Shrinkage with Different Age［2］

表2 不同巖性機制砂混凝土抗凍性能比較［28］Tab.2 Comparison of Frost Resistance of Concrete with Manufactured Sand［28］

綜上所述可以看出，機制砂混凝土具備優(yōu)異的耐久性能是機制砂成功替代天然砂應(yīng)用于混凝土的關(guān)鍵。機制砂混凝土可具備良好的耐久性能，甚至在特定環(huán)境下優(yōu)于天然砂混凝土。

4 結(jié)語

隨著機制砂石骨料應(yīng)用比例的不斷提高，機制砂石骨料行業(yè)已成為產(chǎn)業(yè)體系的重要組成部分。目前，從已開展的試驗研究來看，主要存在以下問題：

⑴機制砂來源的廣泛，造成不同地域研究人員對機制砂的試驗研究具有地域性，由此機制砂標(biāo)準(zhǔn)化仍需系統(tǒng)研究；

⑵機制砂專屬的性能測定方法仍需摸索完善；

⑶適用于機制砂混凝土的特定配合比設(shè)計方法需要大量試驗驗證；

⑷機制砂混凝土耐久性問題仍需要大量試驗考察。