1.湖北省城建设计院股份有限公司；2.武汉理工大学材料科学与工程学院；3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室
摘要：混凝土被公认为是目前最大宗的建筑材料，然而其传统的细骨料——天然砂资源总量日趋下降，因此机制砂替代天然砂成为水泥混凝土产业的发展必然趋势。文中主要论述了机制砂的特性及生产现状，机制砂应用在混凝土中主要质量指标的控制以及机制砂在高性能混凝土中的应用。本文可为推动机制砂在我国混凝土领域的广泛应用起到一定参考作用。
关键词：机制砂；石粉含量；级配；颗粒形状；高性能混凝土
引言
随着我国土木建筑规模和水平的讯速增长，对水泥混凝土消耗量的日益增大，作为其原料之一的天然砂细集料越来越面临着市场“供不应求”的紧张状态[1]。2018我国新建各种水泥混凝土工程约62亿方，经推算需要的细集料——砂约42亿吨（28亿方），砂是人类开采量最大的自然资源之一。我国天然砂资源总量日趋枯竭，且开采过程会造成严重的生态环境破坏；同时作为一种分布极不均衡的短期内不可再生资源，天然砂的应用受到极大的地域限制；近年来随着人们环保意识的提高和可持续发展的重视，长江、淮河等主要产砂河流的部分河段已禁止采砂，开发机制砂已经是大势所趋。相比之下，机制砂就地取材、综合利用且生产过程中质量可控，因此成为了天然河砂的最佳替代者[2.3]。
经机械外力的破碎作用，机制砂具有颗粒形状不规则、多尖锐棱角，级配多呈“两头多中间少”的哑铃型分布，石粉的含量较多等特点[4.6]，对混凝土性能可造成不同程度的影响。近年来国内学者对机制砂的应用研究越来越多，但就原材料来看，所采用的机制砂质量参差不齐，且大多研究仅关注单一方面的质量控制指标对混凝土性能的影响，并未考虑单一因素之间的交互作用，因此以上多数研究结果并不能有效促进机制砂的应用和推广。本文分别论述了国内机制砂应用相关的研究成果概况，机制砂的生产现状和特性研究，其应用时的有效质量控制指标（包括石粉含量、颗粒级配和颗粒形状特征）以及机制砂在高性能混凝土中的应用研究，以期对目前国内机制砂的生产和应用现状有更深的了解，为其后续的研究发展起到一定的指导作用。
1.研究概况
通过对机制砂在砂浆及混凝土中应用直接相关的文献检索，从侧面可反映出机制砂在某段时间以来的发展情况和其应用研究的重要性。自2006年以来我国形成的最大相关性科技论文数量开始大幅增长，2006到2010年间论文发表数量达到1384篇，比前5年即2001到2005年间的总量增加了40%，2011年到2015年间最大相关度文献激增到3116篇，相比前5年增加了80%，而2016年到2019年四年半的时间论文检索数量达到了2364篇，这些数据反映出机制砂研究的巨大实用价值已经引起了学界的广泛关注，其研究成果产生量正在逐渐快速增长，如图1（a）中所示。在每年度的论文总量中科技论文均占据最主要比重，而学位论文和会议论文所占比例在逐年增加，2000年以前我国没有关于机制砂的学位论文，但在2006~2010和2011-2015年度段分别增加到477篇和795篇，而2016年到2019年中旬的时间内学位论文量增加到473篇（见图1（b））。
（a） （b）
图1 不同年度的机制砂方面文献发表总量（a）和单量分析图（b）
因此可见人们对机制砂的研究仍在蓬勃增长，尤其是近年日益严峻的天然砂紧缺现状，学术界人士更加笃定机制砂必定将成为替代天然砂的希望之所在，因此有关机制砂细骨料在砂浆、混凝土中的研究和应用如雨后春笋般出现。
2.机制砂特性与生产现状
机制砂是岩石经除土开采、机械破碎、筛分而成的粒径在4.75 mm以下的岩石颗粒，其物理特性如颗粒级配、颗粒形状、表面形貌、石粉含量及矿物组成等和天然砂存在明显差异。武汉理工大学沈卫国团队首次采用多种现代测试技术对近65组机制砂的颗粒级配、压碎值、泥块含量、石粉含量、MB值以及颗粒形状和表面形貌等特性参数进行统计分析[4，7，8]，结果如表1中所示。
综上，机制砂中2.36mm以上的粗颗粒偏多，而由于除粉处理导致0.15mm以下的颗粒很少，这种级配缺陷易导致混凝土离析泌水，降低其力学性能；机制砂大多属于粗、中砂范畴；多数机制砂中石粉含量在10%以下，泥粉含量在1%~2%之间，MB值≤1.4g/kg；与天然砂相比，机制砂的圆度和长径比均较大，即机制砂多为不规则的棱角形状；在颗粒粒径4.75~2.36mm范围内，天然河砂颗粒虽经常年冲刷作用，其表面的面粗糙度较大，而由机器破碎而成的机制砂的面粗糙度反而较小。此外这65组机制砂的某些特性参数之间差异性较大，无明显统计规律出现，如颗粒级配、MB值、表面粗糙度等，说明不同生产线之间机制砂的质量稳定性较差。
此外，为直观地对比分析天然砂和机制砂的级配特点，采用500g天然砂与500g机制砂进行了各筛孔的分计筛余，对比结果见图3。
图3 天然河砂与机制砂分计筛余对比图（a）和颗粒直观分布图（b）[4]
由图3可知，天然河砂级配良好，呈纺锤形，且符合正态分布；而机制砂呈现典型的“两头多，中间少”的哑铃型级配，即0.30~0.60mm、0.15~0.30mm之间的颗粒所占比例明显偏少，而1.18~4.75mm和0.075mm以下的颗粒却严重超出。
一直以来，机制砂在我国得到了长足的发展，大多数省市都相继建立了专业机制砂生产线，尤其是近几年来新建成的生产线更是如雨后春笋。天瑞集团郑州水泥有限公司于2018年建立了一条2000t/h的机制砂石骨料生产线。丽水程翔矿业公司建立的300万t人工砂生产线包括矿山开拓系统、粉碎和筛分系统、石粉分选系统、砂储存和发放系统、自动化系统和其他相关辅助及后勤系统等组成。天山筑友公司于2012年建成了20万t的机制砂生产线。中联重科建成了RMAS3000型机制砂+干混砂浆两位一体生产线，这种集成化生产线高效低能耗、智能化程度大大提高，对机制砂质量的控制更加精准。定襄万达建材于2016年建成了一条新型环保优质机制砂生产线，采用某S3干式整形制砂设备，所生产机制砂颗粒形状和级配均良好，石粉含量为8%~9%左右。近观近几年的发展现状，机制砂在我国已有规模化、集中化的生产趋势，这是机制砂成为混凝土主导细集料的必要条件。
3.机制砂质量技术标准
如前所述，目前国内机制砂的集中规模化生产已有了雏形。但这众多生产线所生产的产品质量差别较大，机制砂的质量必须进行单独的混凝土性能试验来进行控制，从而造成机制砂应用试验工程量大、研究规律不具普适性等困难。而这一系列问题主要是由我国国内无较科学客观的机制砂质量控制标准所引起。
与天然砂相比，机制砂主要的不同之处在于石粉含量、颗粒级配和颗粒形状这三个方面，为此本节主要就以上三方面来分别进行阐述。机制砂生产过程中由于机械破碎和粉磨作用，一定含量石粉的存在是不可避免的，这些石粉对混凝土性能的影响主要包括正效应、负效应以及二重性效应，如图3中所示。
图3 石粉对混凝土性能的影响
大量实验数据表明，机制砂混凝土的强度等级不同，石粉的正负效应的体现是不同的。在低强度混凝土中，混凝土中由于胶凝材料和浆体的用量小，机制砂中的石粉对混凝土的工作性的提高作用体现充分，其正效应起到主要作用；而在中高强混凝土中，由于粉体较大的比表面积易造成砂浆粘稠以及其对水泥浆体胶凝材料的稀释作用，因此负效应成为主导。总之石粉含量在适当范围内能改善混凝土的综合性能，而这个“适当”的范围和混凝土强度等级相关，高强度混凝土中石粉最佳含量点小于中低强度混凝土中的最佳含量点。因此在不同强度等级的混凝土中，机制砂石粉含量应有不同的限定，而如何科学界定石粉的利弊和设定限值是一个值得深入研究的问题。目前大量研究都集中在粉料含量（不考虑MB值的变化）或固定粉料含量下MB值对混凝土性能的影响上。沈卫国等研究表明，混凝土的工作性能、力学性能和收缩率均随MB值和粉料含量的变化而变化。在MB值较小的机制砂中适当提高石粉含量对混凝土的工作性、强度、耐久性度有利；对于MB值高的机制砂，粉料中含有较多的粘土，粉料对混凝土性能有较显著的不利影响，要相应降低其粉料含量。因此提出用粉体质量指数PQI[9]来划分机制砂等级并对石粉含量和MB值进行更科学的界定，
（1）
其中P为粉体含量百分数；MB为机制砂MB值。
表3是按照PQI指数对机制砂进行分级以及各等级机制砂所能应用的混凝土强度等级，高强度等级混凝土（≥C60）用机制砂MB值和粉体含量均不能太高，而中低强度等级的混凝土用机制砂可在MB值较小时适当提高石粉含量，或在较低石粉含量时的MB值较大时均能满足混凝土的性能要求，该结论和多数相关研究结果吻合，因此控制机制砂PQI指数能够在保证混凝土质量的前提下，促进机制砂资源的合理有效化利用。
除石粉含量外，颗粒级配成为机制砂在混凝土中应用时的另一关键因素。我国相关标准中以累计筛余形成的级配区作为机制砂级配评价指标，且各粒级颗粒含量范围过大，导致相同级配区的机制砂所配制的混凝土性能差别较大，为此有学者建议使用分级筛余百分率作为机制砂级配控制的指标[10]。由最紧密堆积理论可知，机制砂细集料的堆积密度越大，其空隙率越小，填充该堆积空隙并分散机制砂所需要的浆体基质越小，这一方面弱化了浆体基质对混凝土强度和体积稳定性的负面影响；另一方面在相同配合比下的浆体也越富余，混凝土系统的流动性能得以提高。
机制砂颗粒多棱角，形状不规则，含有不少针片状颗粒等，这些颗粒特征使得机制砂混凝土和天然砂混凝土也存在区别。普遍认为由于颗粒相互咬合和摩擦作用，用机制砂拌制的混凝土工作性能较差，但同时该高棱角性和高结合能的新鲜断面能与水化产物更好地结合，因此抗压强度和抗变形能力均较好。然而W.Shen[12]等的研究发现，在控制系集料在相同级配下（Fuller曲线n=0.5的级配）时，机制砂配制的混凝土的坍落度反而高于天然砂混凝土，力学性能和抗渗性能也均相差不大，且机制砂混凝土的抗冻性能优于天然砂混凝土。综上，仅停留在定性层面的认识并不具有科学性，近年来学者们越来越重视机制砂颗粒形状及其对混凝土性能影响的定量表征。
4.机制砂高性能混凝土的制备与应用
高性能混凝土（High-Performance Concrete，简称HPC）于1990年由美国正式提出，其注重高性能混凝土硬化后的综合耐久性能，而日本学者更注重其工作性能，认为高性能混凝土就是不需捣实的自密实混凝土。我国学者们更加全面地指出高性能混凝土具有高强度、高耐久性和高工作性能和良好的综合耐久性能，结构中只存在凝胶孔、无毛细孔，且在高性能混凝土的配合比中必须掺入矿物超细掺合料和高效减水剂，也强调了HPC原材料的品质和种类[11.12]。长期以来机制砂被认为是劣质砂的代名词，这种理念上的偏差极大地限制了机制砂在高性能混凝土中的应用。随着国内外很多学者对机制砂混凝土高强高性能化的大量研究，人们逐渐认识到机制砂也可以制备出综合性能良好的高性能混凝土。
舒传谦[13]最早采用贵州山砂配制了C50~C80高强混凝土，并研究了山砂高强混凝土的强度、弹性模量、收缩、徐变和耐久性能特性。吴建林等[14]用机制砂成功配制了C60和C80高性能混凝土，其配合比中采用了较大掺量的外加剂和胶凝材料、较小的砂率和优质矿物掺合料等。宁成晋[15]研究了C60机制砂高强高性能混凝土，其坍落度和扩展度分别大于180mm和500mm，该机制砂混凝土的抗变形能力、长期强度、抗渗性能和抗碳化性能均优于河砂混凝土。周明凯等[16]配制了C40，C50机制砂高性能混凝土，文中采用粉煤灰和高效减水剂双掺技术很好地保证了混凝土的稳定性和易泵送性能。通过系列降低拌和物粘度、改善和易性的相关措施，如粉煤灰和硅灰复掺比例、对石子粒径的控制、砂率的调整以及高效外加剂的选用，全机制砂C60高性能混凝土可以实现高达315m的超高层泵送操作，大大提高了施工效率[17]。将石灰石机制砂和鹅卵石机制砂进行复掺来制备C50高性能混凝土，结果发现，当石灰石和鹅卵石机制砂分别按照7：3的比例复掺时，高性能混凝土坍落度达到210mm，扩展度为700mm，28d抗压强度富余了115%以上，且此时混凝土的抗渗性能达到P12，密实程度最大[18]。综上，通过合理的配合比设计和优化，机制砂配制的高性能混凝土可获得良好的综合性能。因此有效的配合比设计方法是保证机制砂高性能混凝土良好性能的关键所在。
良好的配合比是混凝土工作性、强度及耐久性等性能的基本保障，而普通混凝土配合比设计方法不能很好的适应机制砂性能指标的多变性，这在一定程度上限制了机制砂在高性能混凝土中的应用。为此有研究者采用关键因素法进行了机制砂自密实混凝土配合比设计，且研究了堆叠率（表征粗集料的多少），砂体积率和粗骨料的级配等对自密实混凝土工作性能的影响，其中堆叠率的升高（粗骨料含量增多）降低了流动性能，最终获得了扩展度高达655mm，T500测试时间为4.6s的机制砂自密实混凝土[19]。基于级配优化理论和体积分析方法的机制砂混凝土配合比设计方法要求，本课题组分别制订了以抗压强度和抗折强度为设计指标的混凝土配合比设计方法[1]，采用该方法设计的C20-C120的混凝土配合比强度与工作性指标都能很好的满足混凝土的设计指标，此外胶凝材料用量低，且避免了过多的试错过程，因此不失为一种简明高效的配合比设计方法。
随着我国对机制砂研究的日益深入，机制砂混凝土、高性能混凝土的工程应用也取得了显著的成绩。我国最大混凝土工程——三峡工程、黄河小浪底工程和龙滩水电站工程等均使用机制砂配制混凝土。自2010年起广东长大公司开始和武汉理工大学合作开展机制砂混凝土应用技术的开发，在广西靖那项目部开始机制砂的生产工艺研究和机制砂混凝土施工和质量控制技术研究，成果应用过程中取得了显著的技术经济效益和生态环境效益。平潭海峡大桥工程项目依据就地取材的原则，利用平潭本地优质花岗岩母材资源生产机制砂，用作混凝土细集料，并结合机制砂的特性，开展利用花岗岩机制砂或混合砂配制出满足平潭海峡公铁两用大桥设计和施工技术要求的高性能海工混凝土。
5. 结语
近年来人们对机制砂的研究和应用越来越重视，目前已取得了较高的研究成果，更在多地均实现了机制砂混凝土的实际应用。但就机制砂在混凝土，尤其是高性能混凝土中的广泛应用目前仍存在一些限制，主要的研究结论如下：
1）目前我国对机制砂质量的控制还没有较为客观科学的参考标准，机制砂的生产鱼龙混杂，不同生产线的机制砂特性参数的规律性较差，尤其是颗粒级配、MB值和颗粒形状参数等。
2）在机制砂的质量控制方面，多数研究只侧重于单一控制指标的探讨，如石粉含量、MB值，以及某个粒形表征参数等，其研究结论和规律对不同来源机制砂的应用并无普适性，因此综合质量控制指标更能控制机制砂的质量稳定性。
3）多数研究表明机制砂完全可以配制出性能优良的高性能混凝土，而对其配合比设计方法的研究更能保证其良好的综合耐久性能。我国目前在大型工程中成功应用了机制砂混凝土以及机制砂配制的高性能混凝土，取得了良好的社会和经济效益。
参考文献：
[1]Shen W，Liu Y，Cao L，et al. Mixing design and microstructure of ultra high strength concrete with manufactured sand[J]. Construction and Building Materials，2017，143：312-321.
[2]Shen W，Liu Y，Wang Z，et al. Influence of manufactured sand’s characteristics on its concrete performance[J]. Construction and Building Materials，2018，172：574-583.
[3]中国混凝土网. 机制砂取代河砂，用实践破除偏见[EB/OL].：http：//www.zgss.org.cn/zixun/zhuti/8037.html，
[4]董瑞，陈晓芳，钟建锋，等. 石灰岩性机制砂特性研究[J]. 混凝土，2013（03）：84-89.
[5]Li H，Huang F，Cheng G，et al. Effect of granite dust on mechanical and some durability properties of manufactured sand concrete[J]. Construction and Building Materials，2016，109：41-46.
[6]Li B，Ke G，Zhou M. Influence of manufactured sand characteristics on strength and abrasion resistance of pavement cement concrete[J]. Construction and Building Materials，2011，25（10）：3849-3853.
[7]Shen W，Yang Z，Cao L，et al. Characterization of manufactured sand：Particle shape，surface texture and behavior in concrete[J]. Construction and Building Materials，2016，114：595-601.
[8]杨振国. 机制砂质量指标对混凝土性能影响研究[D]. 武汉理工大学，2015：
[9]沈卫国，刘燚，王中文，等. 基于粉料质量指数的机制砂分级标准研究[J]. 新世纪水泥导报，2017，23（06）：9-16.
[10]郭丹，宋少民. 混凝土用骨料相关标准存在的问题与思考[J]. 混凝土，2017（02）：46-49.
[11]冯乃谦. 高性能与超高性能混凝土（HPC／UHPC）的发展与应用：“全国特种混凝土技术及工程应用”学术交流会暨2008年混凝土质量专业委员会年会，中国陕西西安，2008[C].
[12]吴中伟. 高性能混凝土——绿色混凝土[J]. 混凝土与水泥制品，2000（01）：3-6.
[13]舒传谦. 贵州山砂高强混凝土的物理性能[J]. 贵州工业大学学报，1997（1）：93-97.
[14]吴建林，任启欣，蒋正武，等. 机制砂高强高性能混凝土的配制研究：首届机制砂石生产与应用技术论坛，中国上海，2010[C].
[15]宁成晋. 高强高性能机制砂混凝土关键技术研究[D]. 广州大学，2016：
[16]周明凯，王雨利，王稷良，等. 机制砂高性能混凝土的配制及应用[J]. 山东建材，2007（01）：58-60.
[17]蒲伟，翁邦正，张田庆，等. 全机制砂C60混凝土超高层泵送施工技术[J]. 建筑技术，2018，49（10）：1125-1128.
[18]周珉，韦峰静，甘露，等. 石灰石机制砂与鹅卵石机制砂双掺制备C50高性能混凝土的性能研究[J]. 商品混凝土，2018（09）：53-56.
[19]周聪聪，连春明，白健，等. 机制砂生态自密实混凝土的工作性研究[J]. 武汉理工大学学报，2016，38（04）：19-25.
论文作者:李雪松1,武苗苗2,沈卫国3
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第14期
论文发表时间:2019/12/17
标签：机制论文; 混凝土论文; 颗粒论文; 性能论文; 含量论文; 高性能混凝土论文; 强度论文; 《建筑细部》2019年第14期论文;