陈慧，章家海，项炳泉，王晓海，詹奇淇，张元朔，李娜娜

（1.安徽省建筑科学研究设计院绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031）

1 引言

目前我国的建筑用砂以天然砂和机制砂为主，其中天然砂总量在近年来的连续开采下不断下降，产量已经不能够满足建筑行业的用砂需求。机制砂是由石料经制砂机破碎、筛分而成的一种人工砂，粒径多小于4.75mm。相较于普通河砂，机制砂具备原料可控、性能稳定、生产设备和工艺可调、成本低廉等众多优势[1]，适宜在建筑行业内推广应用。美国等发达国家早在上个世纪就开始将机制砂应用于实际工程中[2]。美国曾在1996年对机制砂及其母岩进行过针对性研究，结果表明机制砂大约占集细料的20%。

受到生产工艺及流程的影响，石粉会作为一种副产物出现在机制砂中，其主要矿物成分与母岩相同，含量约占机制砂的10%～20%。机制砂中的石粉具有很多有益作用，一方面，石粉能够有效改善机制砂的级配；另一方面，石粉在某种程度上可以替代水泥填充混凝土内部空隙，提高混凝土的综合性能。但现行的国标 GB/T 14684-2011（建设用砂）[3]对C60、C30～C60、低于 C30 混凝土中石粉含量的上限作出了明确规定，分别不应超过3%、5%、7%，即混凝土强度等级越高，对石粉含量的控制越严格。若机制砂严格按照国标来控制其石粉的含量，制砂成本会大幅上升，还会出现大量多余的石粉，造成资源浪费。同时，考虑到混凝土中细颗粒的不足还会对其硬化过程带来不利影响，导致离析等现象的出现，造成混凝土质量不合格。基于上述原因，研究机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响是极为有必要的。近年来，国内外的学者就机制砂中石粉含量对混凝土工作性能（流动性及和易性）、力学性能（抗压强度及抗折强度）、耐久性能（抗渗性及抗冻性）等方面的影响规律及机理进行了大量的研究，得出了很多有益的结论，但仍存在一些分歧。

图1 机制砂生产线

图2 机制砂破碎机

图3 机制砂制砂楼

图4 机制砂生产流程图

2 石粉对混凝土性能的影响

2.1 工作性能

机制砂中石粉含量对混凝土工作性能的影响主要体现在和易性、流动性、泌水率等方面。杨玉辉、王雨利等[4,5]的研究成果显示适量石粉的添加能够提高机制砂混凝土的工作性能，其中C80机制砂混凝土在石粉含量占比为7%时达到最佳。贺图升等[6]的研究指出石粉含量的增加会使得机制砂混凝土的泌水率下降，泌水潜伏期增加。李凤兰等[7]的研究表明当石粉的含量在3%～7%时，机制砂混凝土的和易性和流动性随着石粉含量的增加而得到改善；当石粉含量高于13%时，机制砂混凝土的和易性和流动性逐渐下降。王雨利等[8]的研究显示将机制砂混凝土的水胶比设置为0.4来对中低强度等级机制砂混凝土的最佳石粉含量进行预测可以取得很好的效果。杨家伟等[9]通过试验研究发现低强度等级混凝土的和易性在石粉含量为24.8%时达到最佳。张冬梅[10]等的研究表明石粉含量在4%～8%时，获得的机制砂混凝土性能较普通混凝土有较大改善，且石粉的粒度越细，混凝土性能越好。当石粉含量在6%时，获得的机制砂混凝土各方面性能达到最佳。周孝军等[11]的研究发现石粉含量低于5%时，机制砂混凝土的试件表面有较多气孔；石粉含量在5%～10%时，机制砂混凝土的和易性、流动性等工作性能均较为优良；当石粉含量超过15%后，机制砂混凝土较黏稠，流动性不佳。张如林等[12]指出添加适当的石粉可以改善机制砂的级配，提高机制砂混凝土的工作性能，且石粉含量存在一个最佳值。雷瑜等[13]的研究指出当C35及C45机制砂混凝土中的石粉含量分别低于9%和8%时，机制砂混凝土与普通河砂混凝土在28d龄期后的干燥收缩情况几乎相同。李军等[14]的研究成果显示适量石粉的添加可以改善机制砂混凝土的工作性能。一定范围内，混凝土的收缩值随石粉含量的增多而变大，超过限值后随石粉含量增多而变小。

综上所述，石粉含量对机制砂混凝土工作性能的影响存在一个最优值。对于不同的混凝土体系，石粉的最佳含量值是不同的。目前的研究缺少能够动态获得不同混凝土体系最佳石粉含量的方法，这将是后续的研究热点之一。

2.2 力学性能

石粉的添加可以提高混凝土拌合物的保水性，填充混凝土内部空隙，降低孔隙率，因此目前多数的研究认为机制砂混凝土的强度高于同水灰比的天然河砂混凝土。Celik[15]、Topcu[16]、Imène[17]、Eren[18]、黎鹏平[19]、杨海峰等[20]的研究成果显示机制砂混凝土的抗压及抗折强度在石粉含量为10%时达到最大值，高于或低于10%时机制砂混凝土均无法发挥其最佳力学性能。石粉含量低于10%时，石粉无法完全填充混凝土内部的空隙；石粉含量高于10%时，没有足够的水泥浆体包裹集料。张礼华等[21]的研究认为适宜含量的石粉可以提高混凝土的力学性能。对于C30混凝土，石粉含量不宜超过15%；对于C50混凝土，石粉含量宜在5%～10%之间，以5%左右为佳。黄昌华[22]等通过试验研究发现当C35和C45机制砂混凝土中石粉的含量分别处于7%～13%和5%～8%时，机制砂混凝土的抗压强度及劈裂抗拉强度随石粉含量的增加而提高。机制砂混凝土比普通河砂混凝土具备更加优良的劈裂抗拉及抗裂性能。王青等[23]的研究表明添加适量的石粉有利于混凝土力学强度的提高，中低强度泵送机制砂混凝土的力学性能在石粉含量为22%～25%时达到最佳。谢开仲[24]等的研究表明机制砂混凝土的力学性能随石粉含量的增加先提高后降低，在3%时达到最佳。

综上所述，大多数学者的研究表明适量石粉的添加可以提高机制砂混凝土的力学性能。对于不同体系的混凝土，石粉的最优含量是变化的。一般认为，10%左右的石粉含量能够有效提高机制砂混凝土的力学性能。建立能动态评价不同体系机制砂混凝土最佳石粉含量的评价体系是今后研究的热点。

2.3 耐久性能

目前国内外关于石粉含量对混凝土耐久性能影响的研究主要集中在抗渗性和抗冻性这两个方面。在抗渗性方面，多数研究表明添加石粉可以将混凝土内部孔隙填满，提高抗渗性。在抗冻性方面，受到试验条件及方法等因素的影响，不同的学者得到的结论有所差异。

李婷婷等[25]的研究认为石粉对含胶凝材料少、强度等级低的机制砂混凝土抗渗性提升明显，对含胶凝材料多、强度等级高的机制砂混凝土则几乎无影响。在水压抗渗方面，C30混凝土在石粉含量达到10%～15%左右时水压抗渗性最好。王稷良等[26,27]的研究表明机制砂中石粉含量的增加会提升低强度机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能，降低其抗冻性能。低强度机制砂混凝土的抗冻性能在石粉含量高于10%时大幅降低；高强度机制砂混凝土的抗渗性能及抗冻性能对石粉含量变化不敏感，当石粉含量从3.5%增加至14%时，其抗渗性能及抗冻性能几乎无变化。王雨利等[28]的研究显示机制砂混凝土的抗冻性要弱于河砂混凝土，适量石粉的添加可以提升机制砂混凝土的抗冻性能，机制砂混凝土的抗冻性能与机制砂的母岩种类无关。李凤兰[29]的研究指出石粉含量的高低几乎不影响机制砂混凝土的抗渗性能及碳化性能。李北星等[30]的研究表明机制砂混凝土的抗碳化性能、抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能等指标在石粉含量为7%时达到最佳，明显优于河砂混凝土。杨卓强等[31]指出适量石粉的添加会提高混凝土的抗碳化性能和抗渗性能，石粉含量高低几乎不影响混凝土的抗冻性能，在实际工程中可不考虑石粉含量变化对混凝土抗冻性能的影响。

综上所述，大多数学者的研究成果表明适量石粉的添加可以增强低强度混凝土（胶凝材料少）的抗冻性及抗渗性，对于高强度混凝土（胶凝材料多）则影响不明显。

3 存在的问题及建议

从目前国内外学者对机制砂混凝土的研究成果来看，机制砂混凝土具备突出的经济效益和环保效益。但目前关于机制砂混凝土的研究还存在一些问题，例如：

①目前研究的机制砂母岩多为石灰岩，很少涉及到其它岩石种类，今后应加强对其它岩性机制砂的研究，拓展机制砂的研究范围；

②目前石粉含量对机制砂混凝土性能影响方面的研究仍存在争议，石粉的最佳含量在不同体系的混凝土中各不相同，建立能够动态评价不同体系机制砂混凝土最佳石粉含量的评价体系是今后研究的热点方向之一；

③目前，吉林、江西、四川、陕西等地已经相继颁发了适用于本区域的技术标准来对机制砂的生产与应用进行指导，但由于地区地质条件等因素的差异，不同区域应用的领域有所差异，缺乏统一的执行标准，不利于机制砂混凝土在全国范围内的推广应用；

④目前机制砂混凝土的配合比设计仍参考普通混凝土来进行，未体现石粉含量变化对混凝土性能的影响。在今后的配合比设计工作中，应在考虑石粉含量的基础上对设计值进行动态调整。