庄凯群，马永胜，宋少民，刘瑞朝，郭宇轩，蒋泽宇

(1.北京建筑大学，建筑结构与环境修复功能材料北京市重点试验室，北京 100044； 2.北京砼享未来工程技术研究院，北京 100024)

机制砂是现代预拌混凝土的重要组成材料之一，不同岩性、不同种类、不同特性、不同来源的机制砂对混凝土性能有着不同的影响。许多机制砂在级配、压碎指标、空隙率、石粉含量(MB值)满足要求时，生产出的混凝土各方面性能仍不能满足实际应用要求，经常会出现触变性差、流动性差、经时损失大、泌水、离析等问题，从而影响施工质量。宋少民等[1]发现钙质机制砂表面结构稳定性好，质量缺陷少，与硅质机制砂相比，表现出了更好的需水行为和更低的吸附性。李崇智等[2]通过机制砂与外加剂的试验研究发现，钙质机制砂具有一定的憎水性且ζ电位低，分散性好，而硅质机制砂具有一定的亲水性且ζ电位高，所以分散性差。

张广田等[3]通过对四种硅质机制砂中石粉的研究，发现硅质石粉对砂浆及混凝土的流动性不利，加入合适的改性剂可改善此问题。孙星海等[4]认为，钙质机制砂的级配对混凝土强度的影响不大，而硅质机制砂的级配对混凝土强度的影响较大。陈平等[5]、李科诚等[6]发现钙质石粉的流动度明显高于硅质石粉，张学锋等[7]发现花岗岩石粉需水量比远高于石灰岩、玄武岩石粉。李小龙等[8]研究了不同岩性机制砂与外加剂相容性的影响，其中花岗岩机制砂与减水剂的相容性较辉绿岩、石灰岩差。宋德洲等[9]发现凝灰岩机制砂母岩中的SiO2含量越高机制砂吸附性越弱。王军伟等[10]发现机制砂的层状硅酸盐矿物含量高、Zeta电位绝对值大，对减水剂吸附性能强。以上研究表明，不同质地的机制砂与外加剂作用也不尽相同，从而造成混凝土工作性和其他性能的差异。

目前，国内外检测机制砂与外加剂相容性、吸附性的方法主要有三种：(1)检验MB值是否高于1.4，确定机制砂中75 μm以下颗粒是以泥为主还是以石粉为主，从而判断其对外加剂吸附性的影响。这种方法只能检测出机制砂中黏土对外加剂的影响，而检测不出机制砂母岩性能对外加剂的影响。(2)通过XRD分析机制砂母岩种类来判断其对外加剂吸附性、相容性的影响。这种试验设备昂贵，且对检测人员的门槛要求较高，无法大范围推广。(3)通过混凝土试拌试验检测机制砂对外加剂的影响，这种方法与生产混凝土相关性好，但试验时间长、无法快速检测，往往检验出结果时，机制砂已经使用完毕。

作者在工程实践中通过大量试验发现：根据机制砂中氧化物成分(质量分数)，可以将其区分为高钙含量机制砂、高硅含量机制砂、高铝含量机制砂和高铁含量机制砂。其中：高钙含量机制砂为化学组分中CaO含量占比最高的机制砂；高硅含量机制砂是SiO2含量占比最高，且Al2O3含量不超过15%，Fe2O3含量不超过10%的机制砂；高铝含量机制砂是SiO2含量占比最高，且Al2O3含量超过15%，Fe2O3含量不超过10%的机制砂；高铁含量机制砂是SiO2含量占比最高，且Al2O3含量不超过15%，Fe2O3含量超过10%的机制砂。成分的不同决定其特性的不同，依据其不同特性调整相应的混凝土泵送剂组分，优化混凝土配合比，提升混凝土综合性能，得到满足工程使用要求的混凝土。

试验选取的A、B、C、D四种机制砂分别来自山东省潍坊市陆海港砂厂、吉林省四平市西风砂厂、山东省烟台市黑羊山砂厂、吉林省长春市恒泰砂厂，其物理性能检测参数见表1，其颗粒级配见表2。

表1 机制砂物理性能检测参数Table 1 Physical performance testing parameters of artificial sand

表2 机制砂颗粒级配Table 2 Particle grading of artificial sand

按照GB/T 176—2017《水泥化学分析方法》中的氯化铵重量法、氟硅酸钾法等方法，对机制砂化学成分进行分析，四种机制砂化学成分中主要氧化物检测结果见表3。由表3数据可知，A为高钙含量机制砂，B为高硅含量机制砂，C为高铝含量机制砂，D为高铁含量机制砂。混凝土配合比试验依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行，混凝土强度等级以C30为例，配合比设计考虑四种不同机制砂。为进行性能优化，需要根据不同机制砂特点调整外加剂成分及其比例，即泵送剂组成需要优化。

其中基准混凝土配合比采用基准泵送剂，即I型减水剂为主要减水组分，辅以葡萄糖酸钠为功能型辅助组分复配而成，该泵送剂组分配伍是混凝土中最常见的一种形式，作为基准混凝土专用泵送剂与优化后的其他四种混凝土泵送剂进行性能比较。

比对混凝土配合比依据四种机制砂各自特点进行相应调整，包括设计与机制砂种类相适应的基准混凝土配合比，以及选取相应的外加剂并确定添加比例。高钙含量机制砂A表面能低，需水行为更好，对外加剂吸附性更低，所以泵送剂A选用具有保水功能的麦芽糊精、海藻酸钠替换掉葡萄糖酸钠以改善混凝土的保水性、抗离析性；高硅含量机制砂B有一定的亲水性及对外加剂的吸附性，所以泵送剂B中加入了二甲基二烯丙基氯化铵、硫代硫酸钠以降低机制砂对外加剂的吸附性，改善混凝土的触变性；机制砂C铝含量高，对外加剂吸附性大，与外加剂相容性差，所以泵送剂C选用保坍性能更好的II型(缓释型)减水剂，并加入改性柠檬酸钠以改善机制砂C层状结构的表面性能，降低负电荷，减少机制砂C对外加剂的吸附性。机制砂D铁含量高，对混凝土的坍落度损失影响大，所以泵送剂D加入了羟基乙叉二膦酸、焦磷酸钠以减少混凝土的坍落度损失。

表3 机制砂的化学成分Table 3 Chemical composition of artifical sand

基准泵送剂和针对不同机制砂优化后的泵送剂的组成(均为质量分数)见表4，主要性能指标见表5。

表4 混凝土泵送剂的组成Table 4 Composition of concrete pumping agents

表5 混凝土泵送剂性能指标Table 5 Performance index of concrete pumping agent

按照表6中基准混凝土和比对混凝土配合比进行配合比试验，其中，S-01、S-03、S-05、S-07为与四种机制砂相对应的基准混凝土配合比，S-02、S-04、S-06、S-08为针对四种机制砂进行泵送剂组成优化后的混凝土配合比。

依据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》、GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对混凝土拌合物进行工作性、28 d立方体抗压强度、电通量、收缩率测试，测试结果见图1、图2。

由图1可见：与S-01相比，S-02的倒置坍落度筒排空时间和泌水率均显著降低，表明使用泵送剂A解决了高钙含量机制砂对外加剂掺量敏感的问题；S-04混凝土坍落度、扩展度明显优于S-03，表明泵送剂B解决了高硅含量机制砂吸附性大、黏度大的问题；S-06混凝土坍落度、扩展度远大于S-05，且相应的坍落度损失、扩展度损失要更小，表明泵送剂C解决了高铝含量机制砂吸附性大、与外加剂相容性差的问题；对于高铁含量机制砂混凝土，优化后的S-08坍落度损失和扩展度损失远小于S-07，表明泵送剂D有效改善了该类混凝土坍落度、扩展度损失大的问题。此外，28 d立方体抗压强度试验结果表明，S-02、S-04、S-06、S-08四组混凝土28 d抗压强度均高于S-01、S-03、S-05、S-07的混凝土强度。

表6 混凝土试验配合比Table 6 Mix ratio of concrete /(kg·m-3)

图1 混凝土拌合物性能Fig.1 Performance of concrete mixture

图2 混凝土28 d收缩率与电通量Fig.2 Shrinkage rate and coulomb electric flux of concrete in 28 d

由图2可以看出，外加剂组分调整后的混凝土(即比对混凝土)28 d收缩率及28 d电通量均小于基准混凝土，表明混凝土的耐久性得到了进一步提升。另外，通过对四组混凝土的成本进行分析，发现依据机制砂的特性来调整混凝土外加剂的组分可有效降低混凝土综合成本，提高混凝土的经济性。

综上，新常态下机制砂性能多变，通过化学成分分析，可以将其快速分类为高钙含量机制砂、高硅含量机制砂、高铝含量机制砂、高铁含量机制砂四类，根据不同机制砂的特性调整混凝土外加剂组分、优化混凝土配合比，能有效改善不同种类机制砂混凝土性能的不足，快速有效调整混凝土工作性能，对预拌混凝土生产企业实际生产质量控制起到一定支撑及指导意义。