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摘要：随着基础设施建设规模不断提高以及西部大开发战略的推进，我国总体对建筑用砂需求量逐年增加。近年来，限于环境保护等多方压力，天然河砂已供不应求，采用机制砂替代天然河砂已经成为混凝土材料变革的重要方向。
关键词：机制砂；混凝土；性能
引言
随着我国基础建设的快速发展，建设工程用砂量逐年递增。天然砂作为地方性资源，分布不均匀且短时间内不可再生，长期无序地开采已导致天然砂资源接近枯竭。为保护生态环境，国家出台了禁采或限采天然砂的法规，使得建设工程用砂供需矛盾更加突出，严重制约了建设工程的持续发展，寻找天然砂之外的砂资源已迫在眉睫。机制砂是将开采的岩石经机械破碎、筛分而制成的人工砂，其生产和应用可以缓解因天然砂资源不足而出现的问题。
1机制砂与天然砂在混凝土中的作用差异
这个问题是研究机制砂混凝土的起点。从材料构成的角度，机制砂混凝土与普通混凝土之间的差别，仅为细骨料的不同而已。在现有的机制砂混凝土研究中，也通常是从将机制砂作为天然砂的替代品的角度，或采用机制砂模拟天然砂的属性的角度入手。但这个问题是值得进一步探讨的。机制砂与天然砂的材料属性不同。机制砂是人工破碎岩石的产物，天然砂是自然风化的结果。人工破碎属于物理分解，自然风化属于“物理+化学+生物”分解，两者具有完全不同的表面特征。天然砂经过长期的自然风化，表面能降低，能够在材料的混合态中稳定存在；而机制砂是瞬间破碎产生的，具有较高的表面能，能够与介质材料发生相对强烈的表面反应和能量交换。因而天然砂是作为具有稳定态的独立材料发挥物理作用，机制砂则存在进行深度能量反应的潜力，发挥强烈的物理化学作用。
2试验
2.1原材料
水泥：铜仁海螺盘江水泥有限责任公司生产的P·O42.5型普通硅酸盐水泥，化学组成见表1。粉煤灰：贵州大唐黔盛工贸有限公司粉煤灰分选厂（发耳电厂）Ⅱ级粉煤灰，化学组成见表1。硅灰：埃肯国际贸易（上海）有限公司生产的微硅粉，化学组成见表1。钢纤维：采用镀铜圆直钢纤维，纤维尺寸为ϕ0.2mm×13mm，弹性模量为203GPa，拉伸强度为2.0GPa。减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，固含量为40%。细集料：采用天然河砂以及机制砂两种集料，图1为两种集料粒径分布，细度模数、吸水率等物理性质见表2，由于机制砂由石灰岩破碎而成，因此含有较多石粉。水：贵州省铜仁市松桃县妙隘乡河水。
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2.2试验方法
依据GB/T14684—2011《建设用砂》对天然砂、机制砂的性能进行检测；依据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》成型、养护混凝土试块，对硬化混凝土的力学性能、抗水渗透性、抗氯离子渗透性和收缩性能进行检测。
2.3制备
所制备的超高性能混凝土见表3，以M0N100作为基准配合比，以机制砂等质量替代河砂作为细集料，M0N100、M25N75、M50N50、M75N25、M100N0分别表示替代率为0%，25%，50%，75%以及100%。采用强制式搅拌机，先将水泥、粉煤灰、硅灰以及细集料投入搅拌机种搅拌3min，然后将混合好的水与减水剂逐渐倒入混合料中搅拌5min，最后将钢纤维加入浆体中并均匀搅拌3min。搅拌完毕后，将拌合好的UHPC浆体装入试模，模具尺寸分为100mm×100mm×100mm的立方体试件以及ϕ70mm×35mm的圆柱体试件，室内自然养护2d后脱模，然后将试件进行标准养护，养护温度为（21±2）℃，相对湿度≥95%。
3结果与讨论
3.1机制砂对混凝土体积稳定性的影响
在混凝土拌合过程中，如果固定水泥用量以水灰比，机制砂混凝土的弹性模量将远远高于天然砂混凝土。究其原因主要由于，机制砂质地粗糙，棱角分明，这些方矩体或者三角体颗粒在砂浆当中充当着骨架的角色，对水泥石起到稳固作用，同时，水泥石与机制砂的结合面，粘结度较大，粘结面不易产生孔隙，有效分散了内部应力。此外，机制砂中的石粉颗粒在水化产物当中起到结晶作用，使水泥石的强度增加，不易产生变形。试验表明，机制砂中石粉含量对混凝土体积稳定性的影响数据差别较大，每一组试验结果中的影响规律也各不相同。通过与天然砂混凝土试验进行比对，随着龄期的增长干缩率早期增加明显，后期略微增加，相同龄期下随着石粉含量的增加，干缩率呈现出总体增大的趋势，当石粉含量超过12%时干缩率又有所减少。经过试验论证，当石粉含量为12%时，机制砂混凝土的收缩率最大。对于粒径小于0.075mm的石粉颗粒来说，在混凝土拌合物当中起到增加水泥浆含量的作用，单位体积水泥。浆多，混凝土的干缩率就会增大。通过选取石粉含量为（0~20%）的机制砂做混凝土干缩试验发现，混凝土的干缩率受石粉含量的影响显著，即石粉含量每增加1%，混凝土的干缩率也跟着增加1%，达到一定峰值后会相应减少。
3.2机制砂对普通混凝土力学结构的改变
机制砂作为人工破碎岩石的产物，其几何形状较之天然砂更具不规则性，粒型更趋复杂、针片状颗粒较多。机制砂这一几何特性是人工手段在成本控制的前提下无法有效改善的，对混凝土的力学结构产生了严重的影响。普通混凝土的骨料配合比本质上是按照Fuller曲线进行设计的，考虑的颗粒为粒型相近的凸多面体，这一堆积形式中力学作用以表面摩擦和表面咬合为主。而对于针片状颗粒较多、粒型复杂的机制砂颗粒而言，并不符合理想密实堆积的边界条件，其颗粒间的力学作用以表面摩擦、体积咬合和颗粒剪力为主。这一差异导致传统的普通混凝土配合比设计方法对机制砂的局部失灵，因为机制砂实质上破坏了普通混凝土原有的内部结构统一性。在宏观上，细骨料对粗骨料空隙的填充具有非均质性，从而胶凝材料对骨料空隙的填充也将发生“块集”，成为混凝土各项性能降低的诱因。
3.3机制砂对混凝土耐久性能的影响
混凝土耐久性能主要表现在渗透系数的大小，当机制砂中石粉含量增加时，混凝土的渗透系数减小，混凝土的耐久性能越高。这主要由于机制砂中的石粉发挥了填充作用，阻塞了气孔，随着石粉含量的增加，气孔阻塞越加明显，因此，渗透系数越小，混凝土的抗渗性越好。对石灰石粉取代水泥对混凝土抗渗性能的影响研究表明，机制砂中的石粉本身不属于惰性材料，但是，它却属于一种胶结材料，在混凝土拌合料当中扮演着微集料的角色，当这种微集料取代水泥后，水泥的水化产物相应减少，混凝土骨料的空隙相应增大，这就使得混凝土的密实度变差，因此，当石灰石粉取代水泥后，混凝土的渗透系数增大，抗渗性能越来越差。研究结果显示，采用外掺石粉的方法，能够有效改善混凝土的抗渗性能，抗渗透性较好。
结论
（1）以现有机制砂与天然细砂为基础，40%及以上的机制砂调节天然砂细度模数可以将人工混合砂调为中砂，而且随着机制砂掺量的增加人工混合砂的细度模数增大。（2）混凝土拌合物的和易性和密实度会随着机制砂掺量的增加逐渐增强，而混凝土的初始坍落度和坍落度损失则会随之变差，综合对比机制砂掺量为60%时工作性能最优。（3）混凝土立方体抗压强度变化趋势与混凝土实测容重基本相同，会随着机制砂掺量的增加逐渐增大。
参考文献
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