机制砂混凝土存在的问题及应用探讨

0引言

随着我国的城市化进程不断推进，预拌混凝土在全国大中城市得到了广泛应用。砂石作为混凝土中的主要原料，占混凝土总体积的70%～80%。天然资源尤其是天然砂的过度开采和消耗给环境造成了不良影响。随着天然砂资源的日益枯竭和更严格的河道禁采、禁挖政策的实施，机制砂的应用已经成为趋势，并得到了大规模应用。然而由于机制砂的特性导致机制砂混凝土应用过程中存在一系列问题，特进行一些探讨。

1机制砂的特性

我国机制砂的生产方式多种多样，不同地域中机制砂的母岩、颗粒粒型、颗粒级配、石粉含量、石粉含泥各不相同。目前，规模化机制砂生产才刚开始起步，绝大数机制砂生产线属于小型作坊式，采用廉价设备和传统锤式粉碎工艺，利用当地的石灰岩、花岗岩、鹅卵石及混合石材进行机制砂生产。

由于设备相对较旧，工艺不先进，生产控制不规范，现有机制砂普遍存在母岩来源复杂、级配差、粒形尖锐多棱角、粉体成分复杂，含泥量偏高等问题，导致机制砂混凝土和易性不好、坍落度损失大、强度不高、混凝土性能波动大等问题。近几年，又出现水洗机制砂絮凝剂残留问题，导致机制砂混凝土坍落度经时损失大、减水剂掺量高等问题，给企业规模化生产增加了困难。

2机制砂混凝土存在的问题

2.1机制砂的粒型、颗粒级配对机制砂混凝土性能的影响

与表面光滑圆润的河砂相比，机制砂的表面织构更为粗糙，棱角更为尖锐，应用于混凝土中，和易性较差，容易产生离析、泌水，施工过程中混凝土极易出现堵管、板结等不良现象，给施工带来诸多的不便。

由于制备工艺及设备的限制，一些机制砂存在针片状含量过高的情况，影响到机制砂混凝土的工作性能。国内学者针对机制砂中针片状问题，专门研究制定快速检测机制针片状含量的测定方法。

合理的机制砂颗粒搭配会使混凝土整个体系更加密实。目前，常用机制砂整体偏粗，细粉颗粒含量较少，势必会导致粗骨料、细骨料及胶凝材料之间空隙率偏大，无法形成良好的空间搭配，导致混凝土和易性不佳。预拌混凝土企业最常见的机制砂为“两头大中间小”的断级配砂，由于中间颗粒的缺失，需要更多的胶凝材料填充骨料间空隙。根据机制砂中间粒径颗粒的缺失程度，混凝土会出现不同程度的离析、泌水现象，且由于混凝土空隙率的增加，混凝土的立方体抗压强度会出现明显的下降。在进行混凝土配合比调整时，仅靠提高砂率是没有效果的，必须靠细颗粒或者胶凝材料来填充，否则混凝土和易性不佳。

建议使用机制砂时，应根据机制砂的特性，搭配匹配的细骨料复合使用。若传统粗的机制砂则需要搭配主要为中细颗粒的细骨料一起使用，以提高颗粒级配的连续性，从而提高混凝土的密度、改善混凝土和易性，提高混凝土强度。

2.2机制砂中的石粉对机制砂混凝土性能的影响

机制砂在生产过程中不可避免地会产生一定量的石粉，石粉和机制砂的矿物成分和化学成分相同。不同国家对机制砂混凝土中石粉含量的最高限值不同。

石粉颗粒极易填充骨料空隙，在混凝土集料中起到润滑作用，进而降低骨料的需水量。通常情况下，当机制砂中的石粉含量在5%～10%时，不用增加水量，即可以改善机制砂混凝土的工作性能，尤其是低标号混凝土。

总体来看，适量的石粉对混凝土各项性能起到积极的作用，但是不同岩性机制砂石粉对机制砂混凝土工作性能的影响并不相同：对于钙质机制砂石粉，需水量小，可明显改善混凝土流变性能，降本增效尤为突出；而硅质石粉，需水量较大，会降低混凝土流动性、增加坍落度经时损失，但通过混凝土外加剂合理调整，不良状态可得到有效改善。

现预拌混凝土企业由于资源紧缺及成本压力，经常会使用廉价石屑粉（石粉含量15%以上，甚至高于20%）作为机制砂来使用。石屑粉普遍存在石粉含量高、石粉母岩多样、石粉含泥，整体表现为粗颗粒多、石粉多、中间颗粒少等特征，因此掺石屑粉混凝土质量波动较大，混凝土初始流动性能更是两级分化，或者偏干或者离析，尤其是石屑粉母岩为风化石、煤矸石等，这种石屑粉会严重影响混凝土工作性能，降低混凝土强度。

石粉含量高的机制砂配制的混凝土在实体结构中普遍存在表面回弹强度低、碳化高、表面外观差等现象，无疑给预拌混凝土企业造成了一定的困扰。这是因为混凝土施工时，要求混凝土流动性大或现场加水导致的大流动度，在施工振捣时，石粉由于密度轻而聚集在混凝土表面，加上施工拆模早粘模，且不养护，导致结构表面层不密实、不水化，因此外观强度偏低。

建议使用石粉含量高的机制砂时，应搭配中细砂一起使用，改善颗粒级配，提高混凝土和易性。

2.3机制砂含泥对机制砂混凝土性能的影响

当机制砂的MB值＞1.4时，机制砂中的石粉以泥为主，因此石粉含量不能过高，否则会严重影响机制砂混凝土的性能。

聚羧酸减水剂对泥土十分敏感，当机制砂中含泥较多时，混凝土的流动性往往不足，坍落度损失加快、加大。不同种类的粘土矿物对减水剂产生不同程度的影响，其中影响最大的是蒙脱土。蒙脱土对聚羧酸减水剂应用效果产生负面影响的原因主要有两方面：表面吸附量大和插层吸附。同济大学孙振平教授课题组采用非PEO侧链修饰、分子侧链引入刚性基团、引入功能性官能团等措施，制备出来的聚羧酸减水剂具备一定的抗泥性。

机制砂含泥会增加混凝土收缩，降低混凝土强度。当机制砂中的含泥量过高，将严重阻碍水泥的正常水化过程。机制砂表面形成一层覆盖膜，抑制了水泥浆体与骨料的结合，形成了强度薄弱区，导致水泥浆体与骨料之间黏结力降低，进而影响混凝土的强度。泥除了本身会降低混凝土强度外，另一方面，还会导致混凝土坍落度损失增大，无法满足现场施工要求，而预拌混凝土企业试验人员普遍不足，现场无人跟踪监督，存在工人加水现象，导致实体结构强度偏低，混凝土的变形性能、耐久性性能等方面也会受到相应影响，给混凝土工程质量留下非常严重的安全隐患，大幅度增加了预拌混凝土企业的风险。

2.4机制砂中絮凝剂对机制砂混凝土性能的影响

近几年，随着环保检查力度加大，机制砂水洗过程中产生的污水禁止外排，而采用絮凝剂（聚丙烯酰胺、聚合氯化铝等）进行絮凝，可将水和污泥分离，即污泥下沉进行压滤，上层清水循环使用。由于絮凝剂加入量多数为人工随意，易导致絮凝剂过量而残留在水中，在后续水洗过程中，残留在机制砂中。目前水洗砂最常用的絮凝剂为聚丙烯酰胺PAM（分子量500万～1200万）和聚合氯化铝PAC（22%～26%）。洗砂水循环使用会造成机制砂中絮凝剂的残留累积，严重影响混凝土的性能，导致混凝土工程质量事故时有发生。

机制砂中残留的絮凝剂会对混凝土的性能造成影响，絮凝剂浓度越高，影响越明显。机制砂中絮凝剂残留量较高时，混凝土料粘性会加大，会降低混凝土的流动性，增加混凝土的坍落度损失，且损失快，减水剂掺量需要提高很多、甚至翻倍。聚合氯化铝残留会缩短混凝土的凝结时间，坍落度损失也加大且会增加混凝土中的氯离子含量。

水洗机制砂中絮凝剂的残留主要在水中，因此机制砂中絮凝剂的量跟机制砂的含水量有很大关联。生产机制砂时絮凝剂添加的随意性、机制砂进厂水分含量不同、絮凝剂含量不同则会对混凝土生产造成较大波动性，增加了预拌混凝土企业的风险。因此，检验机制砂是否残留絮凝剂显得尤为重要。目前行业内最常用的方法是300g机制砂（湿砂）加入300g自来水充分搅拌均匀，观察上层水与混凝液的澄清速度，若快速澄清（20s以内），则絮凝剂含量较高，可能对混凝土有明显影响；若澄清速度较慢，则絮凝剂含量较低；若缓慢澄清（30min以上）则未含絮凝剂。

综上所述，建议生产企业在水洗机制砂过程中，应在石料源头控制含泥量，规范使用絮凝剂，避免絮凝剂的残留，力求将絮凝剂残留量对机制砂及混凝土的不良影响降到最低。同时，一方面，建议研究机构积极探索出便捷、有效的检测水洗机制砂是否残留絮凝剂及检测絮凝剂含量的方法，以便于预拌混凝土企业对机制砂进厂时的快速检验，从而指导生产；另一方面，建议开发出絮凝剂抑制剂，有效抑制絮凝剂的副作用，在一定程度上降低混凝土的波动，从而提高混凝土的质量。

3结语

（1）机制砂的粒型、颗粒级配、石粉含量、含泥量、絮凝剂残留等几个特征参数对机制砂混凝土的性能影响较大。机制砂混凝土普遍存在和易性不好、坍落度损失大、强度不高、性能波动大等问题。

（2）建议根据机制砂的颗粒级配、石粉含量，合理搭配粗细骨料，完善整个混凝土体系的连续颗粒级配，提高混凝土的密实度，从而提高混凝土强度及和易性。

（3）机制砂含泥会增加混凝土收缩，降低混凝土强度，且混凝土坍落度损失较大，增加了由于现场监控不到位而导致的工人现场加水的风险。

（4）水洗机制砂絮凝剂残留导致机制砂混凝土坍落度经时损失大、减水剂掺量高等。建议相关研究机构积极探索，研究出便捷、有效的检测水洗机制砂是否残留絮凝剂及检测絮凝剂含量的方法，以便于预拌混凝土企业对机制砂进厂时的快速检验，方便指导生产。

（5）加强机制砂的进场检验，尤其是以上几个关键性指标，确保混凝土质量。技术人员应根据材料的情况，合理进行相关调整。