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摘 要：介绍机制砂使用于水泥混凝土中的性质及应用性能。
关键词：机制砂；混凝土；技术性能
Mechanisms of sand in cement concrete
Meng Ling-ji 1，An Ping 2，Fan Jin-guo3
（1 Rizhao Port Group Co.， Ltd.； 2 Rizhao City Roads Agency；
3 Rizhao City East Highway Administration， Shandong Rizhao 276826）
Abstract： The mechanism of the nature and application performance using sand cement concrete.
Keywords： Mechanism of sand； technical performance； concrete
1.前言
国内外应用机制砂的情况在美、英、日等工业发达国家使用人工砂（机制砂）作为混凝土细骨料已有30多年历史，在各种建筑工程中应用比较普遍，关于机制砂的材料与试验、使用标准已相当完善。而我国在建筑方面采用机制砂从20世纪60年代已经起步，但河砂、江砂等天然砂的使用还比较普遍，1973年国家建委在贵州省召开了机制砂在混凝土中应用的论证会，通过建材业和建筑业的经验交流，肯定了研究成果，并制定了《机制砂混凝土技术规程》。自此，机制砂的应用范围得以扩大，由建筑行业扩大到公路、铁路、水电、冶金等系统，由挡护工程扩大到桥梁、隧道及水工工程，从砌筑砂浆发展到普通混凝土、钢筋混凝土，预应力混凝土、泵送混凝土、气密性混凝土及喷锚支护等工程。但是由于试验标准与技术规范的不完善及试验材料的滞后，我国建筑业对天然砂还存在较强的依赖性，在许多重要结构中对机制砂的使用还存在限制条件。
2.机制砂特性分析
机制砂（译为manufactured sand）是“岩石经出土开采、机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm以下的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒”。
2.1机制砂总体性能
机制砂颗粒由于具有棱角和表面较粗糙，因而拌制的混凝土和易性较差，可引起混凝土的较大泌水率，但机制砂中通常含有石粉可以部分改善混凝土的工作性能。通常在同一工地，机制砂与碎石是同一种母岩制成，热学性能一致，对大体积混凝土技术效果尤为显著。
2.2机制砂的规格
粒度级配良好的一种砂子，一个细度模数只对应一个级配，同时它的细度模数和单筛的筛余量成线性关系，对于一种砂子，先通过试验建立关系式后，只要测定一个单筛的筛余量即可快速求出细度模数。机制砂中石粉含量的变化是随细度模数变化而发生变化的，细度模数越小，石粉含量就越高；反之，细度模数越大，石粉含量越低。机制砂按细度模数分为中砂和粗砂（一般3.1-3.9为粗砂；2.3-3.0为中砂）两种规格。机制砂小于0.075mm的颗粒（即石粉），按其性质和在混凝土中的作用，都不能等同于天然砂中的泥含量。
3.机制砂混凝土与天然砂混凝土的比较
因为机制砂由机械破碎、筛分制成，颗粒形状粗糙尖锐、多棱角，通常用它来配制混凝土砂率比天然河砂混凝土大；并且机制砂颗粒内部微裂纹多、空隙率大、开口相互贯通的空隙多、比表面积大，加上石粉含量高等特点，与天然河砂混凝土相比，有其自身的特点，主要表现为以下2个方面：
3.1坚固性与耐久性试验；机制砂的坚固性能比河砂稍差，但仍然达到GB/T 141684293标准的优等品指标，在普通混凝土中使用不存在问题。但在经常遭受摩擦冲击的混凝土构件中使用，除必须掺用外加剂，还应控制混凝土的灰砂比和砂的压碎指标与石粉含量。
3.2机制砂石粉含量对水泥拌合物性能的影响；通过水泥的试验、砂浆试验、混凝土试验用机制砂配制混凝土与天然砂无大的区别，一般来讲，同坍落度的前提下，机制砂的用水量要稍大些，但要根据施工条件及结构物和运输等因素考虑。但对混凝土的强度基本不变；用机制砂配制泵送混凝土等特种混凝土时注意砂率不宜过高，防止降低混凝土强度和耐久性等工程质量。
4.混凝土试验
结果表明：在水灰比相同的条件下，机制砂中小于75μm 的砂粉含量在30%以下时除高等级混凝土的抗压强度略低于中砂（河砂）混凝土外，其他的抗折、抗拉、抗压强度以及钢筋的粘结力都高于河砂混凝土，参照有关国外文献资料的结论相符。
4.1混凝土强度
强度是混凝土作为结构材料的一个重要依据。因而机制砂对混凝土的强度影响也是混凝土工作者最关心的一个问题。据资料显示，在同等条件下，用机制砂配制的混凝土比天然河砂配制出的混凝土强度略高。杜庆蟾等人认为：由石灰石破碎而成的机制砂，其成分是碳酸钙，处于高浓度氢氧化钙中，其表面会发生微弱化学反应，天然河砂成分中二氧化硅含量高，不能发生类似反应；且机制砂质地坚硬，有新鲜界面，表面能高；机制砂表面粗糙、棱角多，有助于提高界面的黏结。
4.2混凝土弹性模量
机制砂粗糙多棱角的颗粒在砂浆中起着骨架作用，限制了水泥石的变形及骨料颗粒之间的滑动；机制砂与水泥石间有良好的黏结界面，使得界面孔隙少，减少了应力集中；机制砂密度大，空隙率小，有利于提高混凝土抗压弹模的受压徐变强度。研究结果均表明在保持相同水灰比和水泥用量的条件下，机制砂混凝土的弹性模量高于普通混凝土。
4.3混凝土干缩性能
研究结果显示：与常规细骨料（石粉含量3%）相比，石粉含量为16%和12%的混凝土干缩率分别增大12.8%和4.8%.其中，石粉含量在12%以下时，干缩率增大缓慢，石粉含量大于12%时，干缩率迅速增大。并认为干缩率随石粉含量增加而增大，这是由于石粉中小于0.08mm的极细颗粒随石粉含量的增加而增多，这种极细颗粒在混凝土拌和物中起到增加水泥浆含量的作用，混凝土的干缩正是来源于水泥浆的干缩，显然，单位体积水泥浆多，导致干缩率增大。 4.4混凝土抗渗性
由于混凝土的抗渗性主要与其孔结构有关，因此大多数人认为机制砂中的石粉是其提高抗渗性的主要原因。混凝土的研究者认为：机制砂中的石粉只是一种有效的填料，虽然不具有活性，但提高了混凝土的密实性，增强了水泥石与骨料界面黏结；而有人则认为石粉能加速C3S的水化，并与C3A、C4FA反应生成结晶水化物，并能改善水泥石的孔隙结构，因此抗渗性能得到提高。
4.5混凝土抗冻性
张映全等在配制C40混凝土时采用50%的石屑替代河砂以提高混凝土的抗冻性，并得到较好的结果，其中采用石屑替代的经200次冻融循环后比未替代的强度少损失9.96%。认为主要是石粉在一定程度上改善了混凝土的毛细孔结构，提高了混凝土的抗冻融性。
4.6混凝土耐久性试验
根据GBJ 82285普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准；混凝土抗压疲劳强度试验荷载采用受压稳定脉冲荷载试验荷载循环次数为200万次，下限应力与上限应力的比值称为荷载循环特征系数（P），为0.15。在此条件能承受200万次反复荷载不破坏，即可在桥梁等混凝土结构物使用。试验结果表明，机制砂混凝土能够满足这方面的要求，在自然条件的外力作用下影响混凝土建筑物寿命的诸多因素，一般认为冻融交替是主要环节，机制砂混凝土能够满足技术规范要求。
综合上述研究结果，可以看出机制砂混凝土在工作性、强度、抗渗性、抗冻性、耐久性等方面表现出一定的优越性，尤其是在低标号混凝土中，石粉具有一定的微集料填充效果，改善混凝土的孔隙结构，使得其强度、抗渗性、抗冻性都较天然河砂混凝土好。
机制砂混凝土掺合料使用，能够满足混凝土拌和物性能、力学性能、变形性能和耐久性能等要求。众所周知，随着人口的逐年增长，经济的飞速发展，能源危机日益逼近。建材产业作为耗能大户，更应响应两会的“树立科学发展观，构建和谐社会”的号召，社会的发展，科技的进步，实现混凝土的绿色化，高性能化，是时代赋于我们试验人员的历史使命，在保证质量的前提下尽量降低混凝土的原材料成本，适量地节约水泥而不影响混凝土的质量，可节约能源、节约水泥就是节约了能源，自然就使能源消耗减少。机制砂混凝土的成功应用，为机制砂在混凝土中的推广应用提供理论和实践依据。
参考文献
[1] JTG E30-2005.公路工程水泥及水泥混凝土试验规程.人民交通出版社
[2] 刘长俊.辽宁科学技术出版社.混凝土配合比设计计算手册，1993.7
关键词：机制砂；混凝土；技术性能
Mechanisms of sand in cement concrete
Meng Ling-ji 1，An Ping 2，Fan Jin-guo3
（1 Rizhao Port Group Co.， Ltd.； 2 Rizhao City Roads Agency；
3 Rizhao City East Highway Administration， Shandong Rizhao 276826）
Abstract： The mechanism of the nature and application performance using sand cement concrete.
Keywords： Mechanism of sand； technical performance； concrete
1.前言
国内外应用机制砂的情况在美、英、日等工业发达国家使用人工砂（机制砂）作为混凝土细骨料已有30多年历史，在各种建筑工程中应用比较普遍，关于机制砂的材料与试验、使用标准已相当完善。而我国在建筑方面采用机制砂从20世纪60年代已经起步，但河砂、江砂等天然砂的使用还比较普遍，1973年国家建委在贵州省召开了机制砂在混凝土中应用的论证会，通过建材业和建筑业的经验交流，肯定了研究成果，并制定了《机制砂混凝土技术规程》。自此，机制砂的应用范围得以扩大，由建筑行业扩大到公路、铁路、水电、冶金等系统，由挡护工程扩大到桥梁、隧道及水工工程，从砌筑砂浆发展到普通混凝土、钢筋混凝土，预应力混凝土、泵送混凝土、气密性混凝土及喷锚支护等工程。但是由于试验标准与技术规范的不完善及试验材料的滞后，我国建筑业对天然砂还存在较强的依赖性，在许多重要结构中对机制砂的使用还存在限制条件。
2.机制砂特性分析
机制砂（译为manufactured sand）是“岩石经出土开采、机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm以下的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒”。
2.1机制砂总体性能
机制砂颗粒由于具有棱角和表面较粗糙，因而拌制的混凝土和易性较差，可引起混凝土的较大泌水率，但机制砂中通常含有石粉可以部分改善混凝土的工作性能。通常在同一工地，机制砂与碎石是同一种母岩制成，热学性能一致，对大体积混凝土技术效果尤为显著。
2.2机制砂的规格
粒度级配良好的一种砂子，一个细度模数只对应一个级配，同时它的细度模数和单筛的筛余量成线性关系，对于一种砂子，先通过试验建立关系式后，只要测定一个单筛的筛余量即可快速求出细度模数。机制砂中石粉含量的变化是随细度模数变化而发生变化的，细度模数越小，石粉含量就越高；反之，细度模数越大，石粉含量越低。机制砂按细度模数分为中砂和粗砂（一般3.1-3.9为粗砂；2.3-3.0为中砂）两种规格。机制砂小于0.075mm的颗粒（即石粉），按其性质和在混凝土中的作用，都不能等同于天然砂中的泥含量。
3.机制砂混凝土与天然砂混凝土的比较
因为机制砂由机械破碎、筛分制成，颗粒形状粗糙尖锐、多棱角，通常用它来配制混凝土砂率比天然河砂混凝土大；并且机制砂颗粒内部微裂纹多、空隙率大、开口相互贯通的空隙多、比表面积大，加上石粉含量高等特点，与天然河砂混凝土相比，有其自身的特点，主要表现为以下2个方面：
3.1坚固性与耐久性试验；机制砂的坚固性能比河砂稍差，但仍然达到GB/T 141684293标准的优等品指标，在普通混凝土中使用不存在问题。但在经常遭受摩擦冲击的混凝土构件中使用，除必须掺用外加剂，还应控制混凝土的灰砂比和砂的压碎指标与石粉含量。
3.2机制砂石粉含量对水泥拌合物性能的影响；通过水泥的试验、砂浆试验、混凝土试验用机制砂配制混凝土与天然砂无大的区别，一般来讲，同坍落度的前提下，机制砂的用水量要稍大些，但要根据施工条件及结构物和运输等因素考虑。但对混凝土的强度基本不变；用机制砂配制泵送混凝土等特种混凝土时注意砂率不宜过高，防止降低混凝土强度和耐久性等工程质量。
4.混凝土试验
结果表明：在水灰比相同的条件下，机制砂中小于75μm 的砂粉含量在30%以下时除高等级混凝土的抗压强度略低于中砂（河砂）混凝土外，其他的抗折、抗拉、抗压强度以及钢筋的粘结力都高于河砂混凝土，参照有关国外文献资料的结论相符。
4.1混凝土强度
强度是混凝土作为结构材料的一个重要依据。因而机制砂对混凝土的强度影响也是混凝土工作者最关心的一个问题。据资料显示，在同等条件下，用机制砂配制的混凝土比天然河砂配制出的混凝土强度略高。杜庆蟾等人认为：由石灰石破碎而成的机制砂，其成分是碳酸钙，处于高浓度氢氧化钙中，其表面会发生微弱化学反应，天然河砂成分中二氧化硅含量高，不能发生类似反应；且机制砂质地坚硬，有新鲜界面，表面能高；机制砂表面粗糙、棱角多，有助于提高界面的黏结。
4.2混凝土弹性模量
机制砂粗糙多棱角的颗粒在砂浆中起着骨架作用，限制了水泥石的变形及骨料颗粒之间的滑动；机制砂与水泥石间有良好的黏结界面，使得界面孔隙少，减少了应力集中；机制砂密度大，空隙率小，有利于提高混凝土抗压弹模的受压徐变强度。研究结果均表明在保持相同水灰比和水泥用量的条件下，机制砂混凝土的弹性模量高于普通混凝土。
4.3混凝土干缩性能
研究结果显示：与常规细骨料（石粉含量3%）相比，石粉含量为16%和12%的混凝土干缩率分别增大12.8%和4.8%.其中，石粉含量在12%以下时，干缩率增大缓慢，石粉含量大于12%时，干缩率迅速增大。并认为干缩率随石粉含量增加而增大，这是由于石粉中小于0.08mm的极细颗粒随石粉含量的增加而增多，这种极细颗粒在混凝土拌和物中起到增加水泥浆含量的作用，混凝土的干缩正是来源于水泥浆的干缩，显然，单位体积水泥浆多，导致干缩率增大。 4.4混凝土抗渗性
由于混凝土的抗渗性主要与其孔结构有关，因此大多数人认为机制砂中的石粉是其提高抗渗性的主要原因。混凝土的研究者认为：机制砂中的石粉只是一种有效的填料，虽然不具有活性，但提高了混凝土的密实性，增强了水泥石与骨料界面黏结；而有人则认为石粉能加速C3S的水化，并与C3A、C4FA反应生成结晶水化物，并能改善水泥石的孔隙结构，因此抗渗性能得到提高。
4.5混凝土抗冻性
张映全等在配制C40混凝土时采用50%的石屑替代河砂以提高混凝土的抗冻性，并得到较好的结果，其中采用石屑替代的经200次冻融循环后比未替代的强度少损失9.96%。认为主要是石粉在一定程度上改善了混凝土的毛细孔结构，提高了混凝土的抗冻融性。
4.6混凝土耐久性试验
根据GBJ 82285普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准；混凝土抗压疲劳强度试验荷载采用受压稳定脉冲荷载试验荷载循环次数为200万次，下限应力与上限应力的比值称为荷载循环特征系数（P），为0.15。在此条件能承受200万次反复荷载不破坏，即可在桥梁等混凝土结构物使用。试验结果表明，机制砂混凝土能够满足这方面的要求，在自然条件的外力作用下影响混凝土建筑物寿命的诸多因素，一般认为冻融交替是主要环节，机制砂混凝土能够满足技术规范要求。
综合上述研究结果，可以看出机制砂混凝土在工作性、强度、抗渗性、抗冻性、耐久性等方面表现出一定的优越性，尤其是在低标号混凝土中，石粉具有一定的微集料填充效果，改善混凝土的孔隙结构，使得其强度、抗渗性、抗冻性都较天然河砂混凝土好。
机制砂混凝土掺合料使用，能够满足混凝土拌和物性能、力学性能、变形性能和耐久性能等要求。众所周知，随着人口的逐年增长，经济的飞速发展，能源危机日益逼近。建材产业作为耗能大户，更应响应两会的“树立科学发展观，构建和谐社会”的号召，社会的发展，科技的进步，实现混凝土的绿色化，高性能化，是时代赋于我们试验人员的历史使命，在保证质量的前提下尽量降低混凝土的原材料成本，适量地节约水泥而不影响混凝土的质量，可节约能源、节约水泥就是节约了能源，自然就使能源消耗减少。机制砂混凝土的成功应用，为机制砂在混凝土中的推广应用提供理论和实践依据。
参考文献
[1] JTG E30-2005.公路工程水泥及水泥混凝土试验规程.人民交通出版社
[2] 刘长俊.辽宁科学技术出版社.混凝土配合比设计计算手册，1993.7