突破天然砂瓶頸：機(jī)制砂對(duì)干混砂漿性能有多大影響？

摘要：天然砂資源短缺、分布不平衡，是制約干混砂漿發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，因此尋找其他細(xì)骨料代替天然砂迫在眉睫。機(jī)制砂產(chǎn)量豐富且基本性能與天然砂類似，使用機(jī)制砂取代天然砂制備機(jī)制砂干混砂漿是必然趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比分析了機(jī)制砂取代率、母巖種類、顆粒級(jí)配以及石粉含量對(duì)干混砂漿工作性能、力學(xué)性能等性能的影響，同時(shí)探究了其作用機(jī)理。結(jié)果表明：機(jī)制砂取代率、母巖種類、顆粒級(jí)配以及石粉含量四大因素均會(huì)不同程度上影響干混砂漿的和易性、抗壓強(qiáng)度和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度；干混砂漿的耐久性和抗?jié)B性主要通過(guò)調(diào)整機(jī)制砂的顆粒級(jí)配和石粉含量來(lái)控制，其他因素對(duì)其影響較小。在此基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)機(jī)制砂干混砂漿的相關(guān)研究和應(yīng)用提出了展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂；干混砂漿；工作性能；力學(xué)性能；作用機(jī)理

近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工程建設(shè)整體規(guī)模越來(lái)越趨于大型化，從而間接加快了我國(guó)干混砂漿的發(fā)展。2020 年，我國(guó)干混砂漿年產(chǎn)量已超過(guò) 1.2 億 t，并呈逐年遞增趨勢(shì)。干混砂漿具有質(zhì)量穩(wěn)定、使用方便、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)

    其主要由天然砂、水泥和外加劑組成，其中天然砂因具有表面光滑、質(zhì)地堅(jiān)硬、含粉量低等特點(diǎn)被廣泛使用。但近年來(lái)由于建筑行業(yè)的快速發(fā)展以及人們對(duì)天然砂的大規(guī)模開(kāi)采，導(dǎo)致天然砂資源日漸緊缺，且作為一種短期內(nèi)不可再生的地方性資源，部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)沒(méi)有天然砂可用的情況，成為制約建筑行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素

    除此之外，天然砂資源還存在分布不平衡的問(wèn)題，部分地區(qū)需要常年向其他地區(qū)購(gòu)買天然砂，其中交通運(yùn)輸所產(chǎn)生的費(fèi)用大大增加了施工成本。為了有效解決這類問(wèn)題，我國(guó)有關(guān)部門一直在出臺(tái)相關(guān)法規(guī)保護(hù)天然砂的開(kāi)采并積極引導(dǎo)企業(yè)使用新型的細(xì)骨料來(lái)代替天然砂。我國(guó)擁有大量的石灰?guī)r和花崗巖，其中石灰?guī)r儲(chǔ)量約占世界總儲(chǔ)量的 64%，主要分布在貴州、四川、重慶、云南等地區(qū)，花崗巖則廣泛分布于我國(guó)東南部和東北部。因此大量研究人員將石灰?guī)r或花崗巖破碎后制成機(jī)制砂來(lái)取代天然砂生產(chǎn)干混砂漿，他們發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂干混砂漿的整體性能優(yōu)異，各性能指標(biāo)均在規(guī)范要求之內(nèi)。自此，機(jī)制砂逐漸步入人們的視野中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年我國(guó)機(jī)制砂在總的砂石消耗中占比高達(dá) 86%，機(jī)制砂的應(yīng)用在我國(guó)已經(jīng)較為普遍。機(jī)制砂的生產(chǎn)設(shè)備主要有 3 種：制砂設(shè)備、篩分設(shè)備和選粉設(shè)備。經(jīng)過(guò) 3 道工序生產(chǎn)出來(lái)的機(jī)制砂才能用作干混砂漿的細(xì)骨料原材料。

    由于機(jī)制砂質(zhì)量的可控性，機(jī)制砂干混砂漿普遍受到我國(guó)干混砂漿企業(yè)的喜愛(ài)，尤其是在石灰?guī)r和花崗巖資源豐富的地區(qū)，機(jī)制砂已經(jīng)成為主流的細(xì)骨料原材料之一。利用機(jī)制砂取代天然砂制備機(jī)制砂干混砂漿可以有效解決天然砂資源短缺以及砂漿強(qiáng)度不足等問(wèn)題

    所以，為了減輕天然砂資源緊缺的壓力，促進(jìn)土木工程行業(yè)的發(fā)展，貫徹可持續(xù)發(fā)展觀，研究與應(yīng)用機(jī)制砂干混砂漿是當(dāng)下干混砂漿行業(yè)的必然趨勢(shì)。

 機(jī)制砂俗稱人工砂，是由巖石或卵石等經(jīng)除土開(kāi)采、機(jī)械破碎、篩分而成的公稱粒徑小于 4.75 mm的巖石或卵石（不包括軟質(zhì)巖和風(fēng)化巖）顆粒目前我國(guó)機(jī)制砂的生產(chǎn)方式主要有 2 種：

    1）挑選優(yōu)質(zhì)的巖石，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)化的破碎，采用該方式生產(chǎn)出來(lái)的機(jī)制砂具有級(jí)配合理、細(xì)度模數(shù)穩(wěn)定、粒形優(yōu)良、石粉含量適中、含泥量較少等優(yōu)點(diǎn)；    

    2）對(duì)巖石尾礦或生產(chǎn)粗集料后的碎石進(jìn)行破碎加工并篩分，去除多余的石粉后形成機(jī)制砂，該方法是目前我國(guó)生產(chǎn)機(jī)制砂的主要方式。圖 1 為機(jī)制砂生產(chǎn)流程圖。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中，優(yōu)質(zhì)的母巖、合理的工藝制備流程以及先進(jìn)的制砂設(shè)備均會(huì)極大地影響生產(chǎn)出來(lái)的機(jī)制砂質(zhì)量［。因此，在機(jī)制砂的實(shí)際生產(chǎn)中這三點(diǎn)尤為重要。

1）適合機(jī)制砂生產(chǎn)的母巖種類較多且儲(chǔ)量豐富，因此機(jī)制砂的產(chǎn)能上限較高；2）機(jī)制砂中含有較多石粉，但含泥量較少，適量石粉有助于改善混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)性能；3）機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)和顆粒級(jí)配可控，可以通過(guò)調(diào)整設(shè)備參數(shù)來(lái)調(diào)整機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)和顆粒級(jí)配，同時(shí)也保證了機(jī)制砂的質(zhì)量。機(jī)制砂的缺點(diǎn)：1）機(jī)制砂的質(zhì)量受母巖影響較大，部分母巖生產(chǎn)出來(lái)的機(jī)制砂物理性能優(yōu)于天然砂，因此在生產(chǎn)過(guò)程中最好使用同一種母巖生產(chǎn)機(jī)制砂；2）機(jī)制砂的孔隙率較大，不少學(xué)者認(rèn)為，與天然砂相比，機(jī)制砂作為細(xì)骨料添加到混凝土中能有效提高混凝土的強(qiáng)度，這是由于其不規(guī)則的形狀能增大與其他材料之間的摩擦，從而使混凝土擁有更加致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)調(diào)整機(jī)制砂中石粉的含量來(lái)保證干混砂漿強(qiáng)度不受影響的同時(shí)，改善干混砂漿的和易性，使干混砂漿的性能得到有效提升；通過(guò)調(diào)整機(jī)制砂中粗砂、中砂、細(xì)砂的比例使其達(dá)到最優(yōu)級(jí)配，從而在干混砂漿中更好地發(fā)揮細(xì)骨料的作用。

對(duì)干混砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響，研究表明，干混砂漿凝結(jié)時(shí)間會(huì)受到機(jī)制砂母巖種類與機(jī)制砂中石粉含量的影響，兩者均會(huì)在不同程度上延緩干混砂漿的凝結(jié)時(shí)間。研究了不同巖性機(jī)制砂對(duì)干混砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響，結(jié)果表明，與天然砂相比，花崗巖機(jī)制砂、砂巖機(jī)制砂、石灰?guī)r機(jī)制砂干混砂漿的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均有所延長(zhǎng)，其中砂巖機(jī)制砂緩凝時(shí)間最長(zhǎng)，延緩了 1.5 h。由此說(shuō)明機(jī)制砂取代天然砂會(huì)延長(zhǎng)干混砂漿的凝結(jié)時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，干混砂漿凝結(jié)時(shí)間總體隨著機(jī)制砂中石粉含量的增多而延長(zhǎng)，但影響不大，且規(guī)律性不穩(wěn)定，甚至當(dāng)石粉含量為 15%時(shí)，干混砂漿凝結(jié)時(shí)間較基準(zhǔn)組縮短了 45 min，研究的石粉對(duì)干混砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響結(jié)果相似。出現(xiàn)此類現(xiàn)象的主要原因是大部分石粉為惰性材料，石粉的摻入會(huì)減弱膠凝材料的水化反應(yīng)，從而延緩凝結(jié)時(shí)間，但部分較細(xì)石粉由于具有較大的比表面積而具有一定的活性，可以發(fā)揮“晶核作用”，促進(jìn)鈣礬石（AFt）的生成，縮短凝結(jié)時(shí)間，兩者互相影響才導(dǎo)致了石粉對(duì)干混砂漿凝結(jié)時(shí)間影響的不規(guī)律性。對(duì)干混砂漿稠度的影響    干混砂漿的和易性可通稠度和保水性 2 個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行表征。機(jī)制砂取代率從0%～100%對(duì)干混砂漿稠度的影響，結(jié)果表明，對(duì)于石灰?guī)r類機(jī)制砂，干混砂漿稠度整體隨著機(jī)制砂取代率的增加而增大，當(dāng)機(jī)制砂取代率為 75%時(shí)，干混砂漿稠度達(dá)到最大值，約為基準(zhǔn)組的 1.44 倍；但對(duì)于卵石類機(jī)制砂，卻得到了相反的規(guī)律，即隨著機(jī)制砂取代率的增加干混砂漿稠度呈線性下降趨勢(shì)，當(dāng)機(jī)制砂完全取代天然砂時(shí)，干混砂漿稠度僅為基準(zhǔn)組的 58%，如圖 2 所示天然砂被機(jī)制砂取代，干混砂漿的稠度呈明顯下降趨勢(shì)，當(dāng)水膠比為 0.7 時(shí)，干混砂漿稠度與基準(zhǔn)組相比減少了 17%，究其原因主要是機(jī)制砂顆粒粗糙，形貌一般為多棱邊，在砂漿內(nèi)部流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大摩擦力，使得干混砂漿流動(dòng)性變差，從而導(dǎo)致干混砂漿稠度減小。

研究表明，機(jī)制砂的顆粒級(jí)配和石粉含量會(huì)顯著改變干混砂漿的保水率。研究了 6 種不同顆粒級(jí)配機(jī)制砂對(duì)干混砂漿保水性的影響，結(jié)果表明，隨著機(jī)制砂中細(xì)顆粒含量的增加，干混砂漿的保水性呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，保水率較基準(zhǔn)組增大了約 15%。全機(jī)制砂水泥基自流平干混砂漿時(shí)也得到了相似的結(jié)論，認(rèn)為出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是機(jī)制砂中細(xì)顆粒含量的增加導(dǎo)致了機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的減小，機(jī)制砂比表面積增大，可以更好地鎖住自由水，減少水分的散失。機(jī)制砂中的石粉影響了干混砂漿的保水性，干混砂漿保水率隨著石粉含量的增加呈現(xiàn)先上升后突然下降的趨勢(shì)，干混砂漿保水率在石粉含量為 18%時(shí)達(dá)到峰值，與基準(zhǔn)組相比增加了 1.3%，其主要原因是當(dāng)石粉的比表面積達(dá)到一定程度時(shí)，石粉可以充分發(fā)揮其填充效應(yīng)、形貌效應(yīng)和分散效應(yīng)，使得砂漿漿體之間貼合得更加致密，改善干混砂漿的保水性。

  機(jī)制砂對(duì)干混砂漿和易性有著不同的影響。其中，干混砂漿的凝結(jié)時(shí)間受到機(jī)制砂母巖種類的影響，機(jī)制砂取代天然砂時(shí)干混砂漿凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)；機(jī)制砂中石粉含量也會(huì)使干混砂漿產(chǎn)生緩凝現(xiàn)象，但不具有規(guī)律性，有時(shí)甚至?xí)垢苫焐皾{凝結(jié)時(shí)間縮短，主要取決于石粉的細(xì)度與含量。機(jī)制砂會(huì)使干混砂漿的稠度減小，但不同巖性的機(jī)制砂取代天然砂最終導(dǎo)致的稠度變化也會(huì)不同。干混砂漿的保水性受到機(jī)制砂顆粒級(jí)配和石粉含量的影響，優(yōu)良的顆粒級(jí)配和適量的石粉含量均會(huì)增加干混砂漿的保水率，石粉最佳含量為 18%左右。

 研究表明，機(jī)制砂取代率、顆粒級(jí)配和石粉含量均會(huì)對(duì)干混砂漿的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于石灰?guī)r類機(jī)制砂，當(dāng)機(jī)制砂取代率小于 50%時(shí)，干混砂漿抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯的變化，當(dāng)機(jī)制砂取代率超過(guò) 50%時(shí)，干混砂漿抗壓強(qiáng)度隨著機(jī)制砂取代率的增加而明顯提高，機(jī)制砂完全取代天然砂時(shí)干混砂漿的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了基準(zhǔn)組的 1.42 倍。干混砂漿的抗壓強(qiáng)度還會(huì)受到機(jī)制砂中石粉的影響，少量石粉在干混砂漿中可以充分發(fā)揮其微粒填充作用，改善干混砂漿的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高干混砂漿的致密性，進(jìn)而提高干混砂漿的抗壓強(qiáng)度。

主要在于：1）機(jī)制砂顆粒級(jí)配可控，可通過(guò)調(diào)整機(jī)制砂顆粒級(jí)配和細(xì)度模數(shù)來(lái)獲得干混砂漿所需最優(yōu)細(xì)骨料，從而提高干混砂漿結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，增大干混砂漿的抗壓強(qiáng)度。2）機(jī)制砂中的石粉具有“微集料效應(yīng)”，可以填充水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空隙，提高堆積結(jié)構(gòu)的致密度。另外，石粉并不是完全的惰性物質(zhì)，部分較細(xì)粒度的石粉會(huì)與 C3A 反應(yīng)生成水合物鋁酸鈣，產(chǎn)生額外的水化產(chǎn)物，從而提高干混砂漿的抗壓強(qiáng)度。但過(guò)量的石粉對(duì)干混砂漿抗壓強(qiáng)度有著不利影響，過(guò)量的石粉會(huì)導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物減少、需水量增加，后期強(qiáng)度降低。

研究發(fā) 現(xiàn)，當(dāng)石灰石 粉摻量為 10%～20%時(shí)，可以提高干混砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，當(dāng)石灰石粉摻量為 5%～8%時(shí)，其對(duì)干混砂漿的改善效果與粉煤灰相當(dāng)。玄武巖石粉顆粒較為圓滑，因此受力較好，且石粉活性較低（如圖 3 所示），大部分石粉沒(méi)有參與水泥水化反應(yīng)，可以起到較好的微集料填充效應(yīng)，從而提高了干混砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。

   研究還發(fā)現(xiàn)，干混砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)隨著機(jī)制砂中石粉含量的增多而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，石粉最佳含量在 9%左右，石粉含量過(guò)多或過(guò)少均會(huì)導(dǎo)致干混砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度降低。究其原因是石粉含量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致干混砂漿需水量增多，產(chǎn)生干縮裂縫，從而導(dǎo)致干混砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度降低；石粉含量過(guò)少則會(huì)降低其微集料效應(yīng)，導(dǎo)致干混砂漿結(jié)構(gòu)不密實(shí)，進(jìn)而導(dǎo)致干混砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度降低。而機(jī)制砂中細(xì)顆粒含量較多時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生填充效果，可以與膠凝材料表面充分接觸，粘結(jié)效果好。

  機(jī)制砂對(duì)干混砂漿抗壓強(qiáng)度和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律基本一致。優(yōu)良的機(jī)制砂顆粒級(jí)配與適量的石粉含量均能提高干混砂漿的強(qiáng)度。機(jī)制砂完全取代天然砂時(shí)，干混砂漿抗壓強(qiáng)度最高；石粉摻量為 5%～9%時(shí)，干混砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最高。4 機(jī)制砂對(duì)干混砂漿其他性能的影響4. 1 對(duì)干混砂漿耐久性的影響    大量研究表明，干混砂漿的收縮與機(jī)制砂的取代率、顆粒級(jí)配以及石粉含量有著密切的關(guān)系。機(jī)制砂取代天然砂能明顯改善干混砂漿的收縮，其中當(dāng)機(jī)制砂取代率為 50%時(shí)，干混砂漿收縮值最小，表現(xiàn)出了良好的耐久性。機(jī)制砂中石粉的存在會(huì)導(dǎo)致干混砂漿干縮值增大，并會(huì)隨著石粉含量的增加而不斷增大，當(dāng)石粉含量為 20%時(shí)，干混砂漿干縮值較基準(zhǔn)組增大約 15%。

研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂中的石粉越細(xì)，對(duì)干混砂漿的抗?jié)B性越有利。這是由于較細(xì)的石粉具有“晶核作用”，能促使水化產(chǎn)物 Ca（OH）2 生長(zhǎng)附著在石粉的表面，阻止其生長(zhǎng)為大晶體，從而減小了干混砂漿的孔隙率，增強(qiáng)了干混砂漿的抗?jié)B性。  機(jī)制砂對(duì)干混砂漿的耐久性和抗?jié)B性均有益處。機(jī)制砂取代率為 50%時(shí)，干混砂漿收縮值最?。徽{(diào)整機(jī)制砂顆粒級(jí)配，使干混砂漿擁有最大堆積密度時(shí)，干混砂漿收縮值最小。機(jī)制砂中石粉的適量存在可以增強(qiáng)干混砂漿的抗?jié)B性。

 社會(huì)效益    我國(guó)已提出在 2030 年之前達(dá)到“碳達(dá)峰”以及在 2060 年之前達(dá)到“碳中和”，我國(guó)年碳排放量自2030 年起不再增長(zhǎng)，且之后每年逐步降低。機(jī)制砂的制備和使用恰恰符合當(dāng)前這一國(guó)內(nèi)趨勢(shì)。機(jī)制砂可采用廢棄石料或尾礦進(jìn)行制備，而不是開(kāi)采天然河砂 ，這就意味著更好地保護(hù)了水土資源，我國(guó)綠色植被建設(shè)也可以得到穩(wěn)固發(fā)展，且對(duì)廢料進(jìn)行了再次回收利用，提高了資源利用率，這都有利于我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)。除了在環(huán)境方面的效益，機(jī)制砂干混砂漿在我國(guó)工程中的進(jìn)一步應(yīng)用也意味著我國(guó)工程應(yīng)用領(lǐng)域的飛快發(fā)展。機(jī)制砂干混砂漿是一種更優(yōu)質(zhì)的建筑材料，可以更好地把控產(chǎn)品質(zhì)量以及使生產(chǎn)運(yùn)輸更便捷，對(duì)機(jī)制砂干混砂漿更好的應(yīng)用也意味著我國(guó)工程質(zhì)量更好的發(fā)展。

  機(jī)制砂與天然砂相比最大的優(yōu)勢(shì)在于其較低的獲得成本。當(dāng)前國(guó)內(nèi)天然砂用量緊張，我國(guó)南部地區(qū)每噸天然砂銷售價(jià)超過(guò) 200 元，若考慮從菲律賓或馬來(lái)西亞進(jìn)口天然砂，到岸價(jià)可能超過(guò) 20 美元/t，這還不包含到達(dá)國(guó)內(nèi)后的內(nèi)陸運(yùn)輸價(jià)格，可見(jiàn)現(xiàn)在工程使用天然砂將是一筆巨大的開(kāi)銷。與天然砂相比，機(jī)制砂的獲得成本低得多，我國(guó)南方城市若采取購(gòu)買機(jī)制砂的方式每噸可節(jié)約超 30 元，這證明機(jī)制砂具有極佳的商業(yè)價(jià)值和發(fā)展前景。同時(shí)機(jī)制砂具有易制備、參數(shù)易控制、原料易獲得等優(yōu)點(diǎn)，且運(yùn)輸費(fèi)用和人工成本的減少可以使工程成本進(jìn)一步降低，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)具有極大貢獻(xiàn)。

 國(guó)內(nèi)外大量研究者對(duì)機(jī)制砂干混砂漿的研究表明：機(jī)制砂對(duì)干混砂漿性能的提升有益，采用優(yōu)良的機(jī)制砂干混砂漿配合比能夠有效改善干混砂漿的和易性、抗?jié)B性和耐久性以及提高干混砂漿的強(qiáng)度，并且可以通過(guò)改變機(jī)制砂的母巖品種、顆粒級(jí)配、石粉含量以及取代率來(lái)控制機(jī)制砂干混砂漿的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)工程項(xiàng)目需求來(lái)調(diào)整機(jī)制砂干混砂漿的性能，在保證工程項(xiàng)目質(zhì)量的同時(shí)，兼顧環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)干混砂漿行業(yè)的發(fā)展。

我司生產(chǎn)的保溫膠粉，保溫砂漿，抗裂砂漿、外墻膩?zhàn)佣际怯酶哔|(zhì)量機(jī)制砂配比混合而成。機(jī)制砂原料來(lái)源固定，經(jīng)專用的破碎設(shè)備經(jīng)過(guò)破碎后產(chǎn)生，機(jī)械化的生產(chǎn)方式保證了機(jī)制砂產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定、可調(diào)、可控，并且可以根據(jù)工程的需要進(jìn)行顆粒級(jí)配、細(xì)度等相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，相比天然沙具有更好的工程適用性。我們是貴陽(yáng)建筑材料源頭工廠，產(chǎn)品價(jià)格透明，一噸也是批發(fā)價(jià)，需要的老板歡迎咨詢。