突破天然砂瓶頸：機制砂對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)展的關鍵因素之一，因此尋找其他細骨料代替天然砂迫在眉睫。機制砂產(chǎn)量豐富且基本性能與天然砂類似，使用機制砂取代天然砂制備機制砂干混砂漿是必然趨勢。通過對比分析了機制砂取代率、母巖種類、顆粒級配以及石粉含量對干混砂漿工作性能、力學性能等性能的影響，同時探究了其作用機理。結果表明：機制砂取代率、母巖種類、顆粒級配以及石粉含量四大因素均會不同程度上影響干混砂漿的和易性、抗壓強度和拉伸粘結強度；干混砂漿的耐久性和抗?jié)B性主要通過調(diào)整機制砂的顆粒級配和石粉含量來控制，其他因素對其影響較小。在此基礎上，對未來機制砂干混砂漿的相關研究和應用提出了展望。

關鍵詞：機制砂；干混砂漿；工作性能；力學性能；作用機理

近年來，隨著我國工業(yè)市場經(jīng)濟的迅速發(fā)展，工程建設整體規(guī)模越來越趨于大型化，從而間接加快了我國干混砂漿的發(fā)展。2020 年，我國干混砂漿年產(chǎn)量已超過 1.2 億 t，并呈逐年遞增趨勢。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

    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)地堅硬、含粉量低等特點被廣泛使用。但近年來由于建筑行業(yè)的快速發(fā)展以及人們對天然砂的大規(guī)模開采，導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)沒有天然砂可用的情況，成為制約建筑行業(yè)發(fā)展的關鍵因素

    除此之外，天然砂資源還存在分布不平衡的問題，部分地區(qū)需要常年向其他地區(qū)購買天然砂，其中交通運輸所產(chǎn)生的費用大大增加了施工成本。為了有效解決這類問題，我國有關部門一直在出臺相關法規(guī)保護天然砂的開采并積極引導企業(yè)使用新型的細骨料來代替天然砂。我國擁有大量的石灰?guī)r和花崗巖，其中石灰?guī)r儲量約占世界總儲量的 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制砂來取代天然砂生產(chǎn)干混砂漿，他們發(fā)現(xiàn)機制砂干混砂漿的整體性能優(yōu)異，各性能指標均在規(guī)范要求之內(nèi)。自此，機制砂逐漸步入人們的視野中。據(jù)統(tǒng)計，2021 年我國機制砂在總的砂石消耗中占比高達 86%，機制砂的應用在我國已經(jīng)較為普遍。機制砂的生產(chǎn)設備主要有 3 種：制砂設備、篩分設備和選粉設備。經(jīng)過 3 道工序生產(chǎn)出來的機制砂才能用作干混砂漿的細骨料原材料。

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

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

 機制砂俗稱人工砂，是由巖石或卵石等經(jīng)除土開采、機械破碎、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)巖和風化巖）顆粒目前我國機制砂的生產(chǎn)方式主要有 2 種：

    1）挑選優(yōu)質(zhì)的巖石，對其進行系統(tǒng)化的破碎，采用該方式生產(chǎn)出來的機制砂具有級配合理、細度模數(shù)穩(wěn)定、粒形優(yōu)良、石粉含量適中、含泥量較少等優(yōu)點；    

    2）對巖石尾礦或生產(chǎn)粗集料后的碎石進行破碎加工并篩分，去除多余的石粉后形成機制砂，該方法是目前我國生產(chǎn)機制砂的主要方式。圖 1 為機制砂生產(chǎn)流程圖。國內(nèi)外專家學者研究發(fā)現(xiàn)，在機制砂生產(chǎn)過程中，優(yōu)質(zhì)的母巖、合理的工藝制備流程以及先進的制砂設備均會極大地影響生產(chǎn)出來的機制砂質(zhì)量［。因此，在機制砂的實際生產(chǎn)中這三點尤為重要。

1）適合機制砂生產(chǎn)的母巖種類較多且儲量豐富，因此機制砂的產(chǎn)能上限較高；2）機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)部孔隙結構，提高其力學性能；3）機制砂的細度模數(shù)和顆粒級配可控，可以通過調(diào)整設備參數(shù)來調(diào)整機制砂的細度模數(shù)和顆粒級配，同時也保證了機制砂的質(zhì)量。機制砂的缺點：1）機制砂的質(zhì)量受母巖影響較大，部分母巖生產(chǎn)出來的機制砂物理性能優(yōu)于天然砂，因此在生產(chǎn)過程中最好使用同一種母巖生產(chǎn)機制砂；2）機制砂的孔隙率較大，不少學者認為，與天然砂相比，機制砂作為細骨料添加到混凝土中能有效提高混凝土的強度，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)部結構

研究發(fā)現(xiàn)，可以通過調(diào)整機制砂中石粉的含量來保證干混砂漿強度不受影響的同時，改善干混砂漿的和易性，使干混砂漿的性能得到有效提升；通過調(diào)整機制砂中粗砂、中砂、細砂的比例使其達到最優(yōu)級配，從而在干混砂漿中更好地發(fā)揮細骨料的作用。

對干混砂漿凝結時間的影響，研究表明，干混砂漿凝結時間會受到機制砂母巖種類與機制砂中石粉含量的影響，兩者均會在不同程度上延緩干混砂漿的凝結時間。研究了不同巖性機制砂對干混砂漿凝結時間的影響，結果表明，與天然砂相比，花崗巖機制砂、砂巖機制砂、石灰?guī)r機制砂干混砂漿的初凝時間和終凝時間均有所延長，其中砂巖機制砂緩凝時間最長，延緩了 1.5 h。由此說明機制砂取代天然砂會延長干混砂漿的凝結時間。研究發(fā)現(xiàn)，干混砂漿凝結時間總體隨著機制砂中石粉含量的增多而延長，但影響不大，且規(guī)律性不穩(wěn)定，甚至當石粉含量為 15%時，干混砂漿凝結時間較基準組縮短了 45 min，研究的石粉對干混砂漿凝結時間的影響結果相似。出現(xiàn)此類現(xiàn)象的主要原因是大部分石粉為惰性材料，石粉的摻入會減弱膠凝材料的水化反應，從而延緩凝結時間，但部分較細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”，促進鈣礬石（AFt）的生成，縮短凝結時間，兩者互相影響才導致了石粉對干混砂漿凝結時間影響的不規(guī)律性。對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 個指標來進行表征。機制砂取代率從0%～100%對干混砂漿稠度的影響，結果表明，對于石灰?guī)r類機制砂，干混砂漿稠度整體隨著機制砂取代率的增加而增大，當機制砂取代率為 75%時，干混砂漿稠度達到最大值，約為基準組的 1.44 倍；但對于卵石類機制砂，卻得到了相反的規(guī)律，即隨著機制砂取代率的增加干混砂漿稠度呈線性下降趨勢，當機制砂完全取代天然砂時，干混砂漿稠度僅為基準組的 58%，如圖 2 所示天然砂被機制砂取代，干混砂漿的稠度呈明顯下降趨勢，當水膠比為 0.7 時，干混砂漿稠度與基準組相比減少了 17%，究其原因主要是機制砂顆粒粗糙，形貌一般為多棱邊，在砂漿內(nèi)部流動時會產(chǎn)生較大摩擦力，使得干混砂漿流動性變差，從而導致干混砂漿稠度減小。

研究表明，機制砂的顆粒級配和石粉含量會顯著改變干混砂漿的保水率。研究了 6 種不同顆粒級配機制砂對干混砂漿保水性的影響，結果表明，隨著機制砂中細顆粒含量的增加，干混砂漿的保水性呈現(xiàn)上升的趨勢，保水率較基準組增大了約 15%。全機制砂水泥基自流平干混砂漿時也得到了相似的結論，認為出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是機制砂中細顆粒含量的增加導致了機制砂細度模數(shù)的減小，機制砂比表面積增大，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，干混砂漿保水率在石粉含量為 18%時達到峰值，與基準組相比增加了 1.3%，其主要原因是當石粉的比表面積達到一定程度時，石粉可以充分發(fā)揮其填充效應、形貌效應和分散效應，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。

  機制砂對干混砂漿和易性有著不同的影響。其中，干混砂漿的凝結時間受到機制砂母巖種類的影響，機制砂取代天然砂時干混砂漿凝結時間延長；機制砂中石粉含量也會使干混砂漿產(chǎn)生緩凝現(xiàn)象，但不具有規(guī)律性，有時甚至會使干混砂漿凝結時間縮短，主要取決于石粉的細度與含量。機制砂會使干混砂漿的稠度減小，但不同巖性的機制砂取代天然砂最終導致的稠度變化也會不同。干混砂漿的保水性受到機制砂顆粒級配和石粉含量的影響，優(yōu)良的顆粒級配和適量的石粉含量均會增加干混砂漿的保水率，石粉最佳含量為 18%左右。

 研究表明，機制砂取代率、顆粒級配和石粉含量均會對干混砂漿的抗壓強度產(chǎn)生一定影響。研究發(fā)現(xiàn)，對于石灰?guī)r類機制砂，當機制砂取代率小于 50%時，干混砂漿抗壓強度沒有明顯的變化，當機制砂取代率超過 50%時，干混砂漿抗壓強度隨著機制砂取代率的增加而明顯提高，機制砂完全取代天然砂時干混砂漿的抗壓強度達到了基準組的 1.42 倍。干混砂漿的抗壓強度還會受到機制砂中石粉的影響，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)部孔隙結構，提高干混砂漿的致密性，進而提高干混砂漿的抗壓強度。

主要在于：1）機制砂顆粒級配可控，可通過調(diào)整機制砂顆粒級配和細度模數(shù)來獲得干混砂漿所需最優(yōu)細骨料，從而提高干混砂漿結構的密實性，增大干混砂漿的抗壓強度。2）機制砂中的石粉具有“微集料效應”，可以填充水泥石內(nèi)部結構的空隙，提高堆積結構的致密度。另外，石粉并不是完全的惰性物質(zhì)，部分較細粒度的石粉會與 C3A 反應生成水合物鋁酸鈣，產(chǎn)生額外的水化產(chǎn)物，從而提高干混砂漿的抗壓強度。但過量的石粉對干混砂漿抗壓強度有著不利影響，過量的石粉會導致水泥水化產(chǎn)物減少、需水量增加，后期強度降低。

研究發(fā) 現(xiàn)，當石灰石 粉摻量為 10%～20%時，可以提高干混砂漿的拉伸粘結強度，當石灰石粉摻量為 5%～8%時，其對干混砂漿的改善效果與粉煤灰相當。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），大部分石粉沒有參與水泥水化反應，可以起到較好的微集料填充效應，從而提高了干混砂漿的拉伸粘結強度。

   研究還發(fā)現(xiàn)，干混砂漿的拉伸粘結強度會隨著機制砂中石粉含量的增多而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，石粉最佳含量在 9%左右，石粉含量過多或過少均會導致干混砂漿拉伸粘結強度降低。究其原因是石粉含量過多會導致干混砂漿需水量增多，產(chǎn)生干縮裂縫，從而導致干混砂漿拉伸粘結強度降低；石粉含量過少則會降低其微集料效應，導致干混砂漿結構不密實，進而導致干混砂漿拉伸粘結強度降低。而機制砂中細顆粒含量較多時，也會產(chǎn)生填充效果，可以與膠凝材料表面充分接觸，粘結效果好。

  機制砂對干混砂漿抗壓強度和拉伸粘結強度的影響規(guī)律基本一致。優(yōu)良的機制砂顆粒級配與適量的石粉含量均能提高干混砂漿的強度。機制砂完全取代天然砂時，干混砂漿抗壓強度最高；石粉摻量為 5%～9%時，干混砂漿拉伸粘結強度最高。4 機制砂對干混砂漿其他性能的影響4. 1 對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制砂的取代率、顆粒級配以及石粉含量有著密切的關系。機制砂取代天然砂能明顯改善干混砂漿的收縮，其中當機制砂取代率為 50%時，干混砂漿收縮值最小，表現(xiàn)出了良好的耐久性。機制砂中石粉的存在會導致干混砂漿干縮值增大，并會隨著石粉含量的增加而不斷增大，當石粉含量為 20%時，干混砂漿干縮值較基準組增大約 15%。

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

 社會效益    我國已提出在 2030 年之前達到“碳達峰”以及在 2060 年之前達到“碳中和”，我國年碳排放量自2030 年起不再增長，且之后每年逐步降低。機制砂的制備和使用恰恰符合當前這一國內(nèi)趨勢。機制砂可采用廢棄石料或尾礦進行制備，而不是開采天然河砂 ，這就意味著更好地保護了水土資源，我國綠色植被建設也可以得到穩(wěn)固發(fā)展，且對廢料進行了再次回收利用，提高了資源利用率，這都有利于我國實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”的目標。除了在環(huán)境方面的效益，機制砂干混砂漿在我國工程中的進一步應用也意味著我國工程應用領域的飛快發(fā)展。機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)運輸更便捷，對機制砂干混砂漿更好的應用也意味著我國工程質(zhì)量更好的發(fā)展。

  機制砂與天然砂相比最大的優(yōu)勢在于其較低的獲得成本。當前國內(nèi)天然砂用量緊張，我國南部地區(qū)每噸天然砂銷售價超過 200 元，若考慮從菲律賓或馬來西亞進口天然砂，到岸價可能超過 20 美元/t，這還不包含到達國內(nèi)后的內(nèi)陸運輸價格，可見現(xiàn)在工程使用天然砂將是一筆巨大的開銷。與天然砂相比，機制砂的獲得成本低得多，我國南方城市若采取購買機制砂的方式每噸可節(jié)約超 30 元，這證明機制砂具有極佳的商業(yè)價值和發(fā)展前景。同時機制砂具有易制備、參數(shù)易控制、原料易獲得等優(yōu)點，且運輸費用和人工成本的減少可以使工程成本進一步降低，對社會經(jīng)濟具有極大貢獻。

 國內(nèi)外大量研究者對機制砂干混砂漿的研究表明：機制砂對干混砂漿性能的提升有益，采用優(yōu)良的機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度，并且可以通過改變機制砂的母巖品種、顆粒級配、石粉含量以及取代率來控制機制砂干混砂漿的性能。在實際應用中，需根據(jù)工程項目需求來調(diào)整機制砂干混砂漿的性能，在保證工程項目質(zhì)量的同時，兼顧環(huán)境效益與經(jīng)濟效益，促進干混砂漿行業(yè)的發(fā)展。

我司生產(chǎn)的保溫膠粉，保溫砂漿，抗裂砂漿、外墻膩子都是用高質(zhì)量機制砂配比混合而成。機制砂原料來源固定，經(jīng)專用的破碎設備經(jīng)過破碎后產(chǎn)生，機械化的生產(chǎn)方式保證了機制砂產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定、可調(diào)、可控，并且可以根據(jù)工程的需要進行顆粒級配、細度等相關參數(shù)的調(diào)整，相比天然沙具有更好的工程適用性。我們是貴陽建筑材料源頭工廠，產(chǎn)品價格透明，一噸也是批發(fā)價，需要的老板歡迎咨詢。