突破天然砂瓶颈：机制砂对干混砂浆性能有多大影响？

摘要：天然砂资源短缺、分布不平衡，是制约干混砂浆发展的关键因素之一，因此寻找其他细骨料代替天然砂迫在眉睫。机制砂产量丰富且基本性能与天然砂类似，使用机制砂取代天然砂制备机制砂干混砂浆是必然趋势。通过对比分析了机制砂取代率、母岩种类、颗粒级配以及石粉含量对干混砂浆工作性能、力学性能等性能的影响，同时探究了其作用机理。结果表明：机制砂取代率、母岩种类、颗粒级配以及石粉含量四大因素均会不同程度上影响干混砂浆的和易性、抗压强度和拉伸粘结强度；干混砂浆的耐久性和抗渗性主要通过调整机制砂的颗粒级配和石粉含量来控制，其他因素对其影响较小。在此基础上，对未来机制砂干混砂浆的相关研究和应用提出了展望。

关键词：机制砂；干混砂浆；工作性能；力学性能；作用机理

近年来，随着我国工业市场经济的迅速发展，工程建设整体规模越来越趋于大型化，从而间接加快了我国干混砂浆的发展。2020 年，我国干混砂浆年产量已超过 1.2 亿 t，并呈逐年递增趋势。干混砂浆具有质量稳定、使用方便、可大规模生产等优点

    其主要由天然砂、水泥和外加剂组成，其中天然砂因具有表面光滑、质地坚硬、含粉量低等特点被广泛使用。但近年来由于建筑行业的快速发展以及人们对天然砂的大规模开采，导致天然砂资源日渐紧缺，且作为一种短期内不可再生的地方性资源，部分地区已经出现没有天然砂可用的情况，成为制约建筑行业发展的关键因素

    除此之外，天然砂资源还存在分布不平衡的问题，部分地区需要常年向其他地区购买天然砂，其中交通运输所产生的费用大大增加了施工成本。为了有效解决这类问题，我国有关部门一直在出台相关法规保护天然砂的开采并积极引导企业使用新型的细骨料来代替天然砂。我国拥有大量的石灰岩和花岗岩，其中石灰岩储量约占世界总储量的 64%，主要分布在贵州、四川、重庆、云南等地区，花岗岩则广泛分布于我国东南部和东北部。因此大量研究人员将石灰岩或花岗岩破碎后制成机制砂来取代天然砂生产干混砂浆，他们发现机制砂干混砂浆的整体性能优异，各性能指标均在规范要求之内。自此，机制砂逐渐步入人们的视野中。据统计，2021 年我国机制砂在总的砂石消耗中占比高达 86%，机制砂的应用在我国已经较为普遍。机制砂的生产设备主要有 3 种：制砂设备、筛分设备和选粉设备。经过 3 道工序生产出来的机制砂才能用作干混砂浆的细骨料原材料。

    由于机制砂质量的可控性，机制砂干混砂浆普遍受到我国干混砂浆企业的喜爱，尤其是在石灰岩和花岗岩资源丰富的地区，机制砂已经成为主流的细骨料原材料之一。利用机制砂取代天然砂制备机制砂干混砂浆可以有效解决天然砂资源短缺以及砂浆强度不足等问题

    所以，为了减轻天然砂资源紧缺的压力，促进土木工程行业的发展，贯彻可持续发展观，研究与应用机制砂干混砂浆是当下干混砂浆行业的必然趋势。

 机制砂俗称人工砂，是由岩石或卵石等经除土开采、机械破碎、筛分而成的公称粒径小于 4.75 mm的岩石或卵石（不包括软质岩和风化岩）颗粒目前我国机制砂的生产方式主要有 2 种：

    1）挑选优质的岩石，对其进行系统化的破碎，采用该方式生产出来的机制砂具有级配合理、细度模数稳定、粒形优良、石粉含量适中、含泥量较少等优点；    

    2）对岩石尾矿或生产粗集料后的碎石进行破碎加工并筛分，去除多余的石粉后形成机制砂，该方法是目前我国生产机制砂的主要方式。图 1 为机制砂生产流程图。国内外专家学者研究发现，在机制砂生产过程中，优质的母岩、合理的工艺制备流程以及先进的制砂设备均会极大地影响生产出来的机制砂质量［。因此，在机制砂的实际生产中这三点尤为重要。

1）适合机制砂生产的母岩种类较多且储量丰富，因此机制砂的产能上限较高；2）机制砂中含有较多石粉，但含泥量较少，适量石粉有助于改善混凝土的内部孔隙结构，提高其力学性能；3）机制砂的细度模数和颗粒级配可控，可以通过调整设备参数来调整机制砂的细度模数和颗粒级配，同时也保证了机制砂的质量。机制砂的缺点：1）机制砂的质量受母岩影响较大，部分母岩生产出来的机制砂物理性能优于天然砂，因此在生产过程中最好使用同一种母岩生产机制砂；2）机制砂的孔隙率较大，不少学者认为，与天然砂相比，机制砂作为细骨料添加到混凝土中能有效提高混凝土的强度，这是由于其不规则的形状能增大与其他材料之间的摩擦，从而使混凝土拥有更加致密的内部结构

研究发现，可以通过调整机制砂中石粉的含量来保证干混砂浆强度不受影响的同时，改善干混砂浆的和易性，使干混砂浆的性能得到有效提升；通过调整机制砂中粗砂、中砂、细砂的比例使其达到最优级配，从而在干混砂浆中更好地发挥细骨料的作用。

对干混砂浆凝结时间的影响，研究表明，干混砂浆凝结时间会受到机制砂母岩种类与机制砂中石粉含量的影响，两者均会在不同程度上延缓干混砂浆的凝结时间。研究了不同岩性机制砂对干混砂浆凝结时间的影响，结果表明，与天然砂相比，花岗岩机制砂、砂岩机制砂、石灰岩机制砂干混砂浆的初凝时间和终凝时间均有所延长，其中砂岩机制砂缓凝时间最长，延缓了 1.5 h。由此说明机制砂取代天然砂会延长干混砂浆的凝结时间。研究发现，干混砂浆凝结时间总体随着机制砂中石粉含量的增多而延长，但影响不大，且规律性不稳定，甚至当石粉含量为 15%时，干混砂浆凝结时间较基准组缩短了 45 min，研究的石粉对干混砂浆凝结时间的影响结果相似。出现此类现象的主要原因是大部分石粉为惰性材料，石粉的掺入会减弱胶凝材料的水化反应，从而延缓凝结时间，但部分较细石粉由于具有较大的比表面积而具有一定的活性，可以发挥“晶核作用”，促进钙矾石（AFt）的生成，缩短凝结时间，两者互相影响才导致了石粉对干混砂浆凝结时间影响的不规律性。对干混砂浆稠度的影响    干混砂浆的和易性可通稠度和保水性 2 个指标来进行表征。机制砂取代率从0%～100%对干混砂浆稠度的影响，结果表明，对于石灰岩类机制砂，干混砂浆稠度整体随着机制砂取代率的增加而增大，当机制砂取代率为 75%时，干混砂浆稠度达到最大值，约为基准组的 1.44 倍；但对于卵石类机制砂，却得到了相反的规律，即随着机制砂取代率的增加干混砂浆稠度呈线性下降趋势，当机制砂完全取代天然砂时，干混砂浆稠度仅为基准组的 58%，如图 2 所示天然砂被机制砂取代，干混砂浆的稠度呈明显下降趋势，当水胶比为 0.7 时，干混砂浆稠度与基准组相比减少了 17%，究其原因主要是机制砂颗粒粗糙，形貌一般为多棱边，在砂浆内部流动时会产生较大摩擦力，使得干混砂浆流动性变差，从而导致干混砂浆稠度减小。

研究表明，机制砂的颗粒级配和石粉含量会显著改变干混砂浆的保水率。研究了 6 种不同颗粒级配机制砂对干混砂浆保水性的影响，结果表明，随着机制砂中细颗粒含量的增加，干混砂浆的保水性呈现上升的趋势，保水率较基准组增大了约 15%。全机制砂水泥基自流平干混砂浆时也得到了相似的结论，认为出现该现象的原因主要是机制砂中细颗粒含量的增加导致了机制砂细度模数的减小，机制砂比表面积增大，可以更好地锁住自由水，减少水分的散失。机制砂中的石粉影响了干混砂浆的保水性，干混砂浆保水率随着石粉含量的增加呈现先上升后突然下降的趋势，干混砂浆保水率在石粉含量为 18%时达到峰值，与基准组相比增加了 1.3%，其主要原因是当石粉的比表面积达到一定程度时，石粉可以充分发挥其填充效应、形貌效应和分散效应，使得砂浆浆体之间贴合得更加致密，改善干混砂浆的保水性。

  机制砂对干混砂浆和易性有着不同的影响。其中，干混砂浆的凝结时间受到机制砂母岩种类的影响，机制砂取代天然砂时干混砂浆凝结时间延长；机制砂中石粉含量也会使干混砂浆产生缓凝现象，但不具有规律性，有时甚至会使干混砂浆凝结时间缩短，主要取决于石粉的细度与含量。机制砂会使干混砂浆的稠度减小，但不同岩性的机制砂取代天然砂最终导致的稠度变化也会不同。干混砂浆的保水性受到机制砂颗粒级配和石粉含量的影响，优良的颗粒级配和适量的石粉含量均会增加干混砂浆的保水率，石粉最佳含量为 18%左右。

 研究表明，机制砂取代率、颗粒级配和石粉含量均会对干混砂浆的抗压强度产生一定影响。研究发现，对于石灰岩类机制砂，当机制砂取代率小于 50%时，干混砂浆抗压强度没有明显的变化，当机制砂取代率超过 50%时，干混砂浆抗压强度随着机制砂取代率的增加而明显提高，机制砂完全取代天然砂时干混砂浆的抗压强度达到了基准组的 1.42 倍。干混砂浆的抗压强度还会受到机制砂中石粉的影响，少量石粉在干混砂浆中可以充分发挥其微粒填充作用，改善干混砂浆的内部孔隙结构，提高干混砂浆的致密性，进而提高干混砂浆的抗压强度。

主要在于：1）机制砂颗粒级配可控，可通过调整机制砂颗粒级配和细度模数来获得干混砂浆所需最优细骨料，从而提高干混砂浆结构的密实性，增大干混砂浆的抗压强度。2）机制砂中的石粉具有“微集料效应”，可以填充水泥石内部结构的空隙，提高堆积结构的致密度。另外，石粉并不是完全的惰性物质，部分较细粒度的石粉会与 C3A 反应生成水合物铝酸钙，产生额外的水化产物，从而提高干混砂浆的抗压强度。但过量的石粉对干混砂浆抗压强度有着不利影响，过量的石粉会导致水泥水化产物减少、需水量增加，后期强度降低。

研究发 现，当石灰石 粉掺量为 10%～20%时，可以提高干混砂浆的拉伸粘结强度，当石灰石粉掺量为 5%～8%时，其对干混砂浆的改善效果与粉煤灰相当。玄武岩石粉颗粒较为圆滑，因此受力较好，且石粉活性较低（如图 3 所示），大部分石粉没有参与水泥水化反应，可以起到较好的微集料填充效应，从而提高了干混砂浆的拉伸粘结强度。

   研究还发现，干混砂浆的拉伸粘结强度会随着机制砂中石粉含量的增多而呈现先增大后减小的趋势，石粉最佳含量在 9%左右，石粉含量过多或过少均会导致干混砂浆拉伸粘结强度降低。究其原因是石粉含量过多会导致干混砂浆需水量增多，产生干缩裂缝，从而导致干混砂浆拉伸粘结强度降低；石粉含量过少则会降低其微集料效应，导致干混砂浆结构不密实，进而导致干混砂浆拉伸粘结强度降低。而机制砂中细颗粒含量较多时，也会产生填充效果，可以与胶凝材料表面充分接触，粘结效果好。

  机制砂对干混砂浆抗压强度和拉伸粘结强度的影响规律基本一致。优良的机制砂颗粒级配与适量的石粉含量均能提高干混砂浆的强度。机制砂完全取代天然砂时，干混砂浆抗压强度最高；石粉掺量为 5%～9%时，干混砂浆拉伸粘结强度最高。4 机制砂对干混砂浆其他性能的影响4. 1 对干混砂浆耐久性的影响    大量研究表明，干混砂浆的收缩与机制砂的取代率、颗粒级配以及石粉含量有着密切的关系。机制砂取代天然砂能明显改善干混砂浆的收缩，其中当机制砂取代率为 50%时，干混砂浆收缩值最小，表现出了良好的耐久性。机制砂中石粉的存在会导致干混砂浆干缩值增大，并会随着石粉含量的增加而不断增大，当石粉含量为 20%时，干混砂浆干缩值较基准组增大约 15%。

研究发现，机制砂中的石粉越细，对干混砂浆的抗渗性越有利。这是由于较细的石粉具有“晶核作用”，能促使水化产物 Ca（OH）2 生长附着在石粉的表面，阻止其生长为大晶体，从而减小了干混砂浆的孔隙率，增强了干混砂浆的抗渗性。  机制砂对干混砂浆的耐久性和抗渗性均有益处。机制砂取代率为 50%时，干混砂浆收缩值最小；调整机制砂颗粒级配，使干混砂浆拥有最大堆积密度时，干混砂浆收缩值最小。机制砂中石粉的适量存在可以增强干混砂浆的抗渗性。

 社会效益    我国已提出在 2030 年之前达到“碳达峰”以及在 2060 年之前达到“碳中和”，我国年碳排放量自2030 年起不再增长，且之后每年逐步降低。机制砂的制备和使用恰恰符合当前这一国内趋势。机制砂可采用废弃石料或尾矿进行制备，而不是开采天然河砂 ，这就意味着更好地保护了水土资源，我国绿色植被建设也可以得到稳固发展，且对废料进行了再次回收利用，提高了资源利用率，这都有利于我国实现“碳达峰”和“碳中和”的目标。除了在环境方面的效益，机制砂干混砂浆在我国工程中的进一步应用也意味着我国工程应用领域的飞快发展。机制砂干混砂浆是一种更优质的建筑材料，可以更好地把控产品质量以及使生产运输更便捷，对机制砂干混砂浆更好的应用也意味着我国工程质量更好的发展。

  机制砂与天然砂相比最大的优势在于其较低的获得成本。当前国内天然砂用量紧张，我国南部地区每吨天然砂销售价超过 200 元，若考虑从菲律宾或马来西亚进口天然砂，到岸价可能超过 20 美元/t，这还不包含到达国内后的内陆运输价格，可见现在工程使用天然砂将是一笔巨大的开销。与天然砂相比，机制砂的获得成本低得多，我国南方城市若采取购买机制砂的方式每吨可节约超 30 元，这证明机制砂具有极佳的商业价值和发展前景。同时机制砂具有易制备、参数易控制、原料易获得等优点，且运输费用和人工成本的减少可以使工程成本进一步降低，对社会经济具有极大贡献。

 国内外大量研究者对机制砂干混砂浆的研究表明：机制砂对干混砂浆性能的提升有益，采用优良的机制砂干混砂浆配合比能够有效改善干混砂浆的和易性、抗渗性和耐久性以及提高干混砂浆的强度，并且可以通过改变机制砂的母岩品种、颗粒级配、石粉含量以及取代率来控制机制砂干混砂浆的性能。在实际应用中，需根据工程项目需求来调整机制砂干混砂浆的性能，在保证工程项目质量的同时，兼顾环境效益与经济效益，促进干混砂浆行业的发展。

我司生产的保温胶粉，保温砂浆，抗裂砂浆、外墙腻子都是用高质量机制砂配比混合而成。机制砂原料来源固定，经专用的破碎设备经过破碎后产生，机械化的生产方式保证了机制砂产品的质量稳定、可调、可控，并且可以根据工程的需要进行颗粒级配、细度等相关参数的调整，相比天然沙具有更好的工程适用性。我们是贵阳建筑材料源头工厂，产品价格透明，一吨也是批发价，需要的老板欢迎咨询。