机制砂的先进制造及高强高性能机制砂混凝土制备

一、 绪论

随着全球建筑业的蓬勃发展，天然砂资源日益枯竭，开采限制日益严格，寻找可持续的替代骨料已成为混凝土行业面临的重要挑战。机制砂，作为一种通过机械破碎岩石、卵石等制成的细骨料，因其资源丰富、可循环利用、质量可控等优势，正逐渐成为替代天然砂的理想选择。然而，机制砂的粒形、级配、石粉含量等特性与传统天然砂存在差异，直接应用于混凝土中可能会影响其工作性能和力学性能。因此，深入研究机制砂的先进制造技术，优化其性能，并探索其在高强高性能混凝土中的制备与应用，对于推动混凝土技术的进步、实现建筑材料的可持续发展具有重要意义。

二、 机制砂的先进制造技术

2.1 机制砂原料特性分析

机制砂的原料特性是决定其最终质量和适用性的基础，对原料进行深入分析是先进制造的第一步。常见的机制砂原料包括各种硬质岩石，如石灰岩、花岗岩、玄武岩、河卵石等，以及部分矿山尾矿或建筑废弃物。这些原料在矿物组成、岩石结构、硬度、耐久性等方面存在显著差异。花岗岩硬度高、强度大，但破碎后可能产生较多针片状颗粒；玄武岩则以其优异的力学性能和耐磨性著称，是制备高强混凝土的理想原料。

2.2 机制砂破碎设备及工艺优化

机制砂破碎设备及工艺的优化是提升产品质量和生产效率的核心环节。现代机制砂生产线通常采用“多碎少磨”的工艺原则，核心设备包括颚式破碎机、反击式破碎机、圆锥破碎机和制砂机等。工艺优化首先体现在设备的合理选型与组合上，例如，采用“颚破 + 圆锥破 + 制砂机”的多级破碎流程，能有效降低片状颗粒含量，改善颗粒级配。其次，对关键设备参数进行精细调控至关重要，如调整反击破的板锤与反击板间隙、圆锥破的排料口大小、制砂机的叶轮转速和进料粒度等，这些参数直接影响产品的粒形、粒度和级配。

三、 机制砂的性能表征

3.1 机制砂的物理性能

机制砂的物理性能是其作为混凝土细骨料应用的基础，直接关系到混凝土拌合物的和易性、硬化后的力学性能及耐久性。其物理性能主要包括颗粒级配、细度模数、表观密度、堆积密度、空隙率以及吸水率等。良好的颗粒级配是机制砂性能的关键，理想级配应呈现连续、密实的分布，特别是 0.6mm 至 0.15mm 的中粗颗粒含量要充足，以保证混凝土的密实度和强度；细度模数则反映了机制砂的平均粗细程度，需符合相关标准要求。表观密度和堆积密度决定了机制砂在混凝土中的填充效果和单位体积用量，而空隙率则直接影响混凝土的密实性。

3.2 机制砂的化学性能

机制砂的化学性能主要关注其矿物组成、有害物质含量以及与水泥等胶凝材料的反应活性，这些因素直接影响混凝土的长期性能和耐久性。首先，机制砂的矿物组成通常与其母岩性质密切相关，优质机制砂应主要由稳定的硅酸盐矿物构成，避免含有过多的黏土、泥块、云母、轻物质（如煤、褐煤等）以及有机杂质。这些有害物质会包裹砂粒表面，阻碍骨料与水泥石的粘结，增加需水量，降低混凝土强度和耐久性。其次，机制砂中的石粉含量需严格控制，适量的石粉可以改善混凝土的和易性，填充骨料间隙，但过高的石粉含量，特别是其中含有的黏土成分，则会对混凝土性能产生不利影响。再者，机制砂的碱活性也是一个关键指标，需检测其是否含有可能引发碱- 骨料反应的活性矿物，此类反应会导致混凝土内部产生膨胀应力，引发开裂破坏，严重影响结构安全。

四、 高强高性能机制砂混凝土制备

4.1 机制砂混凝土配合比设计

高强高性能机制砂混凝土的配合比设计是一个系统性工程，核心在于科学平衡各组分比例，以充分发挥机制砂的特性并克服其潜在不足，最终满足结构对强度、耐久性及工作性的高要求。设计时，首先需精准测定机制砂的关键物理和化学性能，特别是细度模数、石粉含量、级配、吸水率以及有害物质含量，这些参数直接决定了其与天然砂的差异以及可能对混凝土性能产生的影响。与传统天然砂混凝土相比，机制砂通常具有棱角多、表面粗糙、级配可能不理想等特点，这要求在设计时更注重砂率的选择，通常需要适当提高砂率以改善浆骨比，保证混凝土的包裹性和密实度，同时要仔细考虑石粉的作用，将其视为介于粗细骨料与胶凝材料之间的特殊组分，合理利用其填充效应，但严格控制其上限以防负面影响。

4.2 机制砂对混凝土工作性的影响

机制砂对混凝土工作性的影响是多方面的，其特性显著区别于传统的河砂或海砂，从而带来独特的挑战与机遇。机制砂通常具有棱角分明、表面粗糙的特点，这增加了骨料颗粒间的摩擦力，使得新拌混凝土的流动性相对较差，更容易产生泌水和离析现象，尤其是在水胶比较低的情况下。此外，机制砂的级配往往不够理想，可能存在中间粒径颗粒偏少的情况，导致混凝土内部骨架结构不够密实，进一步影响其工作性。然而，机制砂中通常含有一定量的石粉（粒径小于 75μm 的颗粒），这部分石粉可以起到类似粘土矿物的作用，填充在粗细骨料之间以及胶凝材料颗粒的空隙中，有助于改善浆体的粘聚性，减少泌水和离析，提升混凝土的保水性。但石粉含量并非越高越好，过高的石粉会过多地吸附减水剂，降低其分散效果，反而可能恶化流动性，并增加混凝土的粘稠度，使得施工振捣变得困难。

五、结论

综上所述，机制砂作为一种重要的细骨料资源，其先进制造技术的进步，如原料特性分析、破碎设备及工艺的优化，为生产出高质量、满足高强高性能混凝土要求的机制砂奠定了坚实基础。对机制砂物理与化学性能的深入表征，使我们能够更精准地理解其特性及其对混凝土性能的影响。在此基础上，通过科学合理的配合比设计，特别是针对机制砂特性进行的调整，如优化砂率、精确控制石粉含量、合理选用外加剂等，可以成功制备出具有优异力学性能和耐久性的高强高性能机制砂混凝土。研究证实，机制砂不仅能够有效替代日益稀缺的天然砂，而且在特定条件下，其独特的颗粒形状和石粉含量甚至可能为混凝土带来某些性能上的优势。

参考文献：

[1] 吴跃 . 高效应用机制砂 助力铁路工程突破“无砂可用”瓶颈——专访“铁路工程机制砂智能制造及其高效应用成套技术”负责人李化建 [J]. 中国建材 , 2024, (12): 106-108.

[2] 刘文添, 李亚, 吴凯旋. 机制砂混凝土研究现状综述 [J]. 广州建筑, 2024,52 (04): 115-120.

[3] 焦立颖. 基于机制砂的预拌混凝土力学性能发展规律的研究[D]. 北京建筑大学 , 2024.

[4] 陈嘉庆 . 基于 LCSA的机制砂高性能混凝土全寿命周期成本研究 [D]. 广西大学 , 2024.

[5] 郑伟. 基于机器学习方法的机制砂混凝土耐久性研究[D]. 兰州理工大学,2024.

[6] 蒋正武 , 梅世龙 , 任强 . 机制砂高性能混凝土 [M]. 化学工业出版社 :202009. 410.