（3）石粉含量较高。机制砂由母岩破碎而成，加之棱角较多，在生产和运输过程中，会不可避免地产生一定量的石粉，使得机制砂的石粉含量较高。按照规定，利用天然石材加工机制砂前，必须清除山皮黏土和风化石材。所以，按照规定进行机制砂加工时，加工过程中形成的粒径小于75μm的颗粒（即石粉），其矿物组成和化学成分与母岩相同。这里的石粉虽然没有活性或只有较低的活性，但其在混凝土或砂浆中能起到优化颗粒级配、填充孔隙的作用，帮助改善混凝土（砂浆）新拌阶段的和易性和硬化后的力学性能。所以，机制砂中允许含有一定量的石粉。表1为不同国家对混凝土用机制砂石粉含量的限值。

如果加工机制砂前没有很好地清除山皮黏土和风化石材，那么加工得到的机制砂中的泥粉含量就很容易超标。石粉与泥粉虽然同为粒径小于75μm的颗粒，但它们的成分不同，粒径分布不同，对混凝土（砂浆）性能的影响也截然不同。机制砂中的泥粉对混凝土（砂浆）各方面的性能都是有害的，必须严格控制其含量。

（4）细度模数较高，级配连续性差。机制砂一般颗粒较粗，属于中粗砂范畴，细度模数一般为3.0～3.7。机制砂细度模数较高，含粗颗粒多，所配制的混凝土和易性普遍不佳。但机制砂生产时若控制的细度模数太低，则意味着小粒径颗粒含量多，会导致混凝土用水量增加，混凝土强度降低，收缩率增大。从颗粒组成的统计结果来看，机制砂大于2.36mm和小于0.15mm的颗粒偏多，而中间颗粒（尤其是0.3～1.18mm的颗粒）偏少，有时甚至某一粒级断档。一般来说，级配只能基本上符合天然砂I区或II区砂的技术要求。

2机制砂的性能研究

2.1母岩种类和性能

如前所述，用于制备机制砂的母岩种类很多，而不同母岩制备机制砂所对应的骨料技术要求及其所制备的混凝土性能也各不相同。

自然界中的岩石根据成因可分为岩浆岩（包括花岗岩、玄武岩和安山岩等）、沉积岩（包括石灰岩、凝灰岩和砂岩等）和变质岩（包括石英岩、片麻岩和大理岩等）3种，其中用于生产机制砂的母岩多为岩浆岩和沉积岩，而变质岩则较少应用。宋少民等选取了安山岩、花岗岩、凝灰岩、石灰岩、石英岩和片麻岩共6种常见的母岩制备机制砂，在保持机制砂粒形相同、级配相同的条件下，研究6种机制砂对胶砂和混凝土的和易性、强度的影响，结果表明，采用6种机制砂配制胶砂时，减水剂间的作用效果差别较大，砂浆达到相同流动度时，对减水剂掺量需求量最大的为花岗岩机制砂和片麻岩机制砂，其次是安山岩机制砂和凝灰岩机制砂，而石灰岩机制砂和石英岩机制砂对减水剂掺量的需求量最低；6种机制砂所配制的不同强度的混凝土，对减水剂掺量的需求量变化规律也与胶砂相同；分析认为，造成这种影响的主要原因与几种机制砂的矿物组成、风化程度和石粉含量等因素有关；此外研究还发现，采用6种机制砂配制的胶砂和混凝土在强度方面的差别不大。

赵社民等研究了石灰岩、玄武岩和片麻岩3种具有代表性的母岩制备的机制砂对混凝土拌合物性能、力学性能和抗冻性的影响，研究发现，机制砂的岩性对不同强度等级混凝土的工作性、强度和抗冻性略有影响，但差异并不显著。万惠文等探究了花岗岩、玄武岩和石灰岩石3种石粉在不同掺量情况下，对水泥-粉煤灰复合浆体流变性能的影响，研究发现，随着体系中石粉掺量的增加，水泥-粉煤灰复合浆体的剪切应力和塑性粘度都增大，当石粉的掺量为机制砂的15%时，花岗岩石粉与玄武岩石粉体系剪切应力较不掺者分别增大147%与135%，而石灰岩石粉体系仅增大20%，表明石灰岩石粉体系有较好的初始流动性；对于塑性粘度，石灰岩、花岗岩与玄武岩3种石粉体系相比不掺者分别增大218%、82%与155%，但石灰岩石粉体系在掺量达到9%后塑性粘度增长速率缓慢，且剪切变稀效应较强，塑性粘度增加变小；因此认为，石灰岩相比于花岗岩和玄武岩来说，更适合制备机制砂。

王振等探究了石英岩、石灰岩、花岗岩和玄武岩所制备的机制砂对水、MB和聚羧酸减水剂的吸附规律，结果表明，玄武岩机制砂由于比表面积大、孔隙率高，对水和MB的吸附性明显大于其他3种机制砂，4种机制砂中的石粉对聚羧酸系减水剂吸附率的大小顺序为玄武岩＞石灰岩＞花岗岩＞石英岩；分析认为，机制砂的颗粒表面在溶液中带负电，与矿物成分中电离出的K+、Ca2+、Na+等阳离子形成双电层结构，从而吸附聚羧酸减水剂离子（带负电荷），如图2所示；由于石英岩石粉的矿物成分较单一，无阳离子作为位点吸附减水剂离子，因此对减水剂吸附性小；而玄武岩石粉矿物成分复杂，Ca、Fe和Al元素较多，为减水剂吸附提供增加位点数，因此对减水剂表现出较强的吸附性。

DONZAH等采用分别由花岗岩、石灰岩和白云岩加工而成的机制砂制备混凝土，与天然砂混凝土进行性能对比，研究发现，机制砂母岩的矿物组成、岩石类型、表观密度以及岩石内部孔结构等，是影响机制砂性能以及机制砂混凝土性能的主要因素。

对采用工业固废、建筑垃圾等加工而成的机制砂，也有一定的研究和应用成果。王亮等探究了煤矸石加工的机制砂等量取代天然砂情况下，对混凝土力学性能和耐久性能的影响，结果如图3所示。结果表明当机制砂取代率低于20%时，混凝土的抗压强度、抗拉强度和动弹性模量变化较小，而机制砂取代率高于20%后，混凝土的抗压强度、抗拉强度、动弹性模量开始快速下降；混凝土的抗碳化性能和抗冻性能随着煤矸石机制砂取代率的增加而逐渐降低。

耿健研究了由废弃混凝土加工的机制砂等量替代天然砂对砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响，研究发现，砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能随着机制砂替代率的增加而下降。砂浆发生硫酸盐侵蚀破坏是钙矾石和石膏等腐蚀产物共同作用的结果，当机制砂替代率较低（<20%）时，钙矾石为破坏的主导因素，随着机制砂替代率的增加（如≥60%），石膏成为破坏的主导因素。采用工业固废、建筑垃圾等制备机制砂并应用于混凝土，是实现混凝土可持续发展的重要措施。但值得注意的是，某些固废由于其特殊的物理和化学性能，用于制备机制砂时若处理不当或者使用不规范，会对混凝土工程产生负面影响。如建筑垃圾制备的机制砂，由于旧水泥浆体的附着和较高的吸水率，若处理不当则会对混凝土的力学性能和耐久性能产生不利影响；钢渣中由于含有较多的f-CaO、f-MgO等成分，若使用不规范则会导致严重的安定性不良问题，严重危害混凝土的体积稳定性，某建筑工程由于混凝土中采用钢渣作为细骨料导致墙体表面爆裂，如图4所示。因此在采用固废制备机制砂并应用时，应严守工程质量和安全的底线。

2.2颗粒形状及颗粒级配

由于母岩种类和破碎工艺的多样性，机制砂与天然砂相比，在颗粒形状和颗粒级配方面差异非常明显。CEPURITISR等研究发现，不同粒级的机制砂对混凝土性能的影响程度不同，其中，对新拌混凝土的工作性能影响起主导作用的为粒级0.125～2mm的机制砂。谢开仲等探究了用卵石加工的5种不同颗粒级配的机制砂与天然砂对C50混凝土工作性能和力学性能的影响，其颗粒级配和颗粒级配曲线见表2、图5，结果表明，随着机制砂颗粒级配由G1组变化到G5组，机制砂混凝土的工作性能和力学性能均呈现先增大后减小的趋势，其中，颗粒级配编号为G4的机制砂所配制的混凝土，各项性能最优，且颗粒级配编号为G4和G3的机制砂所配制混凝土的工作性能、力学性能均优于天然砂混凝土。

罗健勇等研究表明，在累计筛余百分率接近的情况下，分计筛余百分率对机制砂混凝土性能影响较大，分计筛余百分率分布较为均匀的机制砂所配制的混凝土各项性能最好；分计筛余百分率为“中间少，两头多”的机制砂混凝土各项性次之；而分计筛余百分率为“中间多，两头少”的机制砂混凝土各项性能最差。该学者采用核磁共振方法对混凝土的孔隙结构进行进一步测试，发现分计筛余百分率的分布影响着混凝土内部孔隙率和孔隙特征，分布均匀的机制砂所配制的混凝土有着较小的孔隙率，且具有微小孔隙多、粗大孔隙少的特征，因而宏观性能也最优。

机制砂的颗粒形状（以下简称“粒形”）对机制砂所配制混凝土的性能有着很大的影响，然而，对机制砂粒形的评价是一项艰难的工作。传统的机制砂粒形评价方法包括流动时间法、未压实间隙率法、胶砂流动度法和片状颗粒含量法等。但这些方法只能间接反映机制砂粒形影响下的整体状况，并未直接获取机制砂颗粒形状方面的具体参数，因此具有一定的局限性。目前比较常用的粒形评价方法是数字图形处理法（Digital Image Processing，DIP），由于其能较为直接地定量描述颗粒的形状，得到了诸多机制砂研究者的尝试和应用。

曾晓辉等基于DIP技术，对石灰石所制备的机制砂和天然砂的颗粒形状进行研究，研究发现石灰石所制备机制砂的球度、轴向系数和圆度均低于天然砂，而分形维数数值大于天然砂，说明机制砂颗粒形状复杂，粒形不够圆滑。此外，研究者还提出了机制砂整形过程中圆度、轴向系数、球度和分形维数的建议取值范围。

陈敦法等采用DIP技术，对7种花岗岩制备的机制砂和1种天然砂的粒形参数进行了相关性分析，结果表明，纵横比、半径比、圆度和粒型系数4个粒形参数之间存在较强的相关性，这4个粒形参数适合作为评价机制砂粒形优劣的参数，而长宽比、球体类似度与这4个粒形参数之间均无相关性。

徐达融等采用筛析法与DIP法，对比分析了立轴式冲击破碎机、立式辊磨及反击式破碎机3种破碎设备对机制砂产品粒度和粒形的影响，结果表明，3种破碎设备制备的机制砂产品中，采用立式辊磨机制备的机制砂产品的颗粒分布更加合理，采用反击式破碎机制备的机制砂产品小于0.6mm粒级的含量最高，而采用立轴式冲击破碎机制备的机制砂产品大于1.18mm粒级的含量最高；采用立式辊磨机制备的机制砂产品的总体颗粒形状参数最优，采用反击式破碎机制备的机制砂产品的颗粒形状与颗粒级配参数最差；3种破碎设备内部结构及采用其制备的机制砂产品的颗粒级配如图6所示。

杜雪剑等探究了机制砂粒形对砂浆性能的影响，发现机制砂中片状颗粒的含量对砂浆的工作性能影响最大，提高胶砂比可降低粒形对砂浆力学性能的影响，而粒形对砂浆的干燥收缩和抗渗性能影响不大。

2.3石粉含量及MB值

若严格按照机制砂生产工艺要求生产（机制砂生产的理状态），则机制砂中75μm以下的颗粒是与机制砂母岩物理化学性质完全相同的石粉。关于机制砂中石粉含量对混凝土工作性能的影响，不同学者给出了不同的研究结论：一是机制砂中的石粉会增加混凝土的用水量，或用水量不变情况下，混凝土的和易性变差；二是石粉含量对机制砂混凝土的和易性的影响存在一个临界点，在该临界点时，机制砂混凝土和易性最好，当石粉含量超过该临界点时，机制砂混凝土的和易性将逐渐变差。GB/T14684-2022《建筑用砂》中对机制砂石粉含量及MB值的限定。

王卫东等通过对前人试验结果的总结，认为用于混凝土中的机制砂的石粉含量宜控制在5%～13%。

李拖福等认为由于石粉的颗粒较小（75μm以下），石粉能够有效地填充机制砂混凝土中的孔隙，并与水泥水化产物发生水化反应，提高机制砂混凝土的强度。

BENTZDP研究发现，石粉含量为15%的机制砂能够降低机制砂混凝土的干缩，而对机制砂混凝土强度几乎没有影响；对于低强度等级的混凝土，采用适量的石粉替代水泥来降低混凝土的干缩是有效的。王稷良、张映全等研究发现，石粉对提高机制砂混凝土的抗冻融循环破坏能力有一定的帮助。

在实际生产过程中由于山皮去除不彻底、母岩中夹杂等原因，最终的机制砂产品会不可避免地含有一定量的黏土。若未通过水洗，这些黏土颗粒将与石粉一起构成机制砂中75μm以下的颗粒。

由于黏土颗粒为疏松多孔的层状结构，黏土含量的增加会导致混凝土的拌合用水量和减水剂用量的增加，影响混凝土的工作性能、强度和耐久性，此外黏土本身较大的湿涨干缩性会增加混凝土的干燥收缩率，导致混凝土收缩开裂。按照矿物组成的不同，黏土有高岭土、蒙脱土（膨润土）、伊利石和蛭石4种，其中，蒙脱土（膨润土）吸水膨胀率和对减水剂的吸附性最大，对混凝土工作性能等的不利影响也最严重。

MB值是用于判定机制砂中粒径小于75μm颗粒吸附性能的技术指标，可看作是评价机制砂中含有的泥粉（黏土）对减水剂作用效果影响程度的技术指标，也可看作是反映机制砂中粒径小于75μm颗粒中泥粉含量大小的技术指标。

沈卫国等研究认为，机制砂的MB值主要体现了机制砂中粉体（小于75μm的颗粒）的性能；机制砂母岩本身具有一个较低的MB本底值，该本底值在0.15～0.35g/kg，母岩种类会影响用MB值表征黏土含量的准确性；机制砂的MB值随着石粉含量和泥粉含量的增加而增大，但75μm以下的泥粉含量和在粉体中的占比对机制砂的MB值起着决定性作用；粉体中石粉与泥粉的比例对MB值的影响如图7所示。

孙辉等研究发现，在保持相同流动度情况下，随着机制砂MB值的增大，混凝土减水剂的掺量呈现增加的趋势，而当机制砂MB值超过1.40时，混凝土减水剂掺量的增大趋势更为明显；此外MB值的增加会使浆体的孔隙增多，孔结构劣化。李盘升研究发现，当机制砂MB值超过1.35时，混凝土的收缩率显著增加，早期开裂风险加大。李北星等研究发现，对混凝土性能不产生明显劣化的机制砂MB临界值约为1.40，这与GB/T14684-2022《建筑用砂》中对机制砂MB值不大于1.40的限定值一致。

2.4残留絮凝剂的种类及残留量

前已述及，机制砂中的泥粉对机制砂混凝土工作性能、力学性能和耐久性能均会产生不利影响，所以在制备机制砂的过程中，生产企业往往采用水洗的方法将泥粉含量控制在一定范围内。然而，采用水洗方法净化母岩或机制砂的企业为实现废水的循环利用，往往在清洗母岩和机制砂的过程中，向水中加入一定剂量的絮凝剂以辅助废水中石粉和泥粉等杂质快速沉降。这种做法对机制砂产品的应用性能带来了很大的负面影响。

由于加工机制砂的母岩的含泥、含粉情况不同以及机制砂的生产工艺、设备参数等的不同，导致用于废水处理的絮凝剂用量难以被精准控制，使得所制备的机制砂产品中往往残留一定量的絮凝剂，而当前的国家和行业标准，并未对机制砂中絮凝剂的残留给出具体的测定方法和限定值，也未给出相关的应对措施。

目前处理洗砂污水比较常用的絮凝剂为聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化铝、明矾和硫酸亚铁等。絮凝剂的种类不同，残留后对机制砂性能的影响也不同。

以PAM为例，其主要是以丙烯酰胺单体（AM）和其他衍生功能单体共聚合成的聚合物，可根据分子链中原子团带点情况可分为非离子型聚合物（NPAM）、阳离子型聚合物（CPAM）、阴离子型聚合物（APAM）、双性聚合物（AmPAM）4种。作为一种水溶性高分子聚合物，在水处理的过程中，能够作为助凝剂、污泥脱水剂、絮凝剂等使用，在污水处理中发挥着重要作用。而残留在机制砂中的PAM则会使混凝土中掺加的减水剂被快速吸附，导致混凝土坍落度降低，坍落度损失加快，并引起缓凝，对混凝土的工作性和早期强度等性能产生不利影响。

YAOH等研究了PAM对水泥早期性能的影响及其与水泥颗粒间的相互作用，结果表明，当PAM浓度低于饱和点时，其主要通过桥接水泥颗粒来增强水泥颗粒间的作用力，进而加速水泥浆体的凝结；当PAM的浓度高于饱和点时，其却会延缓水泥的水化，减少水化产物的形成并降低早期强度。

尹键丽探究不同种类及不同浓度的PAM对混凝土和易性（坍落度、扩展度）及强度的影响规律，结果表明，PAM对混凝土的坍落度、扩展度具有显著影响，而对混凝土强度的影响相对有限，进一步研究发现，絮凝剂阻碍混凝土强度发展主要有2个方面的因素，一方面，絮凝剂具有大量的亲水基团（酰胺基团），极易与水结合，进而减少水泥水化的用水量，促使部分水泥颗粒水化受阻；另一方面，絮凝剂能够与水泥基质中的Ca2+发生反应，包裹在水泥颗粒表面，降低溶液中的Ca2+浓度，减少C-S-H成核位点。

吴井志等探究了阳离子型PAM、阴离子型PAM和非离子型PAM对减水剂分散性的影响，结果表明，在相同掺量下，阳离子型PAM对于减水剂的分散性影响最大，阴离子PAM的影响次之，而非离子型PAM对于减水剂的分散性影响最小。

严至善等探究了残留絮凝剂机制砂中絮凝剂、泥粉、石粉对MB测试值的影响，结果表明，在残留絮凝剂机制砂中存在的泥粉是影响MB值的主要因素，而石粉、残留的絮凝剂对MB值的影响较小，进一步研究发现絮凝剂引起高吸附性颗粒泥粉团聚，而团聚的泥粉是引起机制砂MB值高的主要因素。

林福明在研究中详细介绍了一种快速识别机制砂样品中是否含由絮凝剂的简易方法，取适量的机制砂样品放入烧杯中，加入适量的水淹没样品并充分搅拌后静置，若样品很快就出现“结团”分层现象，则证明该机制砂样品含有絮凝剂，反之则说明该机制砂样品中不含絮凝剂，具体测试结果如图8所示；该学者进一步探究了不同循环次数的水洗机制砂中残留的絮凝剂对混凝土拌合物性能及力学性能的影响，结果表明，用于机制砂清洗的水循环次数不应超过2次，同时应控制好絮凝剂的用量，合理使用絮凝剂，最大可能地减少絮凝剂在机制砂中的残留量，进而减小机制砂絮凝剂残留对混凝土性能产生的不利影响。

展望

采用机制砂替代天然砂制备混凝土，是混凝土工程实现可持续发展的重要路径，采用性能合格的机制砂制备混凝土和砂浆，在技术上是可行的。但在工程建设中，要对混凝土工程所用的机制砂质量进行严格把关，这是工程安全可靠，延长使用年限的基础。

鉴于目前在生产机制砂以及混凝土应用机制砂的过程中，存在各种各样的问题，笔者认为，今后关于机制砂性能的研究和应用，应该围绕以下几方面：

（1）由于对制备机制砂的母岩性能，机制砂颗粒形貌、级配，石粉性能（包括石粉来源、石粉含量、石粉细度、泥粉含量、吸附性和反应活性等）等方面的研究不够系统，相关标准和规范中对于这些参数的表征和限定过于简单，有必要通过大量试验，系统深入地探究这些参数对混凝土性能的影响，建议采用DIP等计算机技术对机制砂颗粒形状进行多维表征，并针对适用于不同类型混凝土的机制砂给予不同的指标限定，进一步完善与机制砂相关的标准和规范。

（2）加强机制砂在高强混凝土、超高强混凝土中的应用技术研究，开展机制砂混凝土的配合比设计方法研究，形成系统性的机制砂混凝土配合比设计规范。此外，对于机制砂混凝土的耐久性问题仍需要大量的试验研究。

（3）加大资金投入和研发力度，加快机制砂生产设备的技术革新，开发更为先进和节能的机制砂生产工艺，提升对机制砂性能的调控，使机制砂的品质和生产工艺向着更高更优的方向发展。

（4）机制砂对混凝土性能的影响，还表现在其使外加剂的作用效果变差、与不同种类的外加剂存在适应性等方面，尤其是含泥量较高的机制砂在实际应用中更容易碰到此类问题。因此，应针对机制砂的性能特点，研发适用于不同性能机制砂的混凝土外加剂，满足实际工程的需求。（来源：《混凝土世界》2023.08）