第1章 绪论

1.1 研究背景

众所周知，混凝土（concrete）是基础工程建设中应用最为广泛的建筑材料。混凝土是由水泥或以水泥为主掺加活性掺合料（粉煤灰、矿渣粉、硅灰等）作为胶凝材料，砂、石作为骨料，按照不同性能需求加入不同类型的外加剂，加水拌和后通过胶凝材料水化反应后形成的多相体复合材料。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，现代混凝土技术在不断追求高品质、高适用性发展的同时，越来越重视混凝土全生命周期的节能、环保并与环境共融的绿色特性^[1，2]。

作为混凝土细骨料的砂（sand），占混凝土体积的20%～40%，主要起到填充、密实并辅助粗骨料形成骨架的作用，是混凝土的主要组成材料。传统的混凝土用砂，一般源于河砂、山砂、海砂等，为长期水力冲击、破碎或风化而天然形成的材料，其中以河砂的应用最为普遍。由于地壳运动过程中发生的地质变化以及河道变迁，河砂除储存于现有河道以外，还储藏于大量的农田耕种土层之下。因此，河砂的开采对天然河道和农田均有一定的影响。经过长远规划并结合河道治理进行的采砂生产对河道健康运行是有利的，在预期可恢复耕植的农田内采砂生产也可以把采砂对农业发展产生的不利影响减至最低程度，但是，无序的河砂采集将破坏水利工程设施引起农田建设、水土保持和水资源等问题。因此，混凝土用砂的健康生产，对我国大规模基础工程设施的建设质量具有重大的影响。

由于天然砂具有不可再生性质，混凝土用砂寻求可替代砂源是不可避免的趋势，人造生产也就成为必然的选择。在美国、英国、澳大利亚、日本及西欧等发达国家，人工砂

（artificialsand，manufacturedsand）用作混凝土细骨料已有近40年的历史，在各种土木

工程中得到普遍应用，同时也制定了人工砂试验和使用的相关标准。例如，日本在20世纪80年代天然砂与人工砂的使用比例约为0.9∶1，而到20世纪90年代则降为0.5∶1。我国在建筑工程方面使用人工砂起始于20世纪60年代的贵州省，随后在天然砂供应不足或经济比选相差悬殊的情况下逐步扩大到公路、铁路、水电、冶金等工程领域基础设施建设，由挡护工程、水电大坝工程的大体积混凝土扩大到桥梁结构、隧道衬砌以及港口工程。在国家行业标准层面上，《水工混凝土施工规范》（SDJ207—82）率先列入了人工砂

的技术要求，并在修订版《水工混凝土施工规范》（DL/T5144—2001）加以沿用^[3，4]。

《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041—2000）也规定当河砂不易得到时，可以用硬质岩石加工的机制砂^[5]。在《建筑用砂》（GB/T14684—2001）将人工砂增列为建筑用砂之后，相继有《铁路混凝土与砌体工程施工规范》（TB10210—2001）、《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTGF30—2003）、《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52—

2006）等将人工砂（机制砂）列为混凝土用砂^[69]，为推动人工砂的大规模工程应用提供了依据。

《建筑用砂》（GB/T14684—2001）将砂分为天然砂和人工砂两大类，天然砂包括河砂、湖砂、山砂及淡化海砂，人工砂是机制砂和混合砂的统称。机制砂是由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒。混合砂是由机制砂和天然砂混合制成的砂。《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52—2006）则将人工砂赋予了等同于机制砂的术语含义，混合砂被单列了出来。本书根据“由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石颗粒”这一定义所蕴含的产源及生产方法，认为将符合此定义的砂称为“机制砂”更为贴切，因此，在此后的叙述中，本书将砂按三类划分并称谓：

天然砂（naturalsand）：由自然条件作用而形成的，粒径小于4.75mm（公称粒径小于5.00mm）的岩石颗粒。按其产源不同，可分为河砂、海砂、山砂。

机制砂（machine-madesand）：岩石经除土开采、机械破碎、筛分而成的，粒径小于

4.75mm（公称粒径小于5.00mm）的岩石颗粒。

混合砂（mixedsand，blendedsand）：由天然砂与机制砂按一定比例组合而成的砂。

机制砂的来源主要是石灰岩，其次是花岗岩、玄武岩等，这些岩石资源广泛分布在我国大多数地区。机制砂比天然砂易于保证原材质量，且不受地域和季节限制，可以就地取材，只要设备配置得当、运行合理，产量可以控制。发展机制砂还可以使大量废石资源（采石业尾矿石屑、河卵石）得到有效利用，减少环境污染，保护自然资源。同时，机制砂的推广使用具有一定的经济效益，机制砂的各项物理指标如细度模数、表观密度、容重、空隙率等与天然砂的物理性能相似，是比较适宜的代替天然砂的材料，也有利于提高混凝土工程质量。因此，机制砂作为一种来源广、质量稳定的砂源，符合绿色建材利废环保、就地取材、廉价高性的特点，具有长远的社会效益和环境效益。

但是，毕竟机制砂的研究和工程应用时间较短，且由于目前的研究因局限于不同的工程背景和技术要求，所关注的混凝土性能也不一致，缺乏对机制砂混凝土的物理性能、力学性能、长期性能和耐久性能的系统研究与论述。受此局限，工程技术与管理人员对机制砂混凝土的认识也存在片面性，从而出现了因不能合理掌控机制砂混凝土的各种性能导致的一些工程质量事故，也在一定程度上阻碍了机制砂混凝土推广应用。因此，本书试图在作者长期从事混凝土材料与结构研究以及多年从事机制砂混凝土研究工作的基础上，结合国内外研究者的相关成果，比较全面、系统地阐述机制砂混凝土的原材料组成、配合比设计、基本力学性能及其长期发展规律、收缩徐变性能、耐久性能以及钢筋与机制砂混凝土的黏结性能、机制砂混凝土构件的受力性能等，为今后开展更加深入系统的研究以及当前的工程应用提供论证基础。

应该指出，在机制砂混凝土的研究与发展过程中，始终存在着两种研究思路和概念。一种是单纯利用石粉调节机制砂混凝土拌和物的工作性能并研究机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响，即采用水泥作为胶凝材料，机制砂作为细骨料，石子作为粗骨料，按照不同性能需求加入不同类型的外加剂，加水拌和后通过胶凝材料水化反应后形成的多相体复合材料，本书称之为机制砂混凝土（Machine-madeSand Concrete，MSC）。另一种是综

合利用粉煤灰、矿渣粉作为掺合料并与水泥共同组成胶结材料，机制砂或者机制砂与天然细砂混合作为细骨料，石子作为粗骨料，按照不同性能需求加入不同类型的外加剂，加水拌和后通过胶凝材料水化反应后形成的多相体复合材料，本书称之为机制砂粉煤灰混凝土

（Machine-madeSandConcretewithFly-Ash，FAMSC）。