?。?）機制砂的成分

　　機制砂的原料來源大部分是石灰?guī)r和白云巖。美國地質(zhì)勘查局（USGS）于1995年對美國機制砂母巖的原料進(jìn)行過一次調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大約有75%的來源是石灰?guī)r和白云巖，主要礦物成分為石灰石（CaCO3）和白云石（CaCO3、MgCO3）。而天然砂主要的礦物成分為SiO2。骨料的礦物成分不僅與骨料的堅固性息息相關(guān)，而且對混凝土界面過渡區(qū)的形成和結(jié)構(gòu)也有重要影響。此外，機制砂中石粉的礦物成分（即機制砂的礦物成分）可能會影響石粉參與水泥水化的程度以及水化產(chǎn)物。

　?。?）機制砂的顆粒形狀

　　機制砂顆粒形狀不規(guī)則，棱角性明顯，含有大量針片狀顆粒。一般說來，顆粒越大，顆粒形狀的作用越能夠體現(xiàn)出來。因此Shilstone認(rèn)為2.36mm粒級的顆粒對混凝土的性能影響最為顯著，應(yīng)對其做重點研究。用數(shù)字圖象處理的方法，選取適當(dāng)?shù)膮?shù)可以將顆粒形狀定量地表征出來。選取的參數(shù)主要有最大粒徑、長寬比、圓度、球形度和豐滿比等。董瑞用IPP6.0軟件將果亂機制砂與黑水河河砂2.36mm粒級的顆粒進(jìn)行形貌參數(shù)測試，發(fā)現(xiàn)機制砂的平均圓度為1.59，而河砂為1.29。同樣地，相對于機制砂，河砂的豐滿比更接近于1。MuratOzen在其文章中對上述參數(shù)做粒級分析了一番對比。他用統(tǒng)計出來的顆粒形狀參數(shù)與篩孔尺寸的方差的大小來表征參數(shù)的好壞，結(jié)果表明粒級分析：選用標(biāo)準(zhǔn)篩孔尺寸的情況下，等效橢圓長軸描述顆粒形狀效果最好；選用對角線篩孔尺寸的情況下，最大粒徑描述顆粒形狀效果最好。機制砂顆粒形狀的好壞取決于制砂工藝。J.P.Goncalves[等人選用球形度和長寬比作為顆粒形狀的衡量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沖擊式破碎生產(chǎn)的機制砂顆粒形狀明顯優(yōu)于圓錐式破碎。

　　機制砂這種形狀不規(guī)則的顆粒比圓形或方形顆粒需要更多的漿體和水。對于給定的用水量，顆粒形狀不好無疑會使新拌混凝土的工作性變差。但這樣的顆粒形狀能夠增加顆粒間的摩擦，使顆粒之間的“互鎖”效應(yīng)更加明顯，使得在同樣的配合比下，機制砂混凝土的強度高于河沙混凝土。

　?。?）機制砂的級配

　　余川發(fā)現(xiàn)，天然砂級配曲線多數(shù)為“正S型”曲線，而機制砂多數(shù)為“反S型”曲線或拋物線。他研究了不同類型級配曲線的細(xì)骨料對混凝土工作性的影響。結(jié)果表明，機制砂這種典型的上凸型級配曲線，配制的混凝土工作性最差。更有研究表明，骨料中某一段粒級顆粒過多或過少都會使混凝土的工作性變差，從而導(dǎo)致其耐久性變差。相對于機制砂而言，天然砂級配分布比較合理，因此具有較高的堆積密度，使混凝土孔隙率降低，從而提高了混凝土的耐久性。另外，合理分布的顆粒可以減少混凝土的用水量，從而減小泌水和收縮。

　　然而，級配對混凝土強度的影響科學(xué)界并未達(dá)成共識。有的學(xué)者認(rèn)為，細(xì)骨料合理的級配能夠提高混凝土的強度；另有學(xué)者認(rèn)為級配差的細(xì)骨料配制的混凝土雖然工作性差，但是只要振搗密實，其強度仍然能夠滿足要求。C.R.Marek認(rèn)為，已有的細(xì)骨料級配標(biāo)準(zhǔn)僅適合用于顆粒形狀比較規(guī)則的細(xì)骨料，對于存在較多針片狀顆粒的機制砂則不適用。

　?。?）機制砂中的石粉

　　機制砂通常含有5～20%的石粉。對于石粉含量的限值，各國都有不同的規(guī)定。例如粒級分析：美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定石粉含量最多不能超過7%，日本的石粉含量限值亦為7%，印度則為20%。粒級分析我國《建設(shè)用砂》規(guī)定，機制砂MB值小于等于1.4或快速法試驗合格時，石粉含量最多不能超過10%。然而，各國對石粉的界定不盡相同。中國、美國、日本等將75μm以下的微粒界定為石粉，英法等歐洲國家則界定為63μm以下。為了使生產(chǎn)的產(chǎn)品符合相關(guān)規(guī)定，機制砂必須通過水洗或風(fēng)選進(jìn)行除粉。這樣做不僅會增加成本、帶來新的污染，而且還會使機制砂的級配遭到破壞。陳家瓏經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過水洗進(jìn)行除粉的，洗走的并非只有小于0.075mm的顆粒，同時還有0.15mm、0.3mm，甚至是0.6mm的顆粒。

　　目前機制砂中石粉對混凝土性能的影響主要有兩種研究方法粒級分析：一種方法是采用原本含有石粉的機制砂來配制混凝土，只是調(diào)節(jié)石粉的含量；另外一種方法是把石粉單獨篩選出來，作為摻合料摻加到普通天然砂混凝土中，以取代部分水泥。從機制砂應(yīng)用的角度來看，第一種方法更接近工程實際。不管是采用哪種方法，眾多學(xué)者在如下一點上已經(jīng)達(dá)成共識：增加機制砂中石粉的含量能夠提高混凝土的粘聚性，改善混凝土離析、泌水的現(xiàn)象，但是石粉的含量過高會使混凝土變得干稠。

　　不過在石粉含量如何影響混凝土坍落度的問題上，學(xué)者們的看法卻不盡相同。有的學(xué)者認(rèn)為，機制砂中的石粉顆粒很小，所以有很大的比表面積，能夠吸附大量的水，使得混凝土的坍落度減??；有的學(xué)者卻認(rèn)為，石粉的存在能夠使機制砂的級配得到一定的改善，而且石粉填充于骨料顆粒之間，起到一定的潤滑作用，使得骨料顆粒間的摩擦減小，能夠增加混凝土的坍落度。目前的主流觀點認(rèn)為存在一個石粉含量的閾值，未超過這個閾值時，石粉的存在對混凝土坍落度具有積極的作用；超過這個閾值，石粉就會對混凝土的坍落度產(chǎn)生不利影響。這可能是因為，未超過石粉含量的閾值時，由于石粉較少，石粉對機制砂級配的改善和對機制砂顆粒間空隙的填充占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致混凝土的坍落度增大。有學(xué)者認(rèn)為，石粉在填充骨料顆粒間空隙的情況下不會增大需水量；超過石粉含量的閾值時，由于石粉較多，石粉對水的吸附占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致混凝土的坍落度減小。李北星等人的研究成果表明，在中高水灰比（0.45～0.6）機制砂混凝土中，這個閾值介于10%和20%之間。石粉作為摻合料取代部分水泥摻加到混凝土中，隨石粉含量增加，混凝土坍落度減小。

　　在石粉如何影響混凝土強度的問題上，學(xué)者們一致認(rèn)為一定的石粉含量能夠提高混凝土的強度。石粉具有填充性，能夠填充混凝土中的孔隙，使混凝土變得更加密實；石粉還具有吸水性，能夠吸附大量的自由水，避免自由水聚集在骨料表面，使混凝土界面過渡區(qū)得到改善。然而，石粉對混凝土強度的影響也與其巖性有關(guān)，因為機制砂中的石粉是否具有活性一直以來都是諸多學(xué)者爭論的焦點。有學(xué)者認(rèn)為，石粉只是惰性填充料，本身不具有活性，不參與水化反應(yīng)。但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，石灰?guī)r（主要成分為CaCO3）石粉是具有活性的。它能在水泥水化過程中與水泥中的C3A和C4AF發(fā)生反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣，從而改善水泥基材料的一些性能。對于混凝土強度來說，也有一個最佳石粉含量，介于10%和20%之間。超過這個值，混凝土抗壓強度便會降低。但是Tahir?elik的研究表明，即使機制砂中的石粉含量高達(dá)30%，混凝土抗壓強度還是比不含石粉的對照組高。也就是說，常規(guī)的石粉含量（5～20%）不會對混凝土的抗壓強度產(chǎn)生不利影響。當(dāng)把石粉用于摻合料摻加到混凝土中，會使混凝土抗壓強度下降。

　　一般認(rèn)為，混凝土的滲透性越低，水及腐蝕性介質(zhì)越不易滲入，即耐久性越好。前面已經(jīng)講過，石粉能夠改善混凝土離析泌水的現(xiàn)象，改善混凝土的界面過渡區(qū)，使水泥石和骨料之間有一個很好的粘結(jié)。而且，石粉的填充效應(yīng)能夠阻斷混凝土內(nèi)部可能形成的滲透通路，從而提高混凝土的抗?jié)B性。但是混凝土的抗凍性卻剛好相反，越密實的混凝土抗凍性越差。為此，工程上通常通過引氣的方式，增加混凝土內(nèi)部的孔隙來提高混凝土的抗凍性。石粉作為摻合料摻加到混凝土中，隨石粉含量增加，抗?jié)B性變差而抗凍性變好。