1研究背景及意义
基于对自然资源与自然环境的保护意识，在年2月1日国家砂石标准《建筑用砂》（GB/T-）颁布后，人工砂正式作为一种新型建筑用砂进入了国家标准，而中国对人工砂的研究也越来越重视。近年来随着对人工砂的深入研究，发现石粉含量对人工砂各方面性质具有巨大的影响作用。陈瑞红在运用人工砂制作混凝土实验过程中发现，通过调整人工砂中的石粉含量，可以使普通混凝土的工作性、抗压强度、抗渗性能达到最优的状态，满足工程对混凝土的技术要求。李远与臧志刚分析了人工砂中不同石粉含量对水工混凝土中新拌混凝土的影响（包括坍落度、含气量），以及对抗压强度、抗冻性和抗渗性的影响，并且通过各项试验表明，随着石粉含量的增加，人工砂混凝土的含气量、坍落度不断减小；当人工砂的石粉含量为16%时，硬化混凝土的抗压强度、抗冻性、抗渗性达到最佳效果。
为了使人工砂混凝土在运用与研究上更加合理高效，对于人工砂混凝土各项性能的研究必须全面系统地进行。
2研究内容、目标
针对国内外对石粉的研究还不够深入全面的情况，文章通过设计一系列不同的人工砂混凝土配合比，调整人工砂混凝土中石粉的掺量，系统研究石粉在不同的强度等级下对人工砂混凝土的工作性能、力学性能和耐腐蚀性能的影响规律。并通过参考前人的研究成果，针对人工砂和石粉的性质特点，结合实验结果进行系统分析其在混凝土的制作和养护中起到的物理和化学作用，以此推导石粉对混凝土性能可能产生的影响。
3人工砂混凝土配合比设计和原材料参数
3.1主要试验材料
水泥：金羊牌P.Ⅱ42.5R硅酸盐水泥（广州市越堡水泥有限公司）；
粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，广州市安德建筑构件有限公司提供；
天然砂：北江河砂，细度模数2.8，2区中砂；
机制砂：东莞市大岭山镇大片美村采石场花岗岩人工砂（不含石粉）；
碎石：大亚湾石场产5～20mm碎石，物理性能和级配如表1、表2所示；
减水剂：广州柯杰外加剂科技有限公司生产的KJ-JS型高效减水剂；
水：自来水；
石粉：由原人工砂筛选获得。
3.2实验仪器
图像处理仪：海欧美克仪器有限公司生产的PIP9.1型颗粒图像处理仪；压力试验机：WEY-型微机液压压力试验机（上海华龙测试仪器公司）；碳化性能试验仪器：CCB-70A型混凝土碳化试验箱（苏州市东华试验仪器有限公司）；抗氯离子渗透性试验仪器：北京耐尔仪器设备公司生产的C型混凝土电通量测定仪，NEL-VJ型真空饱水饱盐设备。
3.3实验设置
实验部分包括了对人工砂基本性质研究和石粉对人工砂混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能影响的研究等方面。在人工砂基本性质实验部分方面包括了人工砂的级配对比分析、颗粒圆度分析和颗粒微观特性分析三个方面。在人工砂细部分析方面采用数字图像处理技术（即DIP技术），DIP技术通过对骨料的数字图像进行计算分析，改变了过去对颗粒形貌定性的描述方式，更为精准对颗粒的二维特征进行描述。
在石粉对人工砂混凝土工作性能影响的研究实验中，主要测试数据为混凝土的坍落度和扩展度，并通过对混凝土现场具体情况进行分析，系统研究混凝土的工作性能。根据石粉主要在低于总含量15%含量情况下对混凝土性质作用明显的经验，通过如表3所示配比实验进行。
在石粉对人工砂混凝土力学性能和耐久性能方面影响的研究实验中，主要采用建筑行业中普遍使用的C30和C45两种强度的混凝土，通过如表4所示配比实验进行。
在人工砂混凝土力学性能方面，文章主要研究了混凝土的抗压强度，实验测试内容包括混凝土第3天、第7天和第28天的强度，还有各组混凝土的第28天劈裂抗拉强度。
在人工砂混凝土耐久性能方面，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GBT-，文章主要研究人工砂混凝土的抗碳化性能和抗氯离子性能三个方面。其中抗碳化试验中碳化箱内CO2浓度保持在（20±3）%，相对湿度保持在（70±5）%，温度保持在20±2℃，试验中测试碳化第3天、第7天和第28天后的深度。人工砂混凝土的抗氯离子渗透性采用ASTMC标准试验方法，即电通量法来测定和评价人工砂混凝土的抗氯离子渗透性。
4人工砂基本性质研究
4.1人工砂级配对比分析
人工砂与河砂相比如表5所示，在尺寸较大的2.36mm上的筛余量，人工砂明显高于河砂，而在筛孔较小的0.3mm筛盘上，人工砂筛余量又明显低于河砂，说明人工砂粗颗粒含量较高，这与人工砂的细度模数对应，人工砂细度模数为3.2，高于河砂及海砂，说明人工砂整体较粗，级配不如河砂均匀。
4.2人工砂颗粒圆度分析
如图1、图2所示，从颗粒圆度统计结果来看，在所有的粒级中，天然砂的圆度值均高于人工砂，这与经验中河砂较为圆润、人工砂较为粗糙等结论相吻合。河砂在自然界中形成，经历长时间的风化及水流冲刷，因此表面光滑，很少存在突出和尖锐的棱角。而人工砂通过机械强制破碎，断裂面形状随机出现且不规则，因而棱角突出、圆度小。
4.3人工砂颗粒微观特性分析
如图3所示，从4倍显微照片可以看出，人工砂和河砂整体形状差别不大，但是河砂表面更为光滑，而人工砂则有着明显的棱角，这与上节中圆度值的结论一致。在10倍图片中可以看出，河砂表面平滑但有部分被水流侵蚀的凹槽及线坑，而机制砂表面则存在大量机械破碎后的断裂痕迹，棱角分明。从10倍放大到40倍，可以看到河砂被水流溶蚀而产生的细小纹理，而人工砂上面则可以看到局部撞击和断裂产生的裂纹。
5石粉含量对混凝土工作性能的影响
试验中各组混凝土的工作性如表6所示。
对比天然砂与人工砂混凝土，根据实验得出的坍落度、扩展度等数据可以得出以下结论：
对于中等强度的混凝土，相同配合比下人工砂混凝土和天然河砂混凝土的工作性能还是有较大的差异性，主要体现在混凝土的流动性、和易性和保水性三个方面，从数据和现场图片中可以明显看出天然砂制成的混凝土具有更好的坍落度、扩展度和粘聚性等混凝土的工作性能。现场研究也证明，要使人工砂混凝土达到河砂混凝土相同的流动性，所需用水量将远超设计所需的用水量，进而会影响混凝土其他方面的性能。因此在低强度混凝土中，人工砂的工作性能不如天然砂混凝土。
对比不同石粉含量的人工砂混凝土，可以看出，在低强度混凝土中用水量不变的情况下，石粉含量过低时（文章认为≤5%时），和易性和流动性都稍差，粘聚性不足，因此工作性能不高；当石粉含量达到15%左右时，混凝土开始变得过于粘稠，流动性和和易性随之降低，进而影响混凝土的整体工作性能；而当石粉含量达到10%左右时，混凝土的粘聚性较好，同时流动性和和易性也适中，在各组人工砂混凝土中工作性能最好。不同石粉含量的人工砂混凝土，坍落度和扩展度都明显出现随石粉含量先升高后降低的现象。
对实验结果进行分析认为，由于人工制造的原因，没有经过天然的水流冲刷作用，相对于天然砂而言，人工砂表面更加粗糙，菱角多，圆滑程度不够，级配不良，因此人工砂互相咬合，流动阻力较大，造成拌制的混凝土工作性能稍。差，易产生离析等缺陷。而石粉能够很好地填充混凝土中的孔隙（即起到了物理填充作用），正好能够弥补人工砂的先天缺陷。适量石粉的填充作用，提高了混凝土的密实性，使混凝土孔结构更加细化并增加了毛细孔的曲折程度，改善了机制砂的颗粒堆积密度，也改善了硬化浆体和界面过渡区的密实度；同时石粉还与混凝土中的自由水作用，使得混凝土黏聚性和保水性能增强。实验中0%石粉含量的人工砂混凝土由于低含量的石粉的填充作用不够，混凝土的密实性不足，孔结构细化程度不够，同时缺失石粉的保水作用，导致浆体通过碎石块之间的缝隙流失，整体的工作性能不好。而15%石粉含量的人工砂混凝土出现坍落度、扩展度较低和表明干燥的现象，是由于石粉的保水性能过强，石粉含量增加之后，混凝土黏聚性和保水性能增强，可以流动的自由水变少，致使混凝土变粘，从而流动性有所下降，工作性能反而随石粉含量增加而下降。因此，从整体的工作性能来看，河砂混凝土依旧是最佳选择。
结合混凝土流动性实验结果，可以看出石粉含量对于混凝土的工作性能有很大影响。对于人工砂混凝土，应适当合理控制人工砂中的石粉含量，不宜太低也不宜太高。实验表明，通常10%石粉含量的人工砂混凝土与天然砂混凝土工作性能较佳，与天然河砂混凝土的工作性能更加接近。
6石粉含量对混凝土力学性能的影响
C30混凝土的力学性能试验结果如表7所示。
分析C30混凝土的实验数据可以知道，河砂混凝土在第3天和第7天的强度都略高于人工砂混凝土，不过强度差值并不大；当时间达到第28天时，四组混凝土的抗压强度已经非常接近，最大差值不超过1.0MPa，几乎等同，而A2组10%石粉含量的人工砂混凝土强度正好与A0组相等。
对比三组人工砂混凝土，可以发现三组的抗压强度都非常接近，整体而言A2组的抗压强度更高，不过各组之间的差值都没有超过1.0MPa；说明在低强度人工砂混凝土中，石粉含量对混凝土的抗压强度影响不大。
在混凝土28天劈裂抗拉强度方面，两种混凝土也非常接近，影响并不大。C45混凝土的力学性能试验结果如表8所示。
对于C45混凝土，人工砂混凝土与河砂混凝土的抗压强度和抗拉强度也相差不大，不过人工砂混凝土的3d强度比河砂混凝土高出1～3MPa；而7d强度比河砂混凝土高出0.6～3.5MPa，说明该配合比下机制砂混凝土具有较好的早期强度。相关研究表明，在水泥中存在游离状体的CaO、SiO2、Al2O3，其中CaO与水反应后发生膨胀而自行硬化，而活性的SiO2和Al2O3则会与水泥浆中水化产生的Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙及水化铝酸钙。由于C45混凝土水泥含量较高，石粉在水泥水化早期对Ca(OH)2和C—S—H的形成起晶核作用，加速了熟料矿物特别是C3S矿物的水化，有利于早期强度的改进；反应中Ca(OH)2晶体也被粒化，使混凝土与骨料的界面有更好的粘接效果，让混凝土可以在早期获得较好的力学性能。
分析C30和C45混凝土的实验情况发现，虽然河砂相对于人工砂圆滑程度更好，表面更加细致，在混凝土制作过程中密实度更高，力学性能本应更好；但是人工砂表面粗糙，棱角大，在混凝土结构中能够发挥较大的啮合作用；同时石粉的作用提高了混凝土的密实性，使混凝土孔结构细化、密度增大，进而提高了混凝土的力学性能；另一方面，石粉的保水性能能够有效的稳定水泥浆体，防止水泥浆流失，对混凝土抗压强度也有部分影响。在抗拉性能方面，人工砂颗粒粗糙且表面纹理丰富多变，可以有效提高骨料与水泥水化产物间的粘结力；而河砂表面光滑圆润，在劈裂抗拉中骨料与浆体的粘结力反而较低。同时，对比不同石粉含量的混凝土，抗压和抗拉性能变化也不大。
结合混凝土力学实验结果，文章认为石粉含量对混凝土的力学性能影响作用不大，而且在力学性能方面，用人工砂混凝土取代河砂混凝土是完全可行的。而且利用C45人工砂混凝土的早强特点，对于混凝土预制件提早拆模，提高模板周转使用率都有好处。
7石粉含量对混凝土耐久性能的影响
7.1人工砂混凝土碳化性能
对图4、图5、图6、图7、表9中的实验数据进行分析可以发现，C30混凝土碳化深度较深，且随时间发展较快，而C45混凝土碳化深度则相对较浅，分析认为这种现象与混凝土的水胶比有关。由于C30混凝土水胶比高，胶凝材料不够，混凝土凝结硬化后孔隙率较大，因此CO2更容易扩散至混凝土深部，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低发生碳化，又称作中性化，化学反应为：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。而C45混凝土水胶比为0.4，胶凝材料较多，混凝土结构相对密实，所以碳化速度相对较慢。
对比C30混凝土各组碳化深度，从小到大依次为A2＜A1＜A0＜A3，即5%和10%石粉量的机制砂混凝土抗碳化能力高于河砂，而15%石粉量的机制砂混凝土抗碳化能力则低于河砂，表现为随石粉含量先增大后减小的趋势。分析认为，由于人工砂表面粗糙，圆滑程度不够，级配不良等先天缺陷，使混凝土中存在大量的孔隙，导致抗CO2渗透的能力较差。而石粉的物理填充作用能够弥补人工砂的先天缺陷。适量石粉的填充作用，提高了混凝土的密实性，使混凝土孔结构更加细化并增加了毛细孔的曲折程度，改善了机制砂的颗粒堆积密度，改善了硬化浆体和界面过渡区的密实度，使CO2在混凝土空隙中的渗透作用减弱。因此，在石粉掺量较少时，随着石粉含量增加，混凝土密实度提高，内部孔隙结构也有所改善。
但是这种作用也是相对的，当石粉含量过大达到15%的时候，由于石粉含量太多，使混凝土出现颗粒级配不合理的现象，粗颗粒偏少，减弱了骨架作用，反而会导致混凝土的密实性降低，致使混凝土抗碳化能力下降；另一方面石粉中的碳酸盐会与水泥水化所产生的反应，降低混凝土内部的碱性，导致其抗碳化性能下降，因此这个掺量的碳化深度就取决于哪种因素占主导地位。
实验证明适量的石粉能够有效提高混凝土的密实程度，而对于中、低水胶比的混凝土来说，石粉含量超过15%会对混凝土密实程度不利，当含量5%～10%时，混凝土具有更好的碳化性能。
7.2人工砂混凝土的抗氯离子渗透性
对C30、C45两种混凝土的抗氯离子渗透性测试结果如表10所示。
从表中可以看出，C30混凝土由于水胶比较高（为0.6），四组混凝土的电通量值都超过了C，渗透性达到了“高”的水平，但是各组之间比较依然能得到一些规律。在各组中A2组含10%石粉的机制砂混凝土电通量值最低，6h电通量比A0组河砂混凝土低了C左右；而A3组15%石粉含量的机制砂混凝土电通量最高。四组混凝土抗氯离子渗透性从大到小排列为A2＞A1＞A0＞A3。C45混凝土三组机制砂混凝土电通量均低于河砂，且三组中同样是B2组电通量最低，各组抗氯离子渗透性从大到小排列为B2＞B3＞B1＞B0。对比不同石粉含量的混凝土，抗氯离子性能都先随石粉含量升高再降低。
这是由于混凝土的电通量值与混凝土的密实度有关，混凝土的抗氯离子强度取决于混凝土的密实性，与混凝土的抗碳化性能类似，石粉的物理填充作用提高了混凝土的密实性，改善了硬化浆体和界面过渡区的密实度，使氯离子在混凝土空隙中的渗透作用减弱。当石粉含量过大的时候，混凝土的密实性下降，致使混凝土抗氯离子渗透性能下降。
对混凝土抗碳化性能和抗氯化性能两种耐腐蚀性能的研究，由于两种性能都与混凝土的密实程度直接相关，探究发现通过调控石粉的含量可以使人工砂混凝土这两个方面的性能达到、甚至超过河砂混凝土，但是石粉的含量不宜过高，也不宜过低，当石粉含量范围维持在10%左右，不管是抗碳化性能还是抗氯化性能都有很大的提高，由此可见，通过使用调配合理的人工砂混凝土，可以有效应对我国建筑耐久性能不够的问题，对建筑行业具有很大的促进作用。
8结论
对比人工砂和河砂混凝土，可以看出，在选用适当的石粉含量的情况下，人工砂混凝土在工作性能、力学性能和耐腐性能上基本上都可以达到河砂混凝土的标准，甚至有部分性能可以超过河砂混凝土，这对于人工砂取代天然砂是一个不错的优势，如果能够对人工砂这些优势加以利用，将有利于建筑性能的改善。
从实验分析可以看出，石粉含量对人工砂混凝土的工作性能和耐腐蚀性能都有很大影响，且都随石粉的含量增大先提高再降低，而当人工砂中石粉含量在10%左右时，混凝土在各方面的性能都是较好的，这对于人工砂在我国的推广和使用具有重要的指导性作用。
对比C30和C45两种强度的混凝土，可以发现C45混凝土石粉量取10%～15%时性能更好，表现出更好的可控性，而且C45混凝土还有早强性能，有利于工程的进度，因此使用人工砂混凝土的时候选择C45是更好的选择。
文章在阅读大量前人文献的基础上，对人工砂及人工砂混凝土的多个方面展开了试验研究，得到了一些有价值的结论。基于环境保护的原则，使用人工砂取代天然砂是建筑行发展的必然趋势，希望文章的研究能够对人工砂的理论发展和实际应用起到一定作用。但由于时间有限，部分工作的开展仍然不够深入，对于研究中遇到的问题，希望土木行业的同志能够再接再厉，使人工砂的研究和使用更上一层楼，让我国土木工程技术走上世界的先锋。