机制砂质量指标及对混凝土性能的影响分析

前言

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随着经济的快速发展，基础设施的建设需求越来越大，混凝土骨料等建筑材料需求也相应急剧增加。天然砂资源逐步减少甚至无天然砂可用的情况越来越多，混凝土用砂供需矛盾突出，严重影响了工程建设的进展。机制砂与天然砂的根本区别在于机制砂是经制砂机破碎和加工制得的，机制砂的级配、石粉含量等质量指标可以通过调整制砂机参数进行调整和改进。另外，机制砂在生产、运输和施工中能够减少对环境造成的污染。欧美等工业发达国家为了保护天然砂资源、满足工程建设的需要，已广泛应用机制砂并制定了较为完善的标准规范。本文通过分析国内外机制砂的标准规范后，总结概括了机制砂的质量指标并提出改进意见。

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1 机制砂的定义

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目前，国内外标准规范中机制砂的定义并不统一，不同国家的机制砂定义各不相同，国内各标准中机制砂的定义也不同，详见表1。

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表 1 标准规范中机制砂定义

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由表1可知，美国标准ASTMC125-18在机制砂的原材料中加入了建筑垃圾，促进了建筑垃圾的资源化利用。

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2 机制砂的特有质量指标

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机制砂的特有质量指标大致可分为两类：一是有关机制砂的形貌特征，如粒形、表面粗糙度等；二是关于机制砂中特有成分石粉的指标，如石粉含量。

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2.1 颗粒形貌

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由于母岩及生产工艺等因素的不同，机制砂粒形不规则、表面粗糙、颗粒尖锐富有棱角，且颗粒内部裂纹多、比表面积大。一般来说，棒磨式、锤式和冲击式破碎机生产的机制砂要优于反击式、圆锥式和辊压式破碎机生产的机制砂。

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机制砂的颗粒形状因不规则，难以准确表征。JTGE42-2005《公路工程集料试验规程》规定了细骨料棱角性试验方法：间隙率法和流动时间法，但试验误差较大。近年来，更多学者采用数字图像处理技术（Digital Image Processing）对骨料的棱角性特征进行分析。DIP技术是对颗粒进行正面投影，然后进行轮廓图像分析，从而可以采集到颗粒的圆球度、长宽比、半径比等参数，用以表征细骨料颗粒的粒形。GONCALVESJ P采用DIP技术分析对比天然河砂与两种不同破碎方式（冲击破碎、圆锥破碎）机制砂的圆球度和长宽比后发现，圆锥式破碎机生产的机制砂圆球度最小、长宽比最大、颗粒棱角最多。宋少民提出了机制砂片状颗粒的概念并制订了条形孔筛片状颗粒检测方法，并建议将混凝土用机制砂的片状颗粒含量控制在20%以内。

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数字图像分析技术将评价指标量化，评价方式科学严谨，但操作复杂、选取研究对象较少、代表性差；相比而言，细集料片状颗粒含量测定方法操作简单快捷、适应性强。

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2.2 石粉含量

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国内外主要标准中机制砂石粉含量的最高限值见表2。由表2可知，不同国家机制砂的工程应用情况不同，确定石粉含量时的考虑因素也不同，因此，不同国家对石粉含量限值的规定差异较大。欧洲标准中石粉含量最为宽泛，其最高限值为22%；我国标准中机制砂石粉含量的最高限值为10%。

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表 2 国内外主要标准中机制砂石粉含量最高限值

3 机制砂质量指标与混凝土性能

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3.1 颗粒形貌与混凝土性能

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机制砂粒形影响混凝土工作性主要是由于多棱角的颗粒间机械咬合力大，相互碰撞和干扰会降低混凝土的工作性。2.36mm粒级机制砂的颗粒形状越不规则，混凝土流动性越差。机制砂颗粒表面粗糙、多棱角，针片状颗粒含量较多，往往需要更多的水泥浆体包裹，才能达到与河砂混凝土相同的工作性，否则会影响新拌混凝土的流动性，致使混凝土出现离析泌水的现象。

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使用机制砂拌制的混凝土，其强度普遍高于使用河砂拌制的混凝土。对此分析主要有两方面原因：一是机制砂粗糙不规则的表面形态有利于提高混凝土界面间黏结力；二是机制砂的主要成分为CaCO3，在混凝土高碱环境中，其表面发生微化学反应，促进C3S和C3A的水化。颗粒形貌会影响砂的堆积状态，进而影响其空隙率，当水泥浆体完全填充空隙时，混凝土体系填充密实，抗压强度表现较好；机制砂的表面粗糙程度越高，混凝土的抗压和抗折强度表现越好。但并非所有学者都认同此观点，一些学者认为圆形度越高（粒形越圆滑），混凝土拌合物的工作性越好，硬化后抗压强度越高。颗粒形貌对混凝土力学性能的影响还需进一步研究。

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3.2 石粉含量与混凝土性能

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不同母岩产生的石粉由于其岩性及成分不同，在混凝土体系中对混凝土水化产生一定影响；我国生产机制砂的原料主要为石灰岩。因此，本文主要针对石灰石粉对混凝土性能的影响进行了总结。

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3.2.1 石粉含量对工作性的影响

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石粉有利于提高混凝土的保水性和黏聚性，改善混凝土离析泌水的现象，但石粉含量过高则会使混凝土变得干稠。YAHIA A认为存在一个石粉掺量的临界值，石粉掺量低于临界值时，有利于混凝土的流动性；当石粉含量超过此临界掺量时，增大混凝土拌合物的黏聚性，降低流动性。周明凯认为机制砂中石粉会对混凝土拌合物的工作性起到两种相反的作用：正效应与负效应。正效应指：石粉包裹于机制砂颗粒周围，形成的浆体能够减少颗粒间的摩擦力，弥补机制砂粒形方面的缺陷；负效应指：石粉会吸收混凝土体系中的水分，增大混凝土拌合物的需水量。石粉在混凝土中的正负效应取决于石粉的含量，当正效应大于负效应，石粉有利于拌合物的工作性；反之则不利。在中低强混凝土中，机制砂中的石粉能够增加浆体含量，一定程度上提高新拌混凝土的工作性。但高强混凝土的水灰比较小，胶凝材料用量很大，不需额外掺入石粉来改善其泌水现象；多余的石粉反而会由于其较大的比表面积，吸收水泥水化所需的水分，使得拌合物黏聚性增大、流动性减弱，硬化后的混凝土强度降低。总之，石粉含量对混凝土工作性的影响存在一个临界点，对不同强度等级的混凝土的影响程度也不相同。

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3.2.2 石粉含量对力学性能的影响

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石粉影响混凝土强度主要体现在两个方面：一是石粉在混凝土材料体系中具有一定的水化活性，且其水化产物结构较为密实；二是石粉细度较小，对混凝土有一定的微骨料填充作用。石灰石粉在早期为水化硅酸钙提供了有利于成核和生长的表面，降低了成核位垒，加速了水泥的水化，尤其是能够加速C3S的早期水化，因此，掺加石粉能够提高砂浆和混凝土的早期强度，但由于其没有活性效应，使得90d以后的混凝土强度发展缓慢。李长永认为石粉含量低于13%时有利于混凝土后期抗压强度的增长。

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总之，石粉对混凝土早期水化有一定的促进作用，从而有利于混凝土早期强度的发展，但对后期强度影响还需进一步研究。

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3.2.3 石粉含量对耐久性能的影响

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石粉在水泥基材料中的作用机理主要体现为晶核作用、填充作用、化学作用和微活性作用；因此，石粉不仅会对混凝土的工作性和力学性能产生影响，还会影响混凝土的耐久性能。刘晓东研究认为石粉的晶核效应表现为能够加速水泥水化，诱导水化产物（主要是C-S-H凝胶）结晶析出，从而阻断混凝土的渗透通道，提高混凝土的密实性，使得混凝土抗渗等级提高，氯离子扩散系数减小。李北星发现低强混凝土中石粉含量从0增加到20%，可提高氯离子的渗透阻力，降低混凝土的抗冻性能；而对于高强混凝土，石灰石粉从0～15%的增加并不会影响混凝土的氯离子渗透性和抗冻性。水灰比不变的情况下，混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力随石灰石粉含量的增高而下降。王海峰采用石灰石粉代替部分水泥，证明掺加石灰石粉能够有效抑制碱骨料反应。石灰石粉在混凝土中活性较小，体积较为稳定，同时，由于其细度较小，能充分发挥填充和分散作用，降低混凝土的收缩。机制砂混凝土中石粉含量为7%及7%以上时，早期干缩值要大于河砂混凝土，而后期干缩值相差不大，甚至有所降低。

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目前，石粉对混凝土耐久性的影响还缺乏系统的研究。石粉含量在一定范围内的增加可以提高混凝土的抗氯离子渗透性，并有一定的抑制碱骨料反应的作用，但对抵抗硫酸盐侵蚀能力不利。

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4 结论与展望

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目前各标准中机制砂的定义不统一，并且缺乏简便有效的检测机制砂形貌的方法；关于机制砂颗粒形貌及石粉含量对混凝土耐久性的影响研究尚不完善。

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（1）综合考虑机制砂的原材料、生产工艺及产品特点等因素，建议将混凝土废弃物、废砖石块等建筑垃圾纳入机制砂的原材中。

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（2）建议引入细骨料片状颗粒含量指标，采用条形孔筛对细骨料片状颗粒含量进行检测。

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（3）机制砂形貌特征和石粉含量对混凝土耐久性能的影响还需进一步系统研究。