吳定略　楊振國　劉　雨　曹亮宏　劉　冰　陳培沖.廣東省長大公路工程有限公司，廣東　廣州　5060；.上海建科工程咨詢有限公司，上?！?00；.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北　武漢　40040

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機制砂特性及其對混凝土性能影響研究進展

吳定略1楊振國2劉雨3曹亮宏1劉冰1陳培沖1
1.廣東省長大公路工程有限公司，廣東廣州510620；2.上海建科工程咨詢有限公司，上海200032；3.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北武漢430040

摘要機制砂中粉料含量對混凝土性能的影響有正負兩方面的效應(yīng)，適當(dāng)保持機制砂中粉料含量有利于其性能的改善；不同的黏土成分對混凝土MB的吸收能力不同，MB值不能完全反映機制砂中黏土成分對混凝土性能的不利影響；機制砂的棱角性和長寬比大，對混凝土工作性和強度帶來影響；機制砂級配帶來了混凝土性能的不同，應(yīng)正確認識機制砂級配并適應(yīng)機制砂級配帶來的變化。在機制砂生產(chǎn)方面，機制砂粉料含量、MB值和級配之間存在相互的應(yīng)用，應(yīng)加強對母巖黏土的剝離，不片面降低粉料含量，不采用不當(dāng)?shù)某龎m方式破壞機制砂的自身級配。

關(guān)鍵詞機制砂粉料MB值顆粒形狀級配

0　引言

近年來我國澆筑的混凝土占全球一半以上，據(jù)估算，2014年我國混凝土用細集料量就有約45億噸左右，混凝土用細集料——砂主要分為天然砂（natural sand）和機制砂（manufactured sand）兩大類[1]。天然河砂是在自然狀態(tài)下經(jīng)水流長時間反復(fù)沖刷、搬運、分選形成的，短時間內(nèi)不可再生，是一種區(qū)域性較強的地方資源，一些地區(qū)天然砂供應(yīng)不足，河砂的運費已近10倍其售價[2]；一些沿海城市，甚至出現(xiàn)了“海砂樓盤”[3]。由于河砂資源匱乏，質(zhì)量開始難以保證，部分河砂含泥量超過國家標(biāo)準(zhǔn)，河砂的過度開采對防洪、河道生態(tài)、航道安全產(chǎn)生不利影響。機制砂在混凝土細集料中所占的份額逐年上升，一般工程用機制砂為母巖經(jīng)破碎、篩分、除粉后得到4.75 mm以下顆粒，一般使用沖擊式制砂、棒磨機、錘式或反擊式制砂機生產(chǎn)[4]。機制砂與經(jīng)過長期風(fēng)化、搬運、沖刷、漂洗的天然河砂在性質(zhì)上存在巨大差異。因此正確認識機制砂的特性以及由此對混凝土性能的影響，對機制砂科學(xué)化、常態(tài)化應(yīng)用具有重要的促進作用。

機制砂與天然砂的不同主要體現(xiàn)在粉料含量、MB值、顆粒形貌、礦物組成和顆粒級配上，本文綜述了機制砂質(zhì)量指標(biāo)的差異對配制的混凝土相應(yīng)性能影響的研究進展，并對機制砂的生產(chǎn)提出建議。

1　機制砂粉料含量對混凝土性能的影響

與天然河砂相比，機制砂0.075 mm以下粉料（石粉＋泥粉）含量通常較高[4]，對粉料的認知以及對其含量的限定影響了機制砂的科學(xué)應(yīng)用。曹亮宏等人的研究發(fā)現(xiàn)，機制砂中的石粉在混凝土中的作用是各種正負效應(yīng)的疊加，過小的粉料含量和過高的粉料含量對混凝土的性能都有負作用，在MB值合格的情況下，粉料含量（水篩）為10%時配制的混凝土往往具有較好的性能[5]。Ji Tao等[6]依照最小漿體理論設(shè)計了機制砂混凝土中各原材料的用量，研究中發(fā)現(xiàn)在膠凝材料中細粉（MB值為0.67 g/kg）的含量從0%增加到30%的過程中，混凝土的坍落度逐漸減小，而其相應(yīng)的力學(xué)性能則存在一個最優(yōu)點；由于細粉作為膠凝材料的一部分，在漿體體積不變時，粉料含量（占膠凝材料）提高，水泥水化所需的水減少，才導(dǎo)致了坍落度的降低。而當(dāng)粉料作為細集料的一部分摻入時，對于高強混凝土，Zhou Mingkai等人的研究表明粉料含量的變化對坍落度的影響不大，粉料增加了拌合物中的漿體，起到了一定的潤滑作用，從而對機制砂粗糙的表面對工作性帶來的降低有一定的改善，同時，粉料含量的增加提高了用水量，兩種作用相互影響，其坍落度基本不變[7]。王稷良等人通過對機制砂高強混凝土體積穩(wěn)定性的研究發(fā)現(xiàn)，7%及以上石粉含量的機制砂混凝土的早期干縮大于河砂，而后期相差不大，7%石粉含量的機制砂混凝土的徐變度、徐變系數(shù)與河砂相差不大[8]。楊玉輝等人通過對C80機制砂泵送混凝土性能的研究發(fā)現(xiàn)，在7%的粉料含量下，C80機制砂混凝土的工作性最佳，強度最高，C80機制砂石粉含量的限制可以放寬到7%[9]。田建平等人對摻加粉煤灰的高強機制砂混凝土的性能進行了測試，發(fā)現(xiàn)石粉含量的增加增大了混凝土的干縮，而粉煤灰的摻入可以有效減小干縮，石粉含量對高強混凝土的抗凍、抗?jié)B性能基本沒有影響[10]。J·J·Chen等人采用粉磨得到的石灰?guī)r石粉按體積比例取代水泥漿體（0%、4%、8%）配制機制砂混凝土，在固定的漿體體積、不同的水灰比（0.4、0.5、0.6）下，石粉的摻入可以明顯提高混凝土的強度，降低滲水深度和吸水率；同時，石粉的摻入可以填充孔隙，降低混凝土的滲透孔隙度，且滲透深度和吸水率與滲透孔隙度有直接關(guān)系[11]。

一般來說，機制砂75 μ m以下的粉料顆粒包括石粉與黏土（泥粉），機制砂中的粉料含量和天然河砂中的含泥量有本質(zhì)的區(qū)別。但一些業(yè)主對粉料含量要求控制在很低的范圍，導(dǎo)致機制砂生產(chǎn)過程中沖洗、篩分或除塵過度，使得機制砂中本身含量就比較低的0.3 mm～0.075 mm之間的顆粒進一步減少，破壞了機制砂的天然級配，進一步惡化了機制砂混凝土的工作性，粉料限量應(yīng)根據(jù)粉料的性質(zhì)來確定。

2　機制砂泥粉含量（MB值）對混凝土性能的影響

在機制砂生產(chǎn)的過程中，礦山表面通常會覆蓋土層，巖石層間有時也會夾雜一些層間土，由于對黏土的剝離難以徹底，這些土往往成為機制砂中的“泥粉顆?！保答ね令w粒）[12]。泥粉顆粒與石粉顆粒的粒徑都小于75 μ m，但石粉是母巖破碎而成的堅固致密的顆粒，而黏土礦物一般為：含水的鋁硅酸鹽、鎂硅酸鹽和鐵硅酸鹽，一般都由SiO4和AlO6組成的層狀結(jié)構(gòu)[13]，主要包括兩種結(jié)構(gòu)類型：1∶1層型高嶺石類、2∶1層型蒙脫石類和伊利石類[14]，如圖1所示。層狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物中存在著大量的空隙，因此其比表面積較大，吸附性能較強。目前，國家標(biāo)準(zhǔn)采用亞甲藍MB值來判斷機制砂中黏土顆粒含量，亞甲藍的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示，亞甲藍分子帶有一定量的正電荷。當(dāng)黏土礦物遇水時，其中的Al3+與水作用形成膠體[15]，根據(jù)擴散雙電層理論，在膠體中，固體與液體接觸的表面由于電離或吸附離子而帶電，在通常情況下黏土表面是帶負電的[16]。由于黏土顆粒較強的吸附性能以及表面所帶的負電，所以與石粉相比泥粉（即粘土顆粒）更容易吸附亞甲藍溶液。

圖1　黏土礦物結(jié)構(gòu)

Wang Jiliang等人通過向粉料含量6%的機制砂中摻加黏土的方式來調(diào)節(jié)機制砂MB值（0.35、0.7、1.1、1.45、1.8、2.15、2.5），從而研究MB值對低、高強機制砂混凝土相應(yīng)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)固定水泥用量、水灰比（0.6、0.32）、減水劑摻量下，隨MB值的提高，各強度混凝土拌合物的黏聚性都有提高，坍落度降低，尤其當(dāng)MB值>1.8 g/kg時，降低明顯，各齡期的抗壓強度則隨著MB值的提高先增大后減小[17]。對于高強混凝土，控制坍落度(210±10)mm，其開裂等級隨著MB值的增加而降低，且降低的程度也隨著MB值的變化而改變；當(dāng)MB值≥1.8 g/kg時，單位面積下的塑性裂紋寬度與開裂面積均顯著提高；混凝土的干燥收縮率隨MB值的增大而提高，尤其是在MB值≥1.45 g/kg時，提高明顯[18]。B.Feleko lu在對粉料含量2.3%的水洗河砂（MB值0.8 g/kg）、粉料1.5%的水洗石灰?guī)r機制砂（MB值0.4 g/kg）、摻泥粉的石灰?guī)r機制砂（MB值1.1 g/kg）以及摻黏土石灰?guī)r機制砂（粉料含量12.5%，MB值3.5 g/kg）配制的自密實混凝土性能進行研究時發(fā)現(xiàn)，固定擴展度720 mm±20 mm，水洗河砂和水洗石灰?guī)r機制砂配制混凝土?xí)r所需減水劑摻量較低，摻黏土石灰?guī)r機制砂所需減水劑摻量較高；在相同水灰比下，摻黏土石灰?guī)r質(zhì)機制砂所拌制的混凝土各齡期抗壓強度最低[19]。左文鑾等人的研究表明：對于低強混凝土，在MB值為1.05 g/kg時，混凝土各齡期的強度均達到最大值；對于高強混凝土，其早期抗壓強度隨MB值的提高而逐漸減小，干燥收縮率隨MB值的提高而增大，且早期較為明顯，但MB值的改變對后期強度影響不大；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各MB值下混凝土的動彈模量都出現(xiàn)了明顯的降低，且MB值越大，降低得越明顯[20]。

圖2　亞甲藍（MB）分子結(jié)構(gòu)圖

在機制砂生產(chǎn)中如采用水洗除粉，對MB值有顯著的降低作用，但干法生產(chǎn)則難以降低MB值。MB值反應(yīng)的是機制砂中黏土對亞加藍的吸收能力，對于具有2:1結(jié)構(gòu)的黏土，特別是膨潤土，其吸收作用強[12]，但并不代表其對混凝土性能的影響更大，因此客觀認識機制砂中MB值的作用也十分重要。在機制砂生產(chǎn)過程中普遍存在表土和黏土夾層剝離不充分，而片面增加除塵力度，不利于機制砂中MB值的降低也惡化了機制砂的級配，不利于機制砂綜合質(zhì)量的改進。

3　機制砂顆粒形狀與表面質(zhì)地對混凝土性能的影響

天然砂顆粒在自然條件下形成，經(jīng)過長時間的環(huán)境作用，其顆粒形狀較為圓潤；機制砂通過巖石破碎得到，生產(chǎn)過程中在節(jié)理面開裂，其顆粒形狀不規(guī)則、有棱角，且針片狀含量高，生產(chǎn)機制砂的原材料及破碎過程所用機械的差異同樣會使其顆粒形狀產(chǎn)生一定的差別。我國行業(yè)規(guī)程規(guī)定了細集料顆粒形狀的檢測標(biāo)準(zhǔn)，分別是《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42- 2005）中T0344細集料棱角性試驗（間隙率法）和T0345細集料棱角性試驗（流動時間法），兩種方法分別根據(jù)美國的AASHTO33細集料未壓實空隙率試驗方法以及法國AFNOR NF P18- 564/1981制訂并改進[21]。兩種測試手段所得到的測試結(jié)果不直觀、可比性差，測試過程繁瑣。除使用棱角性來表征顆粒的形狀外，還有采用較為先進的圖像分析方法測得相應(yīng)的顆粒形狀參數(shù)進行分析。

目前，在數(shù)碼圖像分析的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外對顆粒數(shù)碼圖像的采集手段主要分為兩大類：2D圖像的采集以及3D圖像的采集，顆粒2D圖像的采集還分為靜態(tài)圖像和動態(tài)圖像兩類。S·T·Erdogan等人采用了X射線微電腦斷層掃描（μ CT）的方法得到了粗集料和微細粉集料的3D圖像，并進行了顆粒形狀分析[22,23]。Rolands等人采用動態(tài)影像分析（DIA）2D測試技術(shù)對5種不同巖性的7種河砂、機制砂0～125 μ m樣品的長寬比進行了測試并與X射線微電腦斷層掃描（μ CT）3D測試結(jié)果進行了對比，研究結(jié)果表明在幾乎所有的尺寸范圍內(nèi)，兩種測試方法得到的結(jié)果基本相似，與μ CT球面測試方法測得的長寬比，DIA測試結(jié)果擁有更好的可比性[24]。C.F. Mora、沈衛(wèi)國等人分別通過2D靜態(tài)數(shù)碼圖像采集技術(shù)（DIP）對集料的寬厚比（長寬比）、豐滿比、圓球度以及不同粒徑細集料的圓度系數(shù)等形狀參數(shù)進行了測試，與傳統(tǒng)的方法相比，DIP技術(shù)測得的顆粒形狀參數(shù)更直觀地反映了形狀特點，信息獲取更全面，操作更便捷[25~27]。J·P· Goncalves等人采用相同原材料、不同破碎機（圓錐破、沖擊破）生產(chǎn)機制砂，并用圖像處理的方法對不同破碎方式下不同尺寸顆粒的形狀參數(shù)（圓球度、長寬比）進行了檢測，與天然河砂和沖擊破生產(chǎn)的機制砂相比，圓錐破得到的機制砂圓球度最小、長寬比最大，顆粒棱角最多；隨著細集料顆粒尺寸的增加，兩種破碎方式下生產(chǎn)的機制砂長寬比都降低，圓錐破生產(chǎn)的機制砂圓球度增大，沖擊破生產(chǎn)的機制砂圓球度降低，但變化較??；天然砂的圓球度與長寬比基本不隨顆粒尺寸的變化而改變[28]。

早期對顆粒形狀的評價方法比較簡單，只是通過觀察并用“圓形、棱角、細長”等詞匯描述集料的顆粒形狀。在此階段，H·Donza等人在對顆粒形狀相差較大的兩種細集料（花崗巖機制砂、天然砂）配制的混凝土進行研究時發(fā)現(xiàn)，在相同的配比下，為達到相同的工作性（坍落度），顆粒棱角較為明顯的花崗巖質(zhì)機制砂配制混凝土?xí)r需要摻入更多的減水劑，且其各齡期的力學(xué)性能均優(yōu)于顆粒形狀更為圓潤的天然砂配制的混凝土[29]。而后，隨著數(shù)碼分析技術(shù)的發(fā)展，集料顆粒形狀的描述方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮闇?zhǔn)確的數(shù)字表達（圓度系數(shù)、長寬比等）。J·P·Goncalves等人通過對由機制砂、天然砂配制的砂漿性能的研究發(fā)現(xiàn)，砂漿的抗壓強度與混合物的堆積密度有關(guān)，與砂的級配和粒型無關(guān)[28]。Wang Lihua等人通過DIP的測試方法對機制砂、天然砂的顆粒形狀進行了測試，研究結(jié)果表明天然砂的顆粒形狀更接近圓形、更為圓滑，在相同水泥用量和固定坍落度下，采用兩種細集料配制混凝土，機制砂的需水量更高，含氣量更低，且強度也更高[30]。劉秀美等人在對3種不同圓形度機制砂（圓形度分別為0.87、0.91、0.94）配制的機制砂混凝土性能的研究中發(fā)現(xiàn)，在相同的配合比、顆粒級配和粉料含量（7%）下，隨圓形度的提高（即顆粒形狀越圓滑），配制的混凝土的工作性越好，抗壓強度越高[31]。

在機制砂生產(chǎn)時選用沖擊式制砂機、棒磨機等可以有效降低機制砂長寬比，改善棱角性[4]，但機制砂粒形與表面質(zhì)地等資源性指標(biāo)對機制砂混凝土性能的影響的顯著性顯然低于粉料含量、MB值等加工性指標(biāo)對混凝土性能的影響。

4　機制砂顆粒級配對混凝土性能的影響

機制砂由巖石破碎而成，由于生產(chǎn)機械的局限，其顆粒級配與天然砂存在著較大的差別，顆粒級配的顯著不同也對其配制的混凝土的性能帶來了明顯的影響。通常認為機制砂是一種兩頭多中間少的啞鈴形級配，而河砂則為紡錘形級配，與河砂相比機制砂的顆粒級配更接近于Fuller曲線n=0.5時的級配，也就是更接近最大理論密度線（如圖3所示），因此不能簡單地認為機制砂的級配就是一種不良級配。苪捷等人以2區(qū)級配為例，將不含粉料的機制砂按篩孔直徑4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.075 mm篩分后配合成2區(qū)下限以下、2區(qū)下限、2區(qū)下限與中值間、2區(qū)中值、2區(qū)中值與上限間、2區(qū)上限、2區(qū)上限以上7種級配比例，并分別配制機制砂高強混凝土，混凝土的坍落度隨細集料中粗顆粒百分比的提高存在一個最大值，而其抗壓強度的變化則不大（在2%以下）；當(dāng)顆粒級配在2區(qū)下限與中值間時，混凝土的坍落度最高；當(dāng)級配在2區(qū)中值與上限間時，抗壓強度最大[32]。艾長發(fā)等人采用1.18mm篩孔將粉料含量為7%的機制砂篩分為兩部分，同樣以2區(qū)級配為例，將兩部分按比例混合成偏于下限、下限與中值間、接近中值、中值與上限間、偏于上限、級配不良（超出2區(qū)級配范圍）6種級配并配制C50機制砂混凝土。研究發(fā)現(xiàn)，機制砂1.18 mm以上顆粒決定混凝土的泌水性，1.18 mm以下顆粒則影響混凝土的粘聚性和保水性能；1.18 mm以上顆粒在混凝土中主要作為填充顆粒或骨架顆粒，對強度的影響較大[33]。

圖3　機制砂、河砂顆粒級配

合理的除塵方式有利于保持機制砂中0.3 mm～0.075 mm之間的顆粒數(shù)量，目前通過外加劑調(diào)整克服機制砂混凝土離析泌水等問題已經(jīng)十分簡便，機制砂的級配對混凝土工作性帶來的特異性也可通過振搗工藝來適應(yīng)。

5　結(jié)束語

本文綜述了機制砂在粉料含量、MB值、粒形和級配方面的特征以及由此對混凝土性能的影響：機制砂中粉料含量對混凝土性能的影響有正負兩方面的效應(yīng)，適當(dāng)保持機制砂中粉料含量有利于其性能的改善；不同的黏土成分對混凝土MB的吸收能力不同，MB值不能完全反映機制砂中黏土成分對混凝土性能的不利影響；機制砂的棱角性和長寬比大，對混凝土工作性和強度帶來影響；機制砂級配帶來了混凝土性能的不同，應(yīng)正確認識機制砂級配并適應(yīng)機制砂級配帶來的變化。在機制砂生產(chǎn)方面，機制砂粉料含量、MB值和級配之間存在相互的影響，應(yīng)加強對母巖黏土的剝離，不片面降低粉料含量，不采用不當(dāng)?shù)某龎m方式破壞機制砂的自身級配。

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中圖分類號：TU528

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0473(2016)01-0013-05DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.01.004

收稿日期：（2015- 10- 20）