機(jī)制砂特性及其在混凝土中的應(yīng)用研究

原標(biāo)題：機(jī)制砂特性及其在混凝土中的應(yīng)用研究

0引言

砂作為混凝土重要組成部分，其用量隨混凝土用量的增加逐年增長，導(dǎo)致天然砂供不應(yīng)求，而天然砂是混凝土用砂的主要來源。由于天然砂過度開采引發(fā)的資源危機(jī)和對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞日漸顯著，考慮到混凝土材料未來的可持續(xù)發(fā)展，采用機(jī)制砂替代天然砂是解決混凝土用砂短缺的有效途徑。

機(jī)制砂的來源十分廣泛，通過對(duì)礦山巖石、尾礦以及工業(yè)廢渣等進(jìn)行處理均可得到。與天然砂相比，機(jī)制砂的顆粒形狀、表面紋理及粗糙度、級(jí)配和微粉含量截然不同，其具有外形有棱角、表面結(jié)構(gòu)更粗糙及微粉含量更高的特點(diǎn)，且由于制造工藝的不同，使得機(jī)制砂顆粒的特性存在一定差異，對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生不同的影響。目前，機(jī)制砂對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響已有大量的研究，但部分性能受機(jī)制砂的影響仍存在差異，且機(jī)制砂的作用機(jī)理尚不清楚。本文簡要介紹了機(jī)制砂的特性及其對(duì)混凝土工作性能及強(qiáng)度的影響，并指出了機(jī)制砂在混凝土中應(yīng)用存在的問題及改進(jìn)措施。

1機(jī)制砂特性的關(guān)鍵參數(shù)

機(jī)制砂是采用多重破碎工藝得到，因此影響機(jī)制砂特性的參數(shù)較多。其特性參數(shù)主要包含顆粒級(jí)配、顆粒形狀、細(xì)度模數(shù)、微粉含量、空隙率、表觀密度、堆積密度、亞甲藍(lán)值（MBV）和壓碎值等指標(biāo)。機(jī)制砂特性參數(shù)與天然河砂的區(qū)別主要為顆粒特征、微粉含量、MBV和顆粒級(jí)配，目前機(jī)制砂的顆粒級(jí)配對(duì)混凝土性能的影響、機(jī)理及其優(yōu)化研究相對(duì)較少。

1.1顆粒特征

機(jī)制砂在破碎過程中由于母巖成分和破碎比的差異，機(jī)制砂顆粒通常表現(xiàn)出獨(dú)特的幾何特征：棱角鋒利、表面粗糙，如圖1所示。

但有研究認(rèn)為，機(jī)制砂表面粗糙度低于河砂，主要原因?yàn)闄C(jī)制砂表面由光滑的新破碎晶體組成，且破碎工藝的不同導(dǎo)致巖石切斷面的粗糙程度不同。將天然砂與機(jī)制砂的顆粒形狀參數(shù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂平整度降低11.5%，顆粒形狀參數(shù)降低19.3%，球度降低14.8%。粗糙的機(jī)制砂顆粒可以產(chǎn)生臨界狀態(tài)摩擦角，成角狀態(tài)能夠增強(qiáng)漿體與骨料之間的互鎖結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能，其界面形貌如圖2所示。

機(jī)制砂與漿體界面形成了緊密包裹結(jié)構(gòu)，而天然河砂與漿體界面存在較為明顯的孔隙，為CH、AFm和AFt的結(jié)晶和生長提供了更多的空間。機(jī)制砂與漿體的界面過渡區(qū)的自由空間較少，具有更高的粘結(jié)力，骨料、漿體的致密程度明顯高于河砂。機(jī)制砂的顆粒形狀與表面特性不僅影響了漿體界面過渡區(qū)的密實(shí)程度，也是決定混凝土配合比用水量的重要因素，顆粒的比表面積越大，影響越大，尺寸為4.75～2.36mm的顆粒對(duì)混凝土性能的影響最為顯著。

1.2微粉含量

機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中必然會(huì)產(chǎn)生大量的小于75μm的微粉，高于天然河砂。微粉的數(shù)量和質(zhì)量會(huì)顯著影響機(jī)制砂混凝土性能，微粉含量過高會(huì)導(dǎo)致混凝土性能降低，適量的微粉可改善混凝土的骨料活性及微觀結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土宏觀性能。目前，常見的采用礦山巖石破碎的機(jī)制砂母巖通常為石灰?guī)r，砂中的微粉即為石灰石粉，而石灰石粉在水泥基材料中具有填充效應(yīng)、晶核作用及化學(xué)作用三大效應(yīng)。石灰石微粉能夠填充水泥基材料孔隙，提高基體的密實(shí)度，有利于水泥基材料性能的提升。

在靜電力作用下，石灰石微粉顆粒表面能夠定向吸附液相中的Ca2+，為水泥的水化產(chǎn)物提供成核位點(diǎn)，有效分散水化產(chǎn)物的沉積聚集，避免其對(duì)未水化水泥顆粒的包裹和覆蓋，提高水泥顆粒的水化程度，促進(jìn)膠凝體系的水化反應(yīng)。石灰石微粉中的CaCO3能夠與單礦C3A發(fā)生緩慢反應(yīng)，生成單碳型和半碳性水化碳鋁酸鈣，促進(jìn)了產(chǎn)物之間的橋接，使水泥石微觀結(jié)構(gòu)更加致密。石灰石微粉含量較高時(shí)，其稀釋作用導(dǎo)致水化產(chǎn)物量的減少會(huì)引起混凝土微結(jié)構(gòu)的破壞及性能的劣化。因此，機(jī)制砂混凝土的制備需要通過合理的配合比設(shè)計(jì)控制其在混凝土中帶入的微粉含量，以保證混凝土質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

1.3MBV

在機(jī)制砂中，通常采用亞甲藍(lán)值來表征機(jī)制砂微粉中粘土的含量，亞甲藍(lán)試驗(yàn)?zāi)苡行z測小于75μm的物質(zhì)主要是石粉還是粘土。粘土與微粉具有相同的粒徑范圍，但由于它增加了混凝土用水量，降低了水化產(chǎn)物物相的性能，從而降低混凝土的坍落度、強(qiáng)度和耐久性，因此被認(rèn)為是一種有害物質(zhì)。

根據(jù)JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》亞甲藍(lán)合格值的規(guī)定，機(jī)制砂中的含泥量應(yīng)控制在1%（占機(jī)制砂總量）之內(nèi)。機(jī)制砂混凝土的制備需考慮MBV值的大小，而粘土主要存在于微粉中，因此在對(duì)機(jī)制砂混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，也要合理調(diào)控微粉含量。現(xiàn)有的機(jī)制砂研究并不能將粘土與微粉區(qū)分開，有些甚至將部分微粉作為粘土，從而導(dǎo)致了實(shí)際工程中對(duì)機(jī)制砂微粉含量的要求過高，極大地制約了機(jī)制砂的應(yīng)用和發(fā)展。

2機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響

2.1工作性能

機(jī)制砂混凝土的工作性能與其微粉含量、MBV、顆粒特性等參數(shù)緊密相關(guān)。Zhu研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂微粉的加入增大了水泥漿體的屈服應(yīng)力，由于微粉的比表面積較高，降低了漿體的平均表面覆蓋率，增加了相互接觸顆粒的數(shù)量和有效體積分?jǐn)?shù)，從而增強(qiáng)了膠體間的相互作用。適量的微粉可以增加機(jī)制砂混凝土中的漿體含量，從而改善混凝土流動(dòng)性，降低漿體屈服應(yīng)力，微粉含量過高對(duì)流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響。

與天然砂相比，在不摻加外加劑的條件下，若要保持混凝土坍落度不變，機(jī)制砂混凝土的需水量要高于天然砂混凝土。這是由于機(jī)制砂顆粒表面粗糙、棱角鋒利、圓度低，顆粒之間相互摩擦和阻礙，因此需要更多的水泥漿體進(jìn)行包裹和潤滑，且機(jī)制砂顆粒表面有一定量的開孔和裂紋，會(huì)吸收更多的水分，此外微粉含量較多，比表面積大，吸水量較大，進(jìn)一步增加了混凝土的用水量。

粘土顆粒相比微粉更細(xì)，粘土與微粉對(duì)機(jī)制砂混凝土流動(dòng)性的影響不同。相關(guān)研究表明，機(jī)制砂微粉含量高于5%，MBV在0～3g/kg范圍時(shí)，混凝土坍落度較大，在一定范圍內(nèi)，混凝土流動(dòng)性隨微粉含量的增加而增加，隨MBV的增加而降低。低MBV的微粉含水量較低，降低了外加劑的吸附性，因此增加微粉含量就增加了漿體含量，提高了流動(dòng)性。當(dāng)MBV大于7g/kg時(shí)，微粉含量的增加對(duì)混凝土流動(dòng)性會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此，MBV小于7g/kg、微粉含量在15%～20%之間的機(jī)制砂混凝土具有較好的工作性能。

水泥砂漿的工作性能與砂的堆積分?jǐn)?shù)有關(guān)，機(jī)制砂顆粒特征（幾何特性、顆粒大小）與漿體塑性黏度的關(guān)系表現(xiàn)為顆粒的堆積分?jǐn)?shù)和比表面積對(duì)黏度的影響。因此，顆粒形狀對(duì)砂漿流變性能的影響可通過顆粒堆積進(jìn)行表征，由于機(jī)制砂顆粒形狀較差，堆積分?jǐn)?shù)通常比河砂低，通過增加漿體體積，可以消除或顯著減少由于顆粒形狀不佳引起的骨料堆積分?jǐn)?shù)降低而造成的負(fù)面影響，要使機(jī)制砂砂漿具有足夠的流變性，需要較大的漿體體積。機(jī)制砂與球形顆粒對(duì)不同砂粒體積分?jǐn)?shù)漿體塑性黏度的影響如圖3所示。

所有漿體塑性黏度均隨砂粒體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，且在不同砂粒體積分?jǐn)?shù)下，含機(jī)制砂漿體表現(xiàn)出比含球形砂的漿體更高的塑性黏度。機(jī)制砂對(duì)水泥砂漿塑性黏度的影響表現(xiàn)為顆粒形狀效應(yīng)，顆粒尺寸越小，漿體的塑性黏度越大。Westerholm等人測量了不同機(jī)制砂砂漿的流變性能，發(fā)現(xiàn)隨著機(jī)制砂顆粒尺寸變得越來越細(xì)長，砂漿的塑性黏度增加了約3倍，其主要原因?yàn)榉乔蛐晤w粒之間物理干擾的增加。

2.2強(qiáng)度

機(jī)制砂粗糙的表面和鋒利的棱角能夠改善骨料與漿體間的粘結(jié)性能，且粗顆粒與水泥漿體的膠結(jié)效果相對(duì)較好，更有利于改善混凝土強(qiáng)度。當(dāng)MBV在0～7g/kg范圍時(shí)，機(jī)制砂混凝土28d抗壓強(qiáng)度隨微粉含量的增加而增加，MBV為10～14g/kg時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度明顯高于MBV為0～7g/kg（微粉含量小于5%）時(shí)的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)微粉含量高于15%時(shí)，較高的MBV會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的降低。在機(jī)制砂混凝土中，當(dāng)MBV不超過7g/kg時(shí)，可以增加微粉含量以提高抗壓強(qiáng)度，但隨著MBV的增大，微粉摻量需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，詳見圖4。

與天然砂相比，機(jī)制砂使混凝土3d、28d抗壓強(qiáng)度均略有提升，其主要原因得益于機(jī)制砂的顆粒特征。由于機(jī)制砂表面粗糙、棱角鋒利，能夠改善骨料與水泥漿體之間的粘結(jié)性能，砂粒間的橋接、摩擦和阻礙作用改善了硬化混凝土的內(nèi)應(yīng)力分布，進(jìn)而可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，詳見圖5。

3機(jī)制砂混凝土存在的問題

（1）由于生產(chǎn)工藝上的缺陷，導(dǎo)致機(jī)制砂具有級(jí)配差、石粉

含量不穩(wěn)定、亞甲藍(lán)值大等缺點(diǎn)，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，

如何降低機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的不利影響，是目前機(jī)制砂混凝

土可持續(xù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

（2）機(jī)制砂混凝土部分性能的劣化與機(jī)制砂特性具有直接

關(guān)系，機(jī)制砂中包含了骨料和接近于膠凝顆粒的微粉，而針對(duì)

不同機(jī)制砂顆粒特性及骨料與膠凝組分連續(xù)級(jí)配的配合比優(yōu)

化設(shè)計(jì)仍顯不足。

4改進(jìn)措施及結(jié)論

4.1改進(jìn)措施

（1）針對(duì)機(jī)制砂顆粒特性的改善可從其傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝上進(jìn)行改良，如增加整形機(jī)優(yōu)化機(jī)制砂粒形，采用高效氣體選砂機(jī)控制機(jī)制砂的微粉含量。

（2）機(jī)制砂的原料主要有礦山巖石、工業(yè)廢渣和尾礦，其產(chǎn)生的微粉大多為鈣質(zhì)或硅質(zhì)，若發(fā)揮微粉的化學(xué)作用，可采用堿激發(fā)材料促進(jìn)微粉的反應(yīng)，為水泥基體提供更多有利產(chǎn)物。

（3）生產(chǎn)工藝不同的機(jī)制砂的顆粒級(jí)配、粒徑分布存在差異，若要得到較優(yōu)級(jí)配的機(jī)制砂，可采用不同工藝的機(jī)制砂進(jìn)行復(fù)配使其達(dá)到連續(xù)級(jí)配，以改善混凝土工作性能。

（4）機(jī)制砂中的微粉能夠填充混凝土內(nèi)部孔隙，增加密實(shí)程度，在配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮微粉含量以保證混凝土的最佳密實(shí)結(jié)構(gòu)，可將微粉作為膠凝組分，并考慮砂的粒徑分布，采用緊密堆積原理對(duì)膠砂體系進(jìn)行配合比優(yōu)化。

4.2結(jié)論

（1）機(jī)制砂的顆粒形狀主要表現(xiàn)為棱角鋒利、表面粗糙、圓度低，會(huì)導(dǎo)致混凝土用水量的增加，混凝土堆積密實(shí)度的降低。但其特有的顆粒特征能夠改善骨料與漿體間的粘結(jié)性能，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（2）亞甲藍(lán)值的增加對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能具有不利影響，適量的微粉含量能夠改善混凝土性能，MBV小于7g/kg、微粉含量在15%～20%之間的機(jī)制砂混凝土具有較好的流動(dòng)性和較高的抗壓強(qiáng)度。返回搜狐，查看更多

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