机制砂对混凝土性能的影响
2018-02-05 20:35技术
本文由同济大学孙振平教授课题组孙远松整理
注：本公众号所发布内容均为课题组原创，转载或修编时请务必注明出处
1引言
混凝土是目前工程建设中应用量最大、应用范围最广泛的人造建筑材料，集料是混凝土主要的组成成分之一，占混凝土体积的70%左右，其中细集料占混凝土体积的30%左右,其主要作用是填充、密实并和粗集料一起形成骨架。细集料按照产源分为天然砂和人工砂。天然砂是在自然条件作用下（风化、水流搬运和分选、堆积）而形成的岩石颗粒，包括河砂、海砂和山砂；人工砂是经除土处理的机制砂和混合砂的统称。机制砂是岩石（不包括软质岩、风化岩）经出土开采、机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm的岩石颗粒[1,2]。由天然砂和机制砂混合制成的砂被称为混合砂。
天然砂颗粒近似球形、较干净，长期以来是我国大部分地区的主要建设用砂，但是天然砂是一种地方性资源，分布不均匀且短时间内不可再生，长距离运输给工程建设带来沉重负担。在巨大需求的推动下，天然砂资源日益匮乏，我国不少地区已经出现天然砂逐渐减少、甚至无资源的情况[3]，尤其是我国西南、南部等地区，以河砂为主的天然砂难以满足混凝土的生产需求，砂石供需矛盾十分突出。
为了满足建设用砂的刚性需求，机制砂成为首选。与天然砂相比，机制砂的原材料来源广泛，既能利用废弃资源如尾矿、废石弃料，又能使用以鹅卵石和矿山为主的自然原料，能保证原材料质量，不受地域和季节限制；机制砂的生产可就地取材，降低运输成本，具有一定的经济效益；机械化生产，质量稳定、可控可调，可以根据用户的需求进行生产；比表面积较大，用机制砂配制的混凝土强度较高。用机制砂作混凝土细集料，既可以解决天然砂资源短缺的问题，又可以建设成本、保护环境。机制砂部分或全部替代天然砂已成为当前混凝土行业的趋势[4,5]。
本文介绍机制砂的特征及机制砂对混凝土性能的影响，希望对混凝土行业提供参考。
2 机制砂的特征
由于机制砂是岩石经过机械破碎而成，全国各地机制砂的矿源、设备和工艺存在差异，导致机制砂在外观、化学成分、颗粒形状、颗粒级配以及特细颗粒含量等性能方面与天然砂不尽相同。机制砂对混凝土性能的影响与其颗粒形状、表面结构、颗粒级配和石粉含量密切相关。因此，对机制砂的特征进行系统的研究很有必要。
2.1 形貌特征
机制砂的颗粒形貌特征包括粒形和表面粗糙度，由于母岩和生产工艺的不同，机制砂呈现出多种形状，富有棱角、表面粗糙，界面新鲜。机制砂颗粒形状不规则，难以定义和度量。国内外标准推荐了一些测量方法，《公路工程集料试验规程》JTG E42-2005中规定采用细集料棱角性试验（间隙率法和流动时间法）；美国ASTMC1252标准中通过测试未压实细集料的空隙率来评估棱角度、内摩擦大小和表面粗糙程度；法国AFNOR NFP 18-564/1981标准中规定了砂的流值试验方法，用来评价细集料的表面特性及棱角性。
随着技术的发展，采用数字图像处理（DIP）技术测试集料的棱角性成为主流方法，给集料颗粒形貌的研究带来了便利。蔡基伟[6]用棱角性指数、长宽比、丰满比三个指标表征了57种机制砂的粒形；Goncalves[7]选用球形度和长宽比作为颗粒形状的衡量，发现冲击式破碎生产的机制砂颗粒形状明显由于圆锥式破碎。重庆大学叶建雄[8]等人用间隙率法、流动时间法和数字图像处理法测试了7种不同机制砂的颗粒形状，得出数字图像处理法不能客观反应机制砂的颗粒形状特征的结论。
间隙率法和流动时间法的试验误差大、重复性差。二维数字图像处理方法是对颗粒图像的正面投影轮廓进行分析，不能完全反映颗粒形状，也不利于现场检测。对于机制砂的形貌特征的表征依然存在探索的空间，采用适当的方法评价机制砂的颗粒形貌，对机制砂的质量控制具有重要意义。
2.2 级配特征
砂的颗粒级配指的是不同粒径的砂粒互相搭配的比例。砂的粗细程度用细度模数来表征。颗粒级配是机制砂品质好坏的内在决定因素，细度模数不能完全反应颗粒级配的真实情况。表1是各国机制砂级配规定，从表1可以看出，各国对于机制砂的级配规定各不相同。
表1 各国机制砂级配规定
机制砂的颗粒级配是由制砂设备和工艺决定的。就目前机制砂的生产使用来看，机制砂多为中粗砂，细度模数一般在2.8-3.6之间，而且呈现出颗粒级配两端多中间少的分布[9]。
2.3 石粉
石粉是指机制砂中粒径小于75um的颗粒。机制砂中含有较多石粉，是机制砂与天然砂之间最显著的区别。机制砂中的石粉与天然砂中的泥粉在混凝土中的作用存在本质区别，需要采取适当的措施来发挥石粉的有利作用。在机制砂的生产过程中，带入泥粉是不可避免的，导致粒径小于75um的颗粒并不完全是石粉。因此，在配制机制砂混凝土前必须检测出石粉中的泥粉含量，以保证机制砂满足混凝土的性能要求。在各地方标准中对于石粉中泥粉的含量均有相应的规定，一般认为亚甲蓝值（MB值）大于1.4时，以泥粉为准；MB值小于1.4时，以石粉为主。同时，机制砂中适量含量的石粉对混凝土的性能是有益的，过量则有害，因此各国标准中均对石粉含量有限制，不过由于各国采用的母岩、破碎工艺不同，因此石粉限值也各不一样。
3 机制砂对混凝土性能的影响
3.1 机制砂对混凝土工作性能的影响
相比于天然砂，机制砂表面棱角多、表面粗糙，且具有一定的石粉含量，通常机制砂混凝土的坍落度较小，增加石粉含量在一定程度上可以改善混凝土的泌水，提高粘聚性，使混凝土更易浇筑成型。
吴明威[10]等人研究了机制砂中小于0.08mm石粉对混凝土拌合物性能的影响，研究发现石粉是一种惰性掺合料，颗粒细小，石粉增加了混凝土中缺少的细颗粒，增大了固体比表面积，减小了泌水和离析，改善了混凝土的和易性。
Pedm Nel quirogal[11]研究了不同种类机制砂对混凝土的泵送性和流动性的影响，发现机制砂的级配不同会导致不同的混凝土坍落度，其最大差值可达175mm。A.K Sahu等[12]利用机制砂部分取代河砂来配制混合砂混凝土，发现：1）当没有外加剂时，机制砂部分取代河砂配制的混凝土会使其工作性降低；2）当使用高效外加剂时，混合砂混凝土工作性得到改善。
3.2 机制砂对混凝土力学性能的影响
采用机制砂制备的混凝土力学性能一般高于天然砂制备的混凝土。周明凯等[13]的研究表明，机制砂中的石粉在水泥水化过程中可以起到晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化并参加水泥的水化，生成水化碳铝酸钙，并阻止了钙钒石向单硫型水化硫铝酸钙转化。安文汉等[14]研究认为，机制砂增强混凝土的主要原因是，石粉的存在可以较明显的改善混凝土的孔隙结构，进而改善水泥浆——集料界面结构，并且使混凝土晶相有不同程度的改变。从图1和图2可以看出，石粉含量提高对于低强度等级的混凝土强度有提高作用，但是会降低高强度等级的混凝土强度[1]。
H.Donza等人[15]认为机制砂的形状和物理特性可以增加浆体和集料间的互锁效应，从而提高混凝土的抗压强度。
图1 石粉含量对C30混凝土抗压强度的影响
图2 石粉含量对C80混凝土抗压强度的影响
3.3 机制砂对混凝土耐久性的影响
混凝土耐久性能的优劣直接关系到工程质量的好坏，因此，混凝土耐久性能一直都是人们关注的重要指标。机制砂表面粗糙，能够与浆体很好的粘结，而且机制砂中含有较多的石粉，可以填充孔隙，提高混凝土整体的密实性；同时，机制砂中的石粉能加快C3S的水化，并可与C3A、C4AF反应生成结晶水化物，优化了水泥石的孔隙结构，提高抗渗性能。
Bonavetti等人[16]研究表明，在大水灰比条件下，随着石粉含量的增加，砂浆的抗渗性逐渐降低；在较小水胶比条件下，石粉含量的增加则会提高砂浆的抗渗性。张桂梅等人[17]研究了石粉对低标号混凝土抗冻性能的影响，发现20%石粉含量的机制砂混凝土质量损失和强度损失均大于12%石粉含量的机制砂混凝土。石粉对混凝土的抗冻性不利，且随石粉含量增加，机制砂混凝土的抗冻性逐渐下降。
4 机制砂使用中存在的问题及建议
由此可见，我国在利用机制砂应用方面尚存在一定的技术难题，主要变现在：1）我国机制砂生产加工行业缺少准入制度，各地机制砂企业规模大小不一，生产工艺各不相同；2）目前我国关于机制砂的规范体系不够健全，行业内也没有有效的监督部门，导致最终生产的机制砂产品质量良莠不齐；3）我国幅员辽阔，机制砂原料岩性复杂，大部分工程缺少对料源、工艺、设备的选择进行详细的科学论证和试验研究；3）机制砂在生产中产出的石粉对机制砂混凝土性能的影响以及石粉含量选择还存在争议。
因此，建议开展机制砂母岩特性和破碎、整形工艺对机制砂粒形、级配、石粉含量的影响，编制科学合理的标准和应用技术规程，指导机制砂混凝土和机制砂砂浆的应用。
参考文献
[1] 王稷良. 机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D]. 武汉: 武汉理工大学,2008.
[2] Li B, Ke G, Zhou M. Influence ofmanufactured sand characteristics on strength and abrasion resistance ofpavement cement concrete[J]. Construction & Building Materials, 2011, 25(10): 3849-3853.
[3] 蒋正武, 梅世龙. 机制砂高性能混凝土[M]. 化学工业出版社, 2015.
[4] 李杰, 谭国金, 时成林,等. 机制砂混凝土的研究现状与展望[J]. 科技展望, 2016, 26(26).
[5] 蒋正武, 石连富, 孙振平. 用机制砂配制自密实混凝土的研究[J]. 建筑材料学报, 2007, 10(2): 154-160.
[6] 蔡基伟. 石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究[D]. 武汉: 武汉理工大学,2006.
[7] Gonçalves J P, Tavares L M, Filho R D T,et al. Comparison of natural and manufactured fine aggregates in cementmortars[J]. Cement & Concrete Research, 2007, 37(6): 924-932.
[8] 叶建雄, 余林文, 颜从进,等. 机制砂颗粒形状评价方法的相关性[J].土木建筑与环境工程, 2012, 34(4): 161-164.
[9] Bosiljkov V B. SCC mixes with poorlygraded aggregate and high volume of limestone filler[J]. Cement & ConcreteResearch, 2003, 33(9): 1279-1286.
[10] 吴明威, 付兆岗, 李铁翔,等. 机制砂中石粉含量对混凝土性能影响的试验研究[J]. 铁道建筑技术, 2000, (4): 46-49.
[11] Quiroga P, Whitthoft S, Paik S, et al.THE EFFECT OF AGGREGATE CHARACTERISTICS ON THE PERFORMANCE OF PORTLAND CEMENTCONCRETE[J]. Dissertation Abstracts International, Volume: 65-01, Section: B,page: 0342.;Supervisor: David W. F, 2001, 7(3): 387-391.
[12] Sachan A K. Crushed stone waste as fineaggregate for concrete[J]. Indian Concrete Journal, 2003.
[13] 周明凯, 彭少明, 徐健, et al. EFFECT OF STONE POWDER ON STONE CHIPPINGS CONCRETE[J]. Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science, 1996, (4): 29-34.
[14] 安文汉. 石屑混凝土强度及微观结构试验研究[J]. 山西建筑, 1989, (2): 19-27.
[15] Bonavetti V, Donza H, Rahhal V, et al.High strength concrete with limestone filler cements[C]// High- PerformanceConcrete, and Performance and Quality of Concrete Structures. 1999.
[16] Bonavetti V L, Irassar E F. The effect ofstone dust content in sand[J]. Cement & Concrete Research, 1994, 24(3): 580-590.
[17] 张桂梅, 张桂珍. 人工砂的应用研究[J]. 山西水利, 2001, (S1): 43-44.
2018-02-05 20:35技术
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1引言
混凝土是目前工程建设中应用量最大、应用范围最广泛的人造建筑材料，集料是混凝土主要的组成成分之一，占混凝土体积的70%左右，其中细集料占混凝土体积的30%左右,其主要作用是填充、密实并和粗集料一起形成骨架。细集料按照产源分为天然砂和人工砂。天然砂是在自然条件作用下（风化、水流搬运和分选、堆积）而形成的岩石颗粒，包括河砂、海砂和山砂；人工砂是经除土处理的机制砂和混合砂的统称。机制砂是岩石（不包括软质岩、风化岩）经出土开采、机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm的岩石颗粒[1,2]。由天然砂和机制砂混合制成的砂被称为混合砂。
天然砂颗粒近似球形、较干净，长期以来是我国大部分地区的主要建设用砂，但是天然砂是一种地方性资源，分布不均匀且短时间内不可再生，长距离运输给工程建设带来沉重负担。在巨大需求的推动下，天然砂资源日益匮乏，我国不少地区已经出现天然砂逐渐减少、甚至无资源的情况[3]，尤其是我国西南、南部等地区，以河砂为主的天然砂难以满足混凝土的生产需求，砂石供需矛盾十分突出。
为了满足建设用砂的刚性需求，机制砂成为首选。与天然砂相比，机制砂的原材料来源广泛，既能利用废弃资源如尾矿、废石弃料，又能使用以鹅卵石和矿山为主的自然原料，能保证原材料质量，不受地域和季节限制；机制砂的生产可就地取材，降低运输成本，具有一定的经济效益；机械化生产，质量稳定、可控可调，可以根据用户的需求进行生产；比表面积较大，用机制砂配制的混凝土强度较高。用机制砂作混凝土细集料，既可以解决天然砂资源短缺的问题，又可以建设成本、保护环境。机制砂部分或全部替代天然砂已成为当前混凝土行业的趋势[4,5]。
本文介绍机制砂的特征及机制砂对混凝土性能的影响，希望对混凝土行业提供参考。
2 机制砂的特征
由于机制砂是岩石经过机械破碎而成，全国各地机制砂的矿源、设备和工艺存在差异，导致机制砂在外观、化学成分、颗粒形状、颗粒级配以及特细颗粒含量等性能方面与天然砂不尽相同。机制砂对混凝土性能的影响与其颗粒形状、表面结构、颗粒级配和石粉含量密切相关。因此，对机制砂的特征进行系统的研究很有必要。
2.1 形貌特征
机制砂的颗粒形貌特征包括粒形和表面粗糙度，由于母岩和生产工艺的不同，机制砂呈现出多种形状，富有棱角、表面粗糙，界面新鲜。机制砂颗粒形状不规则，难以定义和度量。国内外标准推荐了一些测量方法，《公路工程集料试验规程》JTG E42-2005中规定采用细集料棱角性试验（间隙率法和流动时间法）；美国ASTMC1252标准中通过测试未压实细集料的空隙率来评估棱角度、内摩擦大小和表面粗糙程度；法国AFNOR NFP 18-564/1981标准中规定了砂的流值试验方法，用来评价细集料的表面特性及棱角性。
随着技术的发展，采用数字图像处理（DIP）技术测试集料的棱角性成为主流方法，给集料颗粒形貌的研究带来了便利。蔡基伟[6]用棱角性指数、长宽比、丰满比三个指标表征了57种机制砂的粒形；Goncalves[7]选用球形度和长宽比作为颗粒形状的衡量，发现冲击式破碎生产的机制砂颗粒形状明显由于圆锥式破碎。重庆大学叶建雄[8]等人用间隙率法、流动时间法和数字图像处理法测试了7种不同机制砂的颗粒形状，得出数字图像处理法不能客观反应机制砂的颗粒形状特征的结论。
间隙率法和流动时间法的试验误差大、重复性差。二维数字图像处理方法是对颗粒图像的正面投影轮廓进行分析，不能完全反映颗粒形状，也不利于现场检测。对于机制砂的形貌特征的表征依然存在探索的空间，采用适当的方法评价机制砂的颗粒形貌，对机制砂的质量控制具有重要意义。
2.2 级配特征
砂的颗粒级配指的是不同粒径的砂粒互相搭配的比例。砂的粗细程度用细度模数来表征。颗粒级配是机制砂品质好坏的内在决定因素，细度模数不能完全反应颗粒级配的真实情况。表1是各国机制砂级配规定，从表1可以看出，各国对于机制砂的级配规定各不相同。
表1 各国机制砂级配规定
机制砂的颗粒级配是由制砂设备和工艺决定的。就目前机制砂的生产使用来看，机制砂多为中粗砂，细度模数一般在2.8-3.6之间，而且呈现出颗粒级配两端多中间少的分布[9]。
2.3 石粉
石粉是指机制砂中粒径小于75um的颗粒。机制砂中含有较多石粉，是机制砂与天然砂之间最显著的区别。机制砂中的石粉与天然砂中的泥粉在混凝土中的作用存在本质区别，需要采取适当的措施来发挥石粉的有利作用。在机制砂的生产过程中，带入泥粉是不可避免的，导致粒径小于75um的颗粒并不完全是石粉。因此，在配制机制砂混凝土前必须检测出石粉中的泥粉含量，以保证机制砂满足混凝土的性能要求。在各地方标准中对于石粉中泥粉的含量均有相应的规定，一般认为亚甲蓝值（MB值）大于1.4时，以泥粉为准；MB值小于1.4时，以石粉为主。同时，机制砂中适量含量的石粉对混凝土的性能是有益的，过量则有害，因此各国标准中均对石粉含量有限制，不过由于各国采用的母岩、破碎工艺不同，因此石粉限值也各不一样。
3 机制砂对混凝土性能的影响
3.1 机制砂对混凝土工作性能的影响
相比于天然砂，机制砂表面棱角多、表面粗糙，且具有一定的石粉含量，通常机制砂混凝土的坍落度较小，增加石粉含量在一定程度上可以改善混凝土的泌水，提高粘聚性，使混凝土更易浇筑成型。
吴明威[10]等人研究了机制砂中小于0.08mm石粉对混凝土拌合物性能的影响，研究发现石粉是一种惰性掺合料，颗粒细小，石粉增加了混凝土中缺少的细颗粒，增大了固体比表面积，减小了泌水和离析，改善了混凝土的和易性。
Pedm Nel quirogal[11]研究了不同种类机制砂对混凝土的泵送性和流动性的影响，发现机制砂的级配不同会导致不同的混凝土坍落度，其最大差值可达175mm。A.K Sahu等[12]利用机制砂部分取代河砂来配制混合砂混凝土，发现：1）当没有外加剂时，机制砂部分取代河砂配制的混凝土会使其工作性降低；2）当使用高效外加剂时，混合砂混凝土工作性得到改善。
3.2 机制砂对混凝土力学性能的影响
采用机制砂制备的混凝土力学性能一般高于天然砂制备的混凝土。周明凯等[13]的研究表明，机制砂中的石粉在水泥水化过程中可以起到晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化并参加水泥的水化，生成水化碳铝酸钙，并阻止了钙钒石向单硫型水化硫铝酸钙转化。安文汉等[14]研究认为，机制砂增强混凝土的主要原因是，石粉的存在可以较明显的改善混凝土的孔隙结构，进而改善水泥浆——集料界面结构，并且使混凝土晶相有不同程度的改变。从图1和图2可以看出，石粉含量提高对于低强度等级的混凝土强度有提高作用，但是会降低高强度等级的混凝土强度[1]。
H.Donza等人[15]认为机制砂的形状和物理特性可以增加浆体和集料间的互锁效应，从而提高混凝土的抗压强度。
图1 石粉含量对C30混凝土抗压强度的影响
图2 石粉含量对C80混凝土抗压强度的影响
3.3 机制砂对混凝土耐久性的影响
混凝土耐久性能的优劣直接关系到工程质量的好坏，因此，混凝土耐久性能一直都是人们关注的重要指标。机制砂表面粗糙，能够与浆体很好的粘结，而且机制砂中含有较多的石粉，可以填充孔隙，提高混凝土整体的密实性；同时，机制砂中的石粉能加快C3S的水化，并可与C3A、C4AF反应生成结晶水化物，优化了水泥石的孔隙结构，提高抗渗性能。
Bonavetti等人[16]研究表明，在大水灰比条件下，随着石粉含量的增加，砂浆的抗渗性逐渐降低；在较小水胶比条件下，石粉含量的增加则会提高砂浆的抗渗性。张桂梅等人[17]研究了石粉对低标号混凝土抗冻性能的影响，发现20%石粉含量的机制砂混凝土质量损失和强度损失均大于12%石粉含量的机制砂混凝土。石粉对混凝土的抗冻性不利，且随石粉含量增加，机制砂混凝土的抗冻性逐渐下降。
4 机制砂使用中存在的问题及建议
由此可见，我国在利用机制砂应用方面尚存在一定的技术难题，主要变现在：1）我国机制砂生产加工行业缺少准入制度，各地机制砂企业规模大小不一，生产工艺各不相同；2）目前我国关于机制砂的规范体系不够健全，行业内也没有有效的监督部门，导致最终生产的机制砂产品质量良莠不齐；3）我国幅员辽阔，机制砂原料岩性复杂，大部分工程缺少对料源、工艺、设备的选择进行详细的科学论证和试验研究；3）机制砂在生产中产出的石粉对机制砂混凝土性能的影响以及石粉含量选择还存在争议。
因此，建议开展机制砂母岩特性和破碎、整形工艺对机制砂粒形、级配、石粉含量的影响，编制科学合理的标准和应用技术规程，指导机制砂混凝土和机制砂砂浆的应用。
参考文献
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