鄧芳芳

摘 要：近年來(lái)我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益發(fā)展，致使天然砂嚴(yán)重短缺，造成了一系列社會(huì)問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。機(jī)制砂具有的石粉巖性、顆粒級(jí)配、顆粒形狀和石粉等特征與天然砂不同，使其對(duì)混凝土性能具有特定的影響，本文從分析機(jī)制砂的特性出發(fā)，概述了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)制砂特性對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性、耐久性的影響及其作用機(jī)理。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂 巖性 顆粒形狀 顆粒級(jí)配 石粉含量

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（a）-0078-03

Abstract：In recent years， with the growing development of infrastructure， the lack of natural sand results in a series of social and environmental issues. The lithology， particle gradations and shapes and stone powder of the machine made sand are different from the natural sand， and there are specific effects on the concrete properties. Starting from the properties of machine-made sand， this paper concluded the research of effects and mechanisms of machine-made sand properties on the concrete workability， mechanical property， dimensional stability and durability.

Key Words：Machine-made sand； Iithology； Particle shape； Particle graduation； Stone powder content

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益發(fā)展，砂的用量逐漸增加，一方面天然砂作為地方性資源，短期是不可再生，使其資源逐漸短缺、價(jià)格上漲，另一方面國(guó)家對(duì)生態(tài)保護(hù)力度加大，天然砂的開采逐漸受到了限制[1]。機(jī)制砂代替天然砂生產(chǎn)混凝土已成為一種趨勢(shì)。機(jī)制砂在國(guó)外的研究開展得較早。國(guó)外早在20世紀(jì)60年代就開始生產(chǎn)并使用機(jī)制砂，而國(guó)內(nèi)則晚了十年才有了第一條機(jī)制砂生產(chǎn)線。機(jī)制砂主要應(yīng)用在貴州、云南、湘西等山地地區(qū)，這些地區(qū)天然砂儲(chǔ)量較小，礦石資源豐富，若就地取材既降低了工程成本，工程質(zhì)量也得到保證，資源利用率提高，為在混凝土中規(guī)模、科學(xué)地應(yīng)用機(jī)制砂奠定了基礎(chǔ)。

機(jī)制砂包括機(jī)械破碎而來(lái)的機(jī)制砂，也包括天然砂中摻入一定比例的機(jī)制砂?！督ㄔO(shè)用砂》（GB/T14684-20141）定義機(jī)制砂是指用巖石經(jīng)出土開采、機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小的巖石顆粒，但不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖石的顆粒。機(jī)制砂不同于天然砂是由巖石機(jī)械破碎而來(lái)，可以通過(guò)控制機(jī)器的各種參數(shù)，人為地控制和調(diào)整級(jí)配和質(zhì)量[2]。機(jī)制砂的特點(diǎn)集中表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。第一，機(jī)制砂由于機(jī)械破碎，其表面棱角較多，不光滑。第二，機(jī)制砂的成分和其母巖成分一致，化學(xué)性質(zhì)一致，呈黑色或者灰色。第三，其細(xì)度模數(shù)與內(nèi)部石粉含量有較大關(guān)系。第四，機(jī)制砂生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生石粉是不可避免的。

1 機(jī)制砂的特性

1.1 機(jī)制砂石粉巖性

一般認(rèn)為石粉在混凝土中充當(dāng)惰性填充材料，不參與水泥水化反應(yīng)，但是，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，建筑材料工作者越來(lái)越認(rèn)識(shí)到細(xì)集料對(duì)混凝土的重要性。細(xì)集料不僅對(duì)混凝土的強(qiáng)度，穩(wěn)定性等方面會(huì)產(chǎn)生影響。Gkakali[3]等人對(duì)水泥成分進(jìn)行篩分，選擇單礦組分來(lái)添加石灰石粉進(jìn)行研究，結(jié)果顯示28d水化產(chǎn)物出現(xiàn)變化，有新相產(chǎn)生。Bonavetti[4]等人使用比表面積為400m2/kg的石灰石粉作摻和料，進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在低水灰比時(shí)，隨石灰石粉摻量增大，水泥水化程度增加，水灰比較大時(shí)，隨其摻量增加，水化產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)增大。Bonavetti[5]研究了石灰石粉、石英粉、花崗巖石粉對(duì)水泥膠砂的影響，研究天然砂加入0%～20%的石粉對(duì)其各齡期強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明石英粉可以增大膠砂的抗壓強(qiáng)度、花崗巖石粉對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度作用無(wú)明顯規(guī)律、石灰石粉會(huì)增大膠砂試件早期的抗壓強(qiáng)度。楊松玲等[6]對(duì)輝綠巖石粉在水泥水化過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)果并未在輝綠巖石粉表面發(fā)現(xiàn)新的水化產(chǎn)物。

1.2 機(jī)制砂顆粒形狀

在混凝土形成過(guò)程中砂石體積占砼總體積的80%，而砂的體積則會(huì)占到20%～40%[7]。砂的特性對(duì)混凝土的工作性、強(qiáng)度及耐久性能都有影響。天然砂由于其形成因素作用，砂粒長(zhǎng)期受到滾動(dòng)、風(fēng)化、磨蝕等作用，其顆粒表面圓潤(rùn)[8]，用這樣的砂制成的混凝土工作性能優(yōu)良。顆粒的形狀會(huì)影響混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，與天然砂相比，機(jī)制砂棱角多，其堆積后的結(jié)構(gòu)孔隙較大，這些孔隙需要漿體來(lái)填充，增大混凝土的用水量，而這些棱角相互咬合搭接則會(huì)增大混凝土的抗折抗壓強(qiáng)度[9]。Shilstone[10]研究得出2.36mm粒級(jí)的顆粒是影響混凝土性能的重要因素，通過(guò)使用數(shù)字圖象處理的方法，對(duì)顆粒的最大粒徑、圓度、長(zhǎng)寬比等將顆粒的特征進(jìn)行了定量分析。董瑞[11]使用IPP 6.0軟件用于機(jī)制砂與河砂2.36mm粒級(jí)的顆粒特征分析，其結(jié)果表明機(jī)制砂圓形度要低于河砂。

1.3 機(jī)制砂級(jí)配

機(jī)制砂顆粒級(jí)配會(huì)對(duì)混凝土性能產(chǎn)生影響，Golterman[12]研究表明連續(xù)分布的顆粒使骨料堆積密實(shí)度增加，混凝土的密實(shí)程度增大，孔隙率降低，抗?jié)B性提高，級(jí)配好的集料，各級(jí)體積充填均勻，使得所需的漿體少，這就可以減少混凝土的泌水和收縮，若集料中某一級(jí)配缺失，混凝土的各向性能都會(huì)降低。細(xì)集料太粗則會(huì)導(dǎo)致泌水，太細(xì)則會(huì)導(dǎo)致用水量增大，這些都不利于混凝土耐久性能。對(duì)混凝土來(lái)說(shuō)，當(dāng)集料中粗骨料含量較多時(shí)，混凝土干縮減小，但會(huì)增大漿體的微裂紋，從而對(duì)混凝土產(chǎn)生劣化。

1.4 機(jī)制砂石粉含量

在天然砂中，將粒徑不大于0.75mm的顆粒稱為泥粉，這些物質(zhì)由于顆粒較小，比表面積較大，會(huì)增大混凝土的用水量，并且會(huì)抑制水泥水化，降低界面過(guò)渡區(qū)的性能，使其粘結(jié)力降低。所以國(guó)際上都嚴(yán)格限制砂中泥粉的含量。但對(duì)于機(jī)制砂中小于75μm顆粒，其為母巖破碎而來(lái)的細(xì)顆粒，其成分與泥粉完全不同。美國(guó)ASTM針對(duì)機(jī)制砂中含粉的現(xiàn)狀給出機(jī)制砂粉量限值在3%～7%。GB/T 14684—2001《建筑用砂》規(guī)定C30以下含量為7%、C30-C60的含量為5%、高于C60的含量為3%。

2 機(jī)制砂特性對(duì)混凝土性能的影響

2.1 工作性能

機(jī)制砂石粉含量對(duì)其混凝土工作性能的影響目前說(shuō)法尚不統(tǒng)一。研究認(rèn)為[8]，與河砂相比，機(jī)制砂中石粉含量增加使得混凝土的需水量隨之增加，導(dǎo)致新拌混凝土粘稠度增大，從而降低了其工作性能。吳明威等[13]研究了機(jī)制砂石粉對(duì)混凝土工作性能的影響，結(jié)果表明石粉在拌和期間為惰性摻和料，其顆粒剛好補(bǔ)充了混凝土的細(xì)微結(jié)構(gòu)，粉體的表面積增加，混凝土抗離析和泌水能力提高，且石粉可以增大漿體含量，進(jìn)而改善混凝土和易性。鄭金炎[14]通過(guò)大量工程實(shí)際總結(jié)得出，石粉在混凝土中存在一個(gè)限值，超過(guò)限值混凝土需水量增大，漿體粘稠增加，強(qiáng)度及耐久性能降低。李亞杰[15]則認(rèn)為混凝土中石粉含量應(yīng)控制在6%～12%之間，用量過(guò)少則會(huì)使混凝土粘聚性降低，過(guò)多則會(huì)使混凝土需水量增大，且降低混凝土性能。陳家瓏[16]認(rèn)為石粉中70%顆粒分布集中在16μm以上，這個(gè)粒徑并不會(huì)破壞界面過(guò)渡區(qū)的性能，而且其會(huì)填充混凝土的細(xì)微結(jié)構(gòu)。

2.2 力學(xué)性能

研究表明[17]，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度高于河砂。李北星[18]研究表明混凝土的抗壓強(qiáng)度與機(jī)制砂的粗糙度正相關(guān)，抗折強(qiáng)度與機(jī)制砂的壓碎值負(fù)相關(guān)。Mohamed[19]研究了不摻外加劑條件下石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，得出石粉會(huì)提高機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度。李興貴[20]研究表明，石粉含量超過(guò)20%時(shí)，其含量過(guò)高，機(jī)制砂的級(jí)配不良，混凝土密實(shí)度下降，且機(jī)制砂中相對(duì)應(yīng)的粗顆粒減少，混凝土的“次骨架”結(jié)構(gòu)遭到削弱，所以水泥含量不變情況下，過(guò)多的石粉會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.3 耐久性性能

研究表明，機(jī)制砂石粉可提高混凝土的粘聚性和保水性，并且可以改善混凝土界面的粘結(jié)，改善界面過(guò)渡區(qū)的水膠比，提高界面過(guò)渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度。李北星[18]研究認(rèn)為，混凝土的耐磨性與砂中SiO2含量的相關(guān)性不大，而與機(jī)制砂粗糙度、壓碎值有關(guān)，在壓碎值不大于17%的情況下，利用石灰?guī)r機(jī)制砂配制耐磨路面混凝土是完全可行的；在同等強(qiáng)度下，摻入適量粉煤灰不會(huì)影響機(jī)制砂混凝土路面的耐磨性。Bonavetti等[4]研究了石粉含量對(duì)膠砂抗?jié)B性能的研究，結(jié)果表明，石粉含量增大，膠砂抗?jié)B性也增大。有許多研究者認(rèn)為[21]機(jī)制砂混凝土的抗凍性能差，首先是因?yàn)?，機(jī)制砂在制作過(guò)程中由于機(jī)器的沖擊，其表面有很多微裂縫，這些裂縫吸水后產(chǎn)生凍脹，會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生劣化。其次，機(jī)制砂的微裂縫吸水后會(huì)形成更多毛細(xì)孔，從而會(huì)使混凝土的抗凍能力降低。

3 結(jié)論與展望

機(jī)制砂的推廣能夠解決天然砂資源的枯竭，減少天然砂的開采，有利于環(huán)境保護(hù)，降低砂漿和混凝土生產(chǎn)成本，對(duì)機(jī)制砂的應(yīng)用研究具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)等多種效益。目前對(duì)機(jī)制砂的研究更多在于確定其石粉的最佳含量，未深入系統(tǒng)的對(duì)石粉巖性、粒徑級(jí)配、顆粒形狀等因素與混凝土性能之間關(guān)系進(jìn)行研究；也未能對(duì)這些關(guān)系提出量化、方便、統(tǒng)一、利于評(píng)估的指標(biāo)。研究機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝對(duì)于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂是必不可少的條件，如何控制機(jī)械生產(chǎn)出級(jí)配好，石粉含量低，顆粒形狀飽滿的機(jī)制砂對(duì)推廣其運(yùn)用具有重要意義。分析機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響時(shí)，能夠從經(jīng)濟(jì)環(huán)境等方面做出定量化的評(píng)估也對(duì)促進(jìn)機(jī)制砂的推廣運(yùn)用具有重要作用。

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