机制砂特性及其对混凝土性能影响研究进展

吴定略　杨振国　刘　雨　曹亮宏　刘　冰　陈培冲.广东省长大公路工程有限公司，广东　广州　5060；.上海建科工程咨询有限公司，上海　000；.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北　武汉　40040



机制砂特性及其对混凝土性能影响研究进展

吴定略1杨振国2刘雨3曹亮宏1刘冰1陈培冲1
1.广东省长大公路工程有限公司，广东广州510620；2.上海建科工程咨询有限公司，上海200032；3.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉430040

摘要机制砂中粉料含量对混凝土性能的影响有正负两方面的效应，适当保持机制砂中粉料含量有利于其性能的改善；不同的黏土成分对混凝土MB的吸收能力不同，MB值不能完全反映机制砂中黏土成分对混凝土性能的不利影响；机制砂的棱角性和长宽比大，对混凝土工作性和强度带来影响；机制砂级配带来了混凝土性能的不同，应正确认识机制砂级配并适应机制砂级配带来的变化。在机制砂生产方面，机制砂粉料含量、MB值和级配之间存在相互的应用，应加强对母岩黏土的剥离，不片面降低粉料含量，不采用不当的除尘方式破坏机制砂的自身级配。

关键词机制砂粉料MB值颗粒形状级配

0　引言

近年来我国浇筑的混凝土占全球一半以上，据估算，2014年我国混凝土用细集料量就有约45亿吨左右，混凝土用细集料——砂主要分为天然砂（natural sand）和机制砂（manufactured sand）两大类[1]。天然河砂是在自然状态下经水流长时间反复冲刷、搬运、分选形成的，短时间内不可再生，是一种区域性较强的地方资源，一些地区天然砂供应不足，河砂的运费已近10倍其售价[2]；一些沿海城市，甚至出现了“海砂楼盘”[3]。由于河砂资源匮乏，质量开始难以保证，部分河砂含泥量超过国家标准，河砂的过度开采对防洪、河道生态、航道安全产生不利影响。机制砂在混凝土细集料中所占的份额逐年上升，一般工程用机制砂为母岩经破碎、筛分、除粉后得到4.75 mm以下颗粒，一般使用冲击式制砂、棒磨机、锤式或反击式制砂机生产[4]。机制砂与经过长期风化、搬运、冲刷、漂洗的天然河砂在性质上存在巨大差异。因此正确认识机制砂的特性以及由此对混凝土性能的影响，对机制砂科学化、常态化应用具有重要的促进作用。

机制砂与天然砂的不同主要体现在粉料含量、MB值、颗粒形貌、矿物组成和颗粒级配上，本文综述了机制砂质量指标的差异对配制的混凝土相应性能影响的研究进展，并对机制砂的生产提出建议。

1　机制砂粉料含量对混凝土性能的影响

与天然河砂相比，机制砂0.075 mm以下粉料（石粉＋泥粉）含量通常较高[4]，对粉料的认知以及对其含量的限定影响了机制砂的科学应用。曹亮宏等人的研究发现，机制砂中的石粉在混凝土中的作用是各种正负效应的叠加，过小的粉料含量和过高的粉料含量对混凝土的性能都有负作用，在MB值合格的情况下，粉料含量（水筛）为10%时配制的混凝土往往具有较好的性能[5]。Ji Tao等[6]依照最小浆体理论设计了机制砂混凝土中各原材料的用量，研究中发现在胶凝材料中细粉（MB值为0.67 g/kg）的含量从0%增加到30%的过程中，混凝土的坍落度逐渐减小，而其相应的力学性能则存在一个最优点；由于细粉作为胶凝材料的一部分，在浆体体积不变时，粉料含量（占胶凝材料）提高，水泥水化所需的水减少，才导致了坍落度的降低。而当粉料作为细集料的一部分掺入时，对于高强混凝土，Zhou Mingkai等人的研究表明粉料含量的变化对坍落度的影响不大，粉料增加了拌合物中的浆体，起到了一定的润滑作用，从而对机制砂粗糙的表面对工作性带来的降低有一定的改善，同时，粉料含量的增加提高了用水量，两种作用相互影响，其坍落度基本不变[7]。王稷良等人通过对机制砂高强混凝土体积稳定性的研究发现，7%及以上石粉含量的机制砂混凝土的早期干缩大于河砂，而后期相差不大，7%石粉含量的机制砂混凝土的徐变度、徐变系数与河砂相差不大[8]。杨玉辉等人通过对C80机制砂泵送混凝土性能的研究发现，在7%的粉料含量下，C80机制砂混凝土的工作性最佳，强度最高，C80机制砂石粉含量的限制可以放宽到7%[9]。田建平等人对掺加粉煤灰的高强机制砂混凝土的性能进行了测试，发现石粉含量的增加增大了混凝土的干缩，而粉煤灰的掺入可以有效减小干缩，石粉含量对高强混凝土的抗冻、抗渗性能基本没有影响[10]。J·J·Chen等人采用粉磨得到的石灰岩石粉按体积比例取代水泥浆体（0%、4%、8%）配制机制砂混凝土，在固定的浆体体积、不同的水灰比（0.4、0.5、0.6）下，石粉的掺入可以明显提高混凝土的强度，降低渗水深度和吸水率；同时，石粉的掺入可以填充孔隙，降低混凝土的渗透孔隙度，且渗透深度和吸水率与渗透孔隙度有直接关系[11]。

一般来说，机制砂75 μ m以下的粉料颗粒包括石粉与黏土（泥粉），机制砂中的粉料含量和天然河砂中的含泥量有本质的区别。但一些业主对粉料含量要求控制在很低的范围，导致机制砂生产过程中冲洗、筛分或除尘过度，使得机制砂中本身含量就比较低的0.3 mm～0.075 mm之间的颗粒进一步减少，破坏了机制砂的天然级配，进一步恶化了机制砂混凝土的工作性，粉料限量应根据粉料的性质来确定。

2　机制砂泥粉含量（MB值）对混凝土性能的影响

在机制砂生产的过程中，矿山表面通常会覆盖土层，岩石层间有时也会夹杂一些层间土，由于对黏土的剥离难以彻底，这些土往往成为机制砂中的“泥粉颗粒”（即黏土颗粒）[12]。泥粉颗粒与石粉颗粒的粒径都小于75 μ m，但石粉是母岩破碎而成的坚固致密的颗粒，而黏土矿物一般为：含水的铝硅酸盐、镁硅酸盐和铁硅酸盐，一般都由SiO4和AlO6组成的层状结构[13]，主要包括两种结构类型：1∶1层型高岭石类、2∶1层型蒙脱石类和伊利石类[14]，如图1所示。层状结构的黏土矿物中存在着大量的空隙，因此其比表面积较大，吸附性能较强。目前，国家标准采用亚甲蓝MB值来判断机制砂中黏土颗粒含量，亚甲蓝的分子结构如图2所示，亚甲蓝分子带有一定量的正电荷。当黏土矿物遇水时，其中的Al3+与水作用形成胶体[15]，根据扩散双电层理论，在胶体中，固体与液体接触的表面由于电离或吸附离子而带电，在通常情况下黏土表面是带负电的[16]。由于黏土颗粒较强的吸附性能以及表面所带的负电，所以与石粉相比泥粉（即粘土颗粒）更容易吸附亚甲蓝溶液。

图1　黏土矿物结构

Wang Jiliang等人通过向粉料含量6%的机制砂中掺加黏土的方式来调节机制砂MB值（0.35、0.7、1.1、1.45、1.8、2.15、2.5），从而研究MB值对低、高强机制砂混凝土相应性能的影响，研究发现固定水泥用量、水灰比（0.6、0.32）、减水剂掺量下，随MB值的提高，各强度混凝土拌合物的黏聚性都有提高，坍落度降低，尤其当MB值>1.8 g/kg时，降低明显，各龄期的抗压强度则随着MB值的提高先增大后减小[17]。对于高强混凝土，控制坍落度(210±10)mm，其开裂等级随着MB值的增加而降低，且降低的程度也随着MB值的变化而改变；当MB值≥1.8 g/kg时，单位面积下的塑性裂纹宽度与开裂面积均显著提高；混凝土的干燥收缩率随MB值的增大而提高，尤其是在MB值≥1.45 g/kg时，提高明显[18]。B.Feleko lu在对粉料含量2.3%的水洗河砂（MB值0.8 g/kg）、粉料1.5%的水洗石灰岩机制砂（MB值0.4 g/kg）、掺泥粉的石灰岩机制砂（MB值1.1 g/kg）以及掺黏土石灰岩机制砂（粉料含量12.5%，MB值3.5 g/kg）配制的自密实混凝土性能进行研究时发现，固定扩展度720 mm±20 mm，水洗河砂和水洗石灰岩机制砂配制混凝土时所需减水剂掺量较低，掺黏土石灰岩机制砂所需减水剂掺量较高；在相同水灰比下，掺黏土石灰岩质机制砂所拌制的混凝土各龄期抗压强度最低[19]。左文銮等人的研究表明：对于低强混凝土，在MB值为1.05 g/kg时，混凝土各龄期的强度均达到最大值；对于高强混凝土，其早期抗压强度随MB值的提高而逐渐减小，干燥收缩率随MB值的提高而增大，且早期较为明显，但MB值的改变对后期强度影响不大；随着冻融循环次数的增加，各MB值下混凝土的动弹模量都出现了明显的降低，且MB值越大，降低得越明显[20]。

图2　亚甲蓝（MB）分子结构图

在机制砂生产中如采用水洗除粉，对MB值有显著的降低作用，但干法生产则难以降低MB值。MB值反应的是机制砂中黏土对亚加蓝的吸收能力，对于具有2:1结构的黏土，特别是膨润土，其吸收作用强[12]，但并不代表其对混凝土性能的影响更大，因此客观认识机制砂中MB值的作用也十分重要。在机制砂生产过程中普遍存在表土和黏土夹层剥离不充分，而片面增加除尘力度，不利于机制砂中MB值的降低也恶化了机制砂的级配，不利于机制砂综合质量的改进。

3　机制砂颗粒形状与表面质地对混凝土性能的影响

天然砂颗粒在自然条件下形成，经过长时间的环境作用，其颗粒形状较为圆润；机制砂通过岩石破碎得到，生产过程中在节理面开裂，其颗粒形状不规则、有棱角，且针片状含量高，生产机制砂的原材料及破碎过程所用机械的差异同样会使其颗粒形状产生一定的差别。我国行业规程规定了细集料颗粒形状的检测标准，分别是《公路工程集料试验规程》（JTG E42- 2005）中T0344细集料棱角性试验（间隙率法）和T0345细集料棱角性试验（流动时间法），两种方法分别根据美国的AASHTO33细集料未压实空隙率试验方法以及法国AFNOR NF P18- 564/1981制订并改进[21]。两种测试手段所得到的测试结果不直观、可比性差，测试过程繁琐。除使用棱角性来表征颗粒的形状外，还有采用较为先进的图像分析方法测得相应的颗粒形状参数进行分析。

目前，在数码图像分析的基础上，国内外对颗粒数码图像的采集手段主要分为两大类：2D图像的采集以及3D图像的采集，颗粒2D图像的采集还分为静态图像和动态图像两类。S·T·Erdogan等人采用了X射线微电脑断层扫描（μ CT）的方法得到了粗集料和微细粉集料的3D图像，并进行了颗粒形状分析[22,23]。Rolands等人采用动态影像分析（DIA）2D测试技术对5种不同岩性的7种河砂、机制砂0～125 μ m样品的长宽比进行了测试并与X射线微电脑断层扫描（μ CT）3D测试结果进行了对比，研究结果表明在几乎所有的尺寸范围内，两种测试方法得到的结果基本相似，与μ CT球面测试方法测得的长宽比，DIA测试结果拥有更好的可比性[24]。C.F. Mora、沈卫国等人分别通过2D静态数码图像采集技术（DIP）对集料的宽厚比（长宽比）、丰满比、圆球度以及不同粒径细集料的圆度系数等形状参数进行了测试，与传统的方法相比，DIP技术测得的颗粒形状参数更直观地反映了形状特点，信息获取更全面，操作更便捷[25~27]。J·P· Goncalves等人采用相同原材料、不同破碎机（圆锥破、冲击破）生产机制砂，并用图像处理的方法对不同破碎方式下不同尺寸颗粒的形状参数（圆球度、长宽比）进行了检测，与天然河砂和冲击破生产的机制砂相比，圆锥破得到的机制砂圆球度最小、长宽比最大，颗粒棱角最多；随着细集料颗粒尺寸的增加，两种破碎方式下生产的机制砂长宽比都降低，圆锥破生产的机制砂圆球度增大，冲击破生产的机制砂圆球度降低，但变化较小；天然砂的圆球度与长宽比基本不随颗粒尺寸的变化而改变[28]。

早期对颗粒形状的评价方法比较简单，只是通过观察并用“圆形、棱角、细长”等词汇描述集料的颗粒形状。在此阶段，H·Donza等人在对颗粒形状相差较大的两种细集料（花岗岩机制砂、天然砂）配制的混凝土进行研究时发现，在相同的配比下，为达到相同的工作性（坍落度），颗粒棱角较为明显的花岗岩质机制砂配制混凝土时需要掺入更多的减水剂，且其各龄期的力学性能均优于颗粒形状更为圆润的天然砂配制的混凝土[29]。而后，随着数码分析技术的发展，集料颗粒形状的描述方式转变为更为准确的数字表达（圆度系数、长宽比等）。J·P·Goncalves等人通过对由机制砂、天然砂配制的砂浆性能的研究发现，砂浆的抗压强度与混合物的堆积密度有关，与砂的级配和粒型无关[28]。Wang Lihua等人通过DIP的测试方法对机制砂、天然砂的颗粒形状进行了测试，研究结果表明天然砂的颗粒形状更接近圆形、更为圆滑，在相同水泥用量和固定坍落度下，采用两种细集料配制混凝土，机制砂的需水量更高，含气量更低，且强度也更高[30]。刘秀美等人在对3种不同圆形度机制砂（圆形度分别为0.87、0.91、0.94）配制的机制砂混凝土性能的研究中发现，在相同的配合比、颗粒级配和粉料含量（7%）下，随圆形度的提高（即颗粒形状越圆滑），配制的混凝土的工作性越好，抗压强度越高[31]。

在机制砂生产时选用冲击式制砂机、棒磨机等可以有效降低机制砂长宽比，改善棱角性[4]，但机制砂粒形与表面质地等资源性指标对机制砂混凝土性能的影响的显著性显然低于粉料含量、MB值等加工性指标对混凝土性能的影响。

4　机制砂颗粒级配对混凝土性能的影响

机制砂由岩石破碎而成，由于生产机械的局限，其颗粒级配与天然砂存在着较大的差别，颗粒级配的显著不同也对其配制的混凝土的性能带来了明显的影响。通常认为机制砂是一种两头多中间少的哑铃形级配，而河砂则为纺锤形级配，与河砂相比机制砂的颗粒级配更接近于Fuller曲线n=0.5时的级配，也就是更接近最大理论密度线（如图3所示），因此不能简单地认为机制砂的级配就是一种不良级配。苪捷等人以2区级配为例，将不含粉料的机制砂按筛孔直径4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.075 mm筛分后配合成2区下限以下、2区下限、2区下限与中值间、2区中值、2区中值与上限间、2区上限、2区上限以上7种级配比例，并分别配制机制砂高强混凝土，混凝土的坍落度随细集料中粗颗粒百分比的提高存在一个最大值，而其抗压强度的变化则不大（在2%以下）；当颗粒级配在2区下限与中值间时，混凝土的坍落度最高；当级配在2区中值与上限间时，抗压强度最大[32]。艾长发等人采用1.18mm筛孔将粉料含量为7%的机制砂筛分为两部分，同样以2区级配为例，将两部分按比例混合成偏于下限、下限与中值间、接近中值、中值与上限间、偏于上限、级配不良（超出2区级配范围）6种级配并配制C50机制砂混凝土。研究发现，机制砂1.18 mm以上颗粒决定混凝土的泌水性，1.18 mm以下颗粒则影响混凝土的粘聚性和保水性能；1.18 mm以上颗粒在混凝土中主要作为填充颗粒或骨架颗粒，对强度的影响较大[33]。

图3　机制砂、河砂颗粒级配

合理的除尘方式有利于保持机制砂中0.3 mm～0.075 mm之间的颗粒数量，目前通过外加剂调整克服机制砂混凝土离析泌水等问题已经十分简便，机制砂的级配对混凝土工作性带来的特异性也可通过振捣工艺来适应。

5　结束语

本文综述了机制砂在粉料含量、MB值、粒形和级配方面的特征以及由此对混凝土性能的影响：机制砂中粉料含量对混凝土性能的影响有正负两方面的效应，适当保持机制砂中粉料含量有利于其性能的改善；不同的黏土成分对混凝土MB的吸收能力不同，MB值不能完全反映机制砂中黏土成分对混凝土性能的不利影响；机制砂的棱角性和长宽比大，对混凝土工作性和强度带来影响；机制砂级配带来了混凝土性能的不同，应正确认识机制砂级配并适应机制砂级配带来的变化。在机制砂生产方面，机制砂粉料含量、MB值和级配之间存在相互的影响，应加强对母岩黏土的剥离，不片面降低粉料含量，不采用不当的除尘方式破坏机制砂的自身级配。

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中图分类号：TU528

文献标识码：A

文章编号：1008-0473(2016)01-0013-05DOI编码：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.01.004

收稿日期：（2015- 10- 20）