高性能混凝土用机制骨料品质特征及影响因素分析★

彭兴华，张朝宏，李国栋，尤大海

(1.湖北冶金地质研究所(中南冶金地质研究所)，湖北 宜昌 443000； 2.矿产资源综合利用宜昌市重点实验室，湖北 宜昌 443000)

0 引言

高性能混凝土是以耐久性为主要设计指标，在大幅度提高常规混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术制作的高技术混凝土[1]。作为一种重要的绿色建材，高性能混凝土的推广应用既是实现混凝土行业高质量发展的必然要求[2]，也是推动建材行业实现碳达峰和碳中和目标的有效举措[3]。

骨料是在混凝土中起骨架、填充和稳定体积作用的岩石颗粒等粒状松散材料[4]，也常被称作集料、砂石料。骨料约占混凝土体积的70%～80%[5]，是影响混凝土质量的关键因素[6-7]，甚至在很大程度上决定着能否稳定的生产出合格的混凝土[8]。骨料按照来源可分为天然骨料和机制骨料，按照粒径大小可分为粗骨料(石)和细骨料(砂)。长期以来，我国绝大部分地区混凝土生产主要使用天然骨料，但随着天然骨料资源逐渐减少和环境保护力度日益增强，机制骨料已经取代天然骨料成为建设市场最主要的骨料来源，并占到建设用骨料的70%左右[9]。但从整体上看，由于机制骨料的级配调整、颗粒整形等制备技术水平不高等原因[10]，许多砂石企业生产的机制骨料质量较差，尤其是存在着粒形不好、级配不良、石粉含量波动大等突出问题[11]。这些低品质的机制骨料，即使用于常规混凝土也大多需要搭配天然骨料，更难以满足高性能混凝土的要求。加强对机制骨料品质不高这个制约高性能混凝土发展应用的瓶颈问题的研究[12-13]，已经成为非常必要又十分紧迫的任务。

目前关于机制骨料的研究，主要集中在常规混凝土用机制砂的性质和对混凝土性能的影响方面，而有关高性能混凝土用机制骨料的系统研究则并不多见。笔者拟对高性能混凝土用机制骨料需满足的主要品质进行分析，并从机制骨料制备技术方面探讨影响机制骨料品质的主要因素，从而为有针对性地提高机制骨料制备技术、改善机制骨料品质，进而推动高性能混凝土用机制骨料行业高质量发展、缓解高性能混凝土用骨料供需矛盾提供一定的参考。

1 高性能混凝土用机制骨料主要品质要求

高性能混凝土在宏观上是由水泥石、骨料和界面过渡区组成的非匀质复合多孔材料，耐久性是其核心性能，工作性是目前急需提升且与骨料品质关系密切的特性。骨料在高性能混凝土中发挥着骨架支撑和承受外力、稳定体积和抑制变形、调控密度和温度变化等作用[14]，对高性能混凝土的耐久性能、工作性能和力学性能都具有重要影响，是混凝土技术的两大核心问题之一。

机制骨料的颗粒粒形、颗粒级配、细度模数、石粉含量和有害物质含量、坚固性、压碎指标等，都会对高性能混凝土性能产生不同程度的影响，而其中尤以颗粒粒形和颗粒级配最为重要[15]。许多研究成果也表明，细度模数和石粉含量也对高性能混凝土耐久性、工作性等性能具有重要影响，而有害物质含量、坚固性、压碎指标等主要通过筛选合适的母岩加以控制，且其合理性通常能够得到保证。因此，要生产出符合高性能混凝土要求的机制骨料，就应该保证其具有良好的粒形、合理的级配、适宜的细度模数和适当的石粉含量。

1.1 良好的粒形

粒形是影响高性能混凝土工作性、耐久性、强度的重要因素。较好的粒形是接近球形或立方体，较差的粒形是针、片状。通常是以针、片状颗粒含量来衡量机制骨料粒形的好坏。

针、片状颗粒含量过多会带来很多的危害：

1)增大骨料之间的空隙率，降低混凝土密实度，进而降低其耐久性。王浩等发现粗骨料针、片状颗粒的质量分数超过10%，会明显增加硬化混凝土28 d电通量；当针、片状颗粒的质量分数从0增加到15%时，混凝土电通量增长17.6%[16]。

2)增大骨料比表面积和空隙率，需要更多的水泥浆体进行填充和包裹，增加单位体积用水量和胶凝材料用量，造成对混凝土性能的一系列不利影响。

3)增加混凝土拌合物流动阻力，降低其工作性、可泵性，甚至导致在泵送时发生堵管。韩宏伟发现粗骨料针、片状颗粒的质量分数增加会降低混凝土拌合物坍落度和坍落扩展度，尤其当针、片状颗粒的质量分数超过15%时表现非常明显[17]。

4)降低骨料与水泥浆的黏结能力，降低混凝土强度。廉慧珍等[18]认为在外力作用下，针、片状颗粒会因应力集中、弯曲应力过大而提前断裂，降低混凝土强度。HUANG Y Y等[19]认为混凝土抗压强度越高，骨料中片状颗粒的脆性越容易表现出来，对混凝土抗压强度的影响也越明显。

一些学者认为，除针、片状颗粒之外，不规则颗粒也会对混凝土性能产生不良影响。宋少民等发现当不规则颗粒的质量分数大于30%时，混凝土坍落度降低15%，氯离子扩散系数快速增大；当不规则颗粒的质量分数大于40%时，混凝土强度降低15%[20]。因此，JG/T 568—2019和GB/T 14685—2011相比，新增了对粗骨料中不规则颗粒含量的规定[21]。

实际生产中针、片状颗粒和不规则颗粒的存在是不可避免的，只要保证其含量在一定范围内便可忽略其对混凝土性能的不利影响，如毛军和潘琨等认为粗骨料中针、片状颗粒的质量分数不超过15%时对混凝土性能无明显影响[22-23]。但这些研究成果多是针对常规混凝土而言，并不适合对骨料粒形更为敏感的高性能混凝土，如王博洋等发现针、片状颗粒的质量分数分别在2%和4%以上时，会导致C50和C40高性能混凝土强度明显下降[24]。因此，今后很有必要加强对针、片状颗粒和不规则颗粒含量对高性能混凝土性能的影响研究。

1.2 合理的级配

级配几乎对混凝土的所有性能都有影响[25]。良好的级配不仅应该是连续的，而且还应该使骨料之间的空隙率小、骨料比表面积小且有适量的细骨料，以减小胶凝材料用量和单位体积用水量，提高混凝土密实度，改善混凝土性能。

粗骨料级配往往不如细骨料级配那样受到人们的重视，但实际上粗骨料级配是影响骨料空隙率的重要因素。宋少民等认为，由于粗骨料级配和粒形不好，导致我国市售粗骨料空隙率高，进而导致混凝土的胶凝材料用量、用水量远高于西方国家，也严重影响了混凝土质量。

艾长发等认为细骨料颗粒级配和颗粒间连续程度是决定工作性的关键因素，且4.75 mm～1.18 mm和1.18 mm～0.15 mm部分分别是混凝土泌水性和保水性、黏聚性的主要影响因素；4.75 mm～1.18 mm部分含量和颗粒间组成比例是影响混凝土强度的主要因素[26]。ZHANG G H等通过模型预测和试验研究，发现骨料级配对混凝土弹性模量具有显著影响[27]。

由于骨料级配的重要作用和高性能混凝土对骨料的更高要求，JG/T 568—2019和GB/T 14685—2011，GB/T 14684—2011 等标准相比[28]，大幅提高了对粗细骨料级配的要求，特别是将细骨料的颗粒级配改为用更科学合理的分级筛余量表示，扩大了-0.15 mm颗粒筛余量范围，且新增了对筛底筛余量的限制。不同标准中机制砂颗粒级配对比见表1。

表1 不同标准中机制砂颗粒级配对比

值得指出的是，细骨料中含有较多的石子特别是粒径较大的石子时也会损害混凝土性能，但JG/T 568—2019仅规定了4.75 mm分级筛余量不超过5%，并未规定+4.75 mm颗粒的最大粒径。在实际应用当中，可限制细骨料中所含石子最大粒径不超过9.5 mm，以避免细骨料中混入过大石子对高性能混凝土性能造成较大损害。

1.3 适宜的细度模数

细度模数是衡量细骨料整体粗细程度的指标。在级配符合要求的情况下，细骨料的细度模数大、粗颗粒含量高，有利于提高混凝土拌合物流动性，但也会降低其黏聚性和保水性。MADIHA Z等研究了用细度模数分别为2.4，2.6，2.92和3的石灰岩细骨料制备的混凝土的性能，发现细度模数为2.78时混凝土抗压强度最大，且细度模数较高的混凝土拌合物工作性相对较好[29]。但若细度模数过大，会造成细骨料中粗颗粒过多、细颗粒过少、级配不合理甚至某些粒级“断档”，从而增加混凝土空隙率和填充所需的浆体用量，降低混凝土的工作性和耐久性。对于高性能混凝土用机制骨料而言，较为理想的细度模数是2.3～3.2。

1.4 适当的石粉含量

石粉是区分天然砂和机制砂的重要标志。适量的石粉具有润滑、填充和保水作用：弥补机制骨料表面粗糙的缺点，减少骨料之间的摩擦，提高混凝土拌和物的工作性；填充空隙，改善级配，提高混凝土密实度、强度和耐久性[30-31]；石粉比表面积大、吸水性强，能增加混凝土拌合物稠度和黏聚性，改善离析、泌水[32-33]。但当石粉含量过大时，混凝土变得干稠，成型时浆体难以拌合均匀，且水泥石或界面过渡区中会出现游离态石粉，降低骨料与水泥石的黏结能力[34]，加之石粉过多意味着粗颗粒较少，骨架作用降低，级配也不合理，还会降低水泥浆强度[35]，从而降低混凝土密实度、强度、工作性、耐久性等性能。通常情况下，混凝土强度等级不同，最佳石粉含量也不同，且混凝土强度等级越大，其石粉含量的合理范围越小[36]。

以上研究均是基于常规混凝土展开，但对高性能混凝土而言，由于其中掺加有大量的矿物掺合料，因而石粉的润滑、填充、保水作用并不明显，加上高性能混凝土水胶比很低，又极易受到减水剂影响，而石粉及其中可能混杂的泥土都对水、减水剂具有很强的吸附性，故高性能混凝土比常规混凝土对石粉含量更为敏感。因此，JG/T 568—2019在规定石粉含量时不仅考虑了石粉亚甲蓝值，也将石粉流动度比考虑在内。此外，由于GB/T 14684—2011中有关石粉含量的规定过于苛刻，难以被砂石企业执行，或为满足石粉含量要求而采用水洗等办法，造成细颗粒流失、级配不合理等问题，JG/T 568—2019允许的石粉含量有所增大。

2 高性能混凝土用机制骨料品质主要影响因素

目前市售机制骨料总体上品质较差，颗粒粒形不好、针片状颗粒含量高；级配不良、多呈现“两头大中间小”的“哑铃型”而非较为理想的“橄榄型”；细度模数偏大、普遍都在3.4以上；石粉的质量分数过高，甚至达到20%以上等问题较为普遍。造成机制骨料品质不高的原因众多，如行业标准规范、人们思想认识等，但最关键的还是母岩特性、生产工艺、加工设备等机制骨料制备技术较为落后。

2.1 母岩特性

高性能混凝土用机制骨料绝大部分是以岩石为原料。不同类型的岩石内部结构不同，在受到外力作用时，会形成不同的颗粒形状，如KAMANI M等认为大理岩和凝灰岩相比，其颗粒形状更容易受到破碎机类型的影响[37]。目前仅关于石灰岩的研究相对较多。从已有的研究结果来看，研究者大多认为用石灰岩制备的机制骨料粒形相对较好，如谢华兵认为用花岗岩制备的细骨料棱角多、粒形差，用石灰岩制备的则相对较好[38]；周鸿煜等认为石灰岩制备的细骨料粒形好于花岗岩，花岗岩好于玄武岩[39]。但也有不同的研究结论，如王立华等比较了用灰岩、花岗岩、砂岩所制备的机制砂的粒形特征，发现砂岩机制砂较为浑圆、粒形较好，花岗岩机制砂较为扁平、片状颗粒较多，而灰岩机制砂较为狭长、针状颗粒较多[40]。

此外，不同类型的岩石强度不同，强度低的岩石被破碎时易产生细颗粒和较多石粉。如石灰岩强度较低，容易出现过粉碎现象，石粉含量往往偏高。

可见，在我国砂石企业应用最多的石灰岩，也并不是非常理想的原料，导致所制备的机制骨料容易出现粒形不好、石粉含量高等问题。

总体来看，目前有关母岩特性的研究，尤其是不同岩性是如何影响机制骨料粒形等品质的机理研究非常匮乏。今后应加强对砂石企业应用较多的石灰岩、花岗岩、玄武岩、凝灰岩等的岩性研究，特别注意加强机理分析，以更好指导砂石企业选取最合适的岩石作为制备机制骨料的母岩。

2.2 生产工艺

GB 51186—2016和JC/T 2299—2014推荐的机制骨料生产工艺流程和加工设备如表2所示[41-42]。

表2 机制骨料生产宜采用工艺流程及加工设备

但在实际生产中，很多砂石企业仅进行两次破碎一次筛分。如吴勇等发现贵州市场上的机制砂大多采用“两次破碎一次筛分”的生产工艺，缺乏对粒形的控制[43]。湖北某新投产的500万t/a骨料生产线最大给料粒径800 mm，产品包括两种粒级细骨料和三种粒级粗骨料，也仅用两次破碎、一次筛分。由于工艺设置不合理，很容易因为缺乏整形而导致骨料粒形不好，也容易因为破碎不够而导致骨料细度模数偏大，以及因为筛分过少不能及时分离合格产品，从而出现过粉碎和石粉含量偏高现象。也有较多砂石企业将-5 mm颗粒整体销售，而不进行整形和筛分分级，也不筛除其中所含的石粉，也就很难保证骨料的粒形、级配和石粉含量符合要求。

此外，一些生产工艺也有其固有弊端。如湿法制砂在水洗过程中会造成细颗粒大量流失，恶化颗粒级配，使细度模数偏大；干法制砂很容易产生过多的石粉。

因此，既要按照母岩特性和骨料品质要求配置必要的破碎、筛分和整形工序，也要加强对新工艺的研究和应用，如参考选矿厂、烧结厂中已经非常成熟的工艺，设置预先筛分及时分离合格产品减少过粉碎；研究有效去除泥土等杂质的工艺方法；产品按单粒粒级或较小粒级范围存放、销售；各粒级骨料产品由商混站等用方按需混合、搅拌均匀，减少运输过程中造成的离析、分层。

2.3 加工设备

破碎设备是骨料生产线的核心设备。不同类型破碎机的产品有着不同的品质，如从粒形角度来看，立轴式冲击破碎机产品优于反击式破碎机，圆锥式破碎机、旋回式破碎机优于颚式破碎机[44]，立轴冲击式破碎机优于圆锥式破碎机[45]。但立轴式冲击破碎机虽然在产品整形方面具有显著优势，却容易导致产品细度模数大、“哑铃型”甚至间断级配[46]，而且由于价格昂贵、场地要求高等原因，并不是砂石企业的首选破碎设备。

这些设备也都有一定的适用范围，如“石打石”立轴式冲击破碎机对矿石含水率和泥土含量要求苛刻，“石打铁”立轴式冲击破碎机不适合高硬度矿石[47]。如果不能根据矿石性质、工艺流程、设备适用范围等合理配置相应设备，以及在生产中不能保证设备正常运行所需条件、不注重设备维护保养，将会导致产品出现棱角尖锐、针片状颗粒含量高和级配、细度模数不好等问题。

因此，要配置符合矿石性质的加工设备，注重设备保养维护；还应积极研发新型设备，特别是提高设备智能化、信息化水平；并围绕级配调整、颗粒整形等关键指标，注重研究引进化工、矿物加工等行业相关设备，如可研究(半)砾磨机等设备用于骨料选择性破碎、整形的可行性。

3 结语

随着各种重大工程、基础设施建设和促进碳达峰、碳中和系列政策的实施，作为绿色低碳建筑材料的高性能混凝土必会迎来更为广阔的发展空间，高性能混凝土用机制骨料也必将在建设用骨料市场扮演更为重要的角色。各有关方面应该齐心协力，用全局、长远眼光看待骨料品质和成本投入的关系，以骨料颗粒粒形、颗粒级配、细度模数、石粉含量等品质为重点，严把原料使用关、改进生产工艺、研发新型设备、加强机理研究，努力提高机制骨料制备技术水平，促进机制骨料和高性能混凝土行业高质量发展。