前言
隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求越來越大，混凝土骨料等建筑材料需求也相應(yīng)急劇增加。天然砂資源逐步減少甚至無天然砂可用的情況越來越多，混凝土用砂供需矛盾突出，嚴(yán)重影響了工程建設(shè)的進展。機制砂與天然砂的根本區(qū)別在于機制砂是經(jīng)制砂機破碎和加工制得的，機制砂的級配、石粉含量等質(zhì)量指標(biāo)可以通過調(diào)整制砂機參數(shù)進行調(diào)整和改進。另外，機制砂在生產(chǎn)、運輸和施工中能夠減少對環(huán)境造成的污染。歐美等工業(yè)發(fā)達國家為了保護天然砂資源、滿足工程建設(shè)的需要，已廣泛應(yīng)用機制砂并制定了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本文通過分析國內(nèi)外機制砂的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范后，總結(jié)概括了機制砂的質(zhì)量指標(biāo)并提出改進意見。
1 機制砂的定義
目前，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中機制砂的定義并不統(tǒng)一，不同國家的機制砂定義各不相同，國內(nèi)各標(biāo)準(zhǔn)中機制砂的定義也不同，詳見表1。
表 1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中機制砂定義
由表1可知，美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMC125-18在機制砂的原材料中加入了建筑垃圾，促進了建筑垃圾的資源化利用。
2 機制砂的特有質(zhì)量指標(biāo)
機制砂的特有質(zhì)量指標(biāo)大致可分為兩類：一是有關(guān)機制砂的形貌特征，如粒形、表面粗糙度等;二是關(guān)于機制砂中特有成分石粉的指標(biāo)，如石粉含量。
2.1 顆粒形貌
由于母巖及生產(chǎn)工藝等因素的不同，機制砂粒形不規(guī)則、表面粗糙、顆粒尖銳富有棱角，且顆粒內(nèi)部裂紋多、比表面積大。一般來說，棒磨式、錘式和沖擊式破碎機生產(chǎn)的機制砂要優(yōu)于反擊式、圓錐式和輥壓式破碎機生產(chǎn)的機制砂。
機制砂的顆粒形狀因不規(guī)則，難以準(zhǔn)確表征。JTGE42-2005《公路工程集料試驗規(guī)程》規(guī)定了細骨料棱角性試驗方法：間隙率法和流動時間法，但試驗誤差較大。近年來，更多學(xué)者采用數(shù)字圖像處理技術(shù)(Digital Image Processing)對骨料的棱角性特征進行分析。DIP技術(shù)是對顆粒進行正面投影，然后進行輪廓圖像分析，從而可以采集到顆粒的圓球度、長寬比、半徑比等參數(shù)，用以表征細骨料顆粒的粒形。GONCALVESJ P采用DIP技術(shù)分析對比天然河砂與兩種不同破碎方式(沖擊破碎、圓錐破碎)機制砂的圓球度和長寬比后發(fā)現(xiàn)，圓錐式破碎機生產(chǎn)的機制砂圓球度最小、長寬比最大、顆粒棱角最多。宋少民提出了機制砂片狀顆粒的概念并制訂了條形孔篩片狀顆粒檢測方法，并建議將混凝土用機制砂的片狀顆粒含量控制在20%以內(nèi)。
數(shù)字圖像分析技術(shù)將評價指標(biāo)量化，評價方式科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，但操作復(fù)雜、選取研究對象較少、代表性差;相比而言，細集料片狀顆粒含量測定方法操作簡單快捷、適應(yīng)性強。
2.2 石粉含量
國內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)中機制砂石粉含量的最高限值見表2。由表2可知，不同國家機制砂的工程應(yīng)用情況不同，確定石粉含量時的考慮因素也不同，因此，不同國家對石粉含量限值的規(guī)定差異較大。歐洲標(biāo)準(zhǔn)中石粉含量最為寬泛，其最高限值為22%;我國標(biāo)準(zhǔn)中機制砂石粉含量的最高限值為10%。
表 2 國內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)中機制砂石粉含量最高限值
3 機制砂質(zhì)量指標(biāo)與混凝土性能
3.1 顆粒形貌與混凝土性能
機制砂粒形影響混凝土工作性主要是由于多棱角的顆粒間機械咬合力大，相互碰撞和干擾會降低混凝土的工作性。2.36mm粒級機制砂的顆粒形狀越不規(guī)則，混凝土流動性越差。機制砂顆粒表面粗糙、多棱角，針片狀顆粒含量較多，往往需要更多的水泥漿體包裹，才能達到與河砂混凝土相同的工作性，否則會影響新拌混凝土的流動性，致使混凝土出現(xiàn)離析泌水的現(xiàn)象。
使用機制砂拌制的混凝土，其強度普遍高于使用河砂拌制的混凝土。對此分析主要有兩方面原因：一是機制砂粗糙不規(guī)則的表面形態(tài)有利于提高混凝土界面間黏結(jié)力;二是機制砂的主要成分為CaCO3，在混凝土高堿環(huán)境中，其表面發(fā)生微化學(xué)反應(yīng)，促進C3S和C3A的水化。顆粒形貌會影響砂的堆積狀態(tài)，進而影響其空隙率，當(dāng)水泥漿體完全填充空隙時，混凝土體系填充密實，抗壓強度表現(xiàn)較好;機制砂的表面粗糙程度越高，混凝土的抗壓和抗折強度表現(xiàn)越好。但并非所有學(xué)者都認(rèn)同此觀點，一些學(xué)者認(rèn)為圓形度越高(粒形越圓滑)，混凝土拌合物的工作性越好，硬化后抗壓強度越高。顆粒形貌對混凝土力學(xué)性能的影響還需進一步研究。
3.2 石粉含量與混凝土性能
不同母巖產(chǎn)生的石粉由于其巖性及成分不同，在混凝土體系中對混凝土水化產(chǎn)生一定影響;我國生產(chǎn)機制砂的原料主要為石灰?guī)r。因此，本文主要針對石灰石粉對混凝土性能的影響進行了總結(jié)。
3.2.1 石粉含量對工作性的影響
石粉有利于提高混凝土的保水性和黏聚性，改善混凝土離析泌水的現(xiàn)象，但石粉含量過高則會使混凝土變得干稠。YAHIA A認(rèn)為存在一個石粉摻量的臨界值，石粉摻量低于臨界值時，有利于混凝土的流動性;當(dāng)石粉含量超過此臨界摻量時，增大混凝土拌合物的黏聚性，降低流動性。周明凱認(rèn)為機制砂中石粉會對混凝土拌合物的工作性起到兩種相反的作用：正效應(yīng)與負效應(yīng)。正效應(yīng)指：石粉包裹于機制砂顆粒周圍，形成的漿體能夠減少顆粒間的摩擦力，彌補機制砂粒形方面的缺陷;負效應(yīng)指：石粉會吸收混凝土體系中的水分，增大混凝土拌合物的需水量。石粉在混凝土中的正負效應(yīng)取決于石粉的含量，當(dāng)正效應(yīng)大于負效應(yīng)，石粉有利于拌合物的工作性;反之則不利。在中低強混凝土中，機制砂中的石粉能夠增加漿體含量，一定程度上提高新拌混凝土的工作性。但高強混凝土的水灰比較小，膠凝材料用量很大，不需額外摻入石粉來改善其泌水現(xiàn)象;多余的石粉反而會由于其較大的比表面積，吸收水泥水化所需的水分，使得拌合物黏聚性增大、流動性減弱，硬化后的混凝土強度降低。總之，石粉含量對混凝土工作性的影響存在一個臨界點，對不同強度等級的混凝土的影響程度也不相同。
3.2.2 石粉含量對力學(xué)性能的影響
石粉影響混凝土強度主要體現(xiàn)在兩個方面：一是石粉在混凝土材料體系中具有一定的水化活性，且其水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較為密實;二是石粉細度較小，對混凝土有一定的微骨料填充作用。石灰石粉在早期為水化硅酸鈣提供了有利于成核和生長的表面，降低了成核位壘，加速了水泥的水化，尤其是能夠加速C3S的早期水化，因此，摻加石粉能夠提高砂漿和混凝土的早期強度，但由于其沒有活性效應(yīng)，使得90d以后的混凝土強度發(fā)展緩慢。李長永認(rèn)為石粉含量低于13%時有利于混凝土后期抗壓強度的增長。
總之，石粉對混凝土早期水化有一定的促進作用，從而有利于混凝土早期強度的發(fā)展，但對后期強度影響還需進一步研究。
3.2.3 石粉含量對耐久性能的影響
石粉在水泥基材料中的作用機理主要體現(xiàn)為晶核作用、填充作用、化學(xué)作用和微活性作用;因此，石粉不僅會對混凝土的工作性和力學(xué)性能產(chǎn)生影響，還會影響混凝土的耐久性能。劉曉東研究認(rèn)為石粉的晶核效應(yīng)表現(xiàn)為能夠加速水泥水化，誘導(dǎo)水化產(chǎn)物(主要是C-S-H凝膠)結(jié)晶析出，從而阻斷混凝土的滲透通道，提高混凝土的密實性，使得混凝土抗?jié)B等級提高，氯離子擴散系數(shù)減小。李北星發(fā)現(xiàn)低強混凝土中石粉含量從0增加到20%，可提高氯離子的滲透阻力，降低混凝土的抗凍性能;而對于高強混凝土，石灰石粉從0～15%的增加并不會影響混凝土的氯離子滲透性和抗凍性。水灰比不變的情況下，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力隨石灰石粉含量的增高而下降。王海峰采用石灰石粉代替部分水泥，證明摻加石灰石粉能夠有效抑制堿骨料反應(yīng)。石灰石粉在混凝土中活性較小，體積較為穩(wěn)定，同時，由于其細度較小，能充分發(fā)揮填充和分散作用，降低混凝土的收縮。機制砂混凝土中石粉含量為7%及7%以上時，早期干縮值要大于河砂混凝土，而后期干縮值相差不大，甚至有所降低。
目前，石粉對混凝土耐久性的影響還缺乏系統(tǒng)的研究。石粉含量在一定范圍內(nèi)的增加可以提高混凝土的抗氯離子滲透性，并有一定的抑制堿骨料反應(yīng)的作用，但對抵抗硫酸鹽侵蝕能力不利。
4 結(jié)論與展望
目前各標(biāo)準(zhǔn)中機制砂的定義不統(tǒng)一，并且缺乏簡便有效的檢測機制砂形貌的方法;關(guān)于機制砂顆粒形貌及石粉含量對混凝土耐久性的影響研究尚不完善。
(1)綜合考慮機制砂的原材料、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品特點等因素，建議將混凝土廢棄物、廢磚石塊等建筑垃圾納入機制砂的原材中。
(2)建議引入細骨料片狀顆粒含量指標(biāo)，采用條形孔篩對細骨料片狀顆粒含量進行檢測。
(3)機制砂形貌特征和石粉含量對混凝土耐久性能的影響還需進一步系統(tǒng)研究。
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