前言
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求越來(lái)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(wú)天然砂可用的情況越來(lái)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(jìn)展。機(jī)制砂與天然砂的根本區(qū)別在于機(jī)制砂是經(jīng)制砂機(jī)破碎和加工制得的，機(jī)制砂的級(jí)配、石粉含量等質(zhì)量指標(biāo)可以通過(guò)調(diào)整制砂機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。另外，機(jī)制砂在生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工中能夠減少對(duì)環(huán)境造成的污染。歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家為了保護(hù)天然砂資源、滿(mǎn)足工程建設(shè)的需要，已廣泛應(yīng)用機(jī)制砂并制定了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外機(jī)制砂的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范后，總結(jié)概括了機(jī)制砂的質(zhì)量指標(biāo)并提出改進(jìn)意見(jiàn)。
1 機(jī)制砂的定義
目前，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中機(jī)制砂的定義并不統(tǒng)一，不同國(guó)家的機(jī)制砂定義各不相同，國(guó)內(nèi)各標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)制砂的定義也不同，詳見(jiàn)表1。
表 1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中機(jī)制砂定義
由表1可知，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTMC125-18在機(jī)制砂的原材料中加入了建筑垃圾，促進(jìn)了建筑垃圾的資源化利用。
2 機(jī)制砂的特有質(zhì)量指標(biāo)
機(jī)制砂的特有質(zhì)量指標(biāo)大致可分為兩類(lèi)：一是有關(guān)機(jī)制砂的形貌特征，如粒形、表面粗糙度等;二是關(guān)于機(jī)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(jī)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(lái)說(shuō)，棒磨式、錘式和沖擊式破碎機(jī)生產(chǎn)的機(jī)制砂要優(yōu)于反擊式、圓錐式和輥壓式破碎機(jī)生產(chǎn)的機(jī)制砂。
機(jī)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(yàn)規(guī)程》規(guī)定了細(xì)骨料棱角性試驗(yàn)方法：間隙率法和流動(dòng)時(shí)間法，但試驗(yàn)誤差較大。近年來(lái)，更多學(xué)者采用數(shù)字圖像處理技術(shù)(Digital Image Processing)對(duì)骨料的棱角性特征進(jìn)行分析。DIP技術(shù)是對(duì)顆粒進(jìn)行正面投影，然后進(jìn)行輪廓圖像分析，從而可以采集到顆粒的圓球度、長(zhǎng)寬比、半徑比等參數(shù)，用以表征細(xì)骨料顆粒的粒形。GONCALVESJ P采用DIP技術(shù)分析對(duì)比天然河砂與兩種不同破碎方式(沖擊破碎、圓錐破碎)機(jī)制砂的圓球度和長(zhǎng)寬比后發(fā)現(xiàn)，圓錐式破碎機(jī)生產(chǎn)的機(jī)制砂圓球度最小、長(zhǎng)寬比最大、顆粒棱角最多。宋少民提出了機(jī)制砂片狀顆粒的概念并制訂了條形孔篩片狀顆粒檢測(cè)方法，并建議將混凝土用機(jī)制砂的片狀顆粒含量控制在20%以?xún)?nèi)。
數(shù)字圖像分析技術(shù)將評(píng)價(jià)指標(biāo)量化，評(píng)價(jià)方式科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，但操作復(fù)雜、選取研究對(duì)象較少、代表性差;相比而言，細(xì)集料片狀顆粒含量測(cè)定方法操作簡(jiǎn)單快捷、適應(yīng)性強(qiáng)。
2.2 石粉含量
國(guó)內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)制砂石粉含量的最高限值見(jiàn)表2。由表2可知，不同國(guó)家機(jī)制砂的工程應(yīng)用情況不同，確定石粉含量時(shí)的考慮因素也不同，因此，不同國(guó)家對(duì)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)制砂石粉含量的最高限值為10%。
表 2 國(guó)內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)制砂石粉含量最高限值
3 機(jī)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(jī)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(jī)械咬合力大，相互碰撞和干擾會(huì)降低混凝土的工作性。2.36mm粒級(jí)機(jī)制砂的顆粒形狀越不規(guī)則，混凝土流動(dòng)性越差。機(jī)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(dá)到與河砂混凝土相同的工作性，否則會(huì)影響新拌混凝土的流動(dòng)性，致使混凝土出現(xiàn)離析泌水的現(xiàn)象。
使用機(jī)制砂拌制的混凝土，其強(qiáng)度普遍高于使用河砂拌制的混凝土。對(duì)此分析主要有兩方面原因：一是機(jī)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(jī)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(jìn)C3S和C3A的水化。顆粒形貌會(huì)影響砂的堆積狀態(tài)，進(jìn)而影響其空隙率，當(dāng)水泥漿體完全填充空隙時(shí)，混凝土體系填充密實(shí)，抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)較好;機(jī)制砂的表面粗糙程度越高，混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度表現(xiàn)越好。但并非所有學(xué)者都認(rèn)同此觀點(diǎn)，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(qiáng)度越高。顆粒形貌對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響還需進(jìn)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(duì)混凝土水化產(chǎn)生一定影響;我國(guó)生產(chǎn)機(jī)制砂的原料主要為石灰?guī)r。因此，本文主要針對(duì)石灰石粉對(duì)混凝土性能的影響進(jìn)行了總結(jié)。
3.2.1 石粉含量對(duì)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(guò)高則會(huì)使混凝土變得干稠。YAHIA A認(rèn)為存在一個(gè)石粉摻量的臨界值，石粉摻量低于臨界值時(shí)，有利于混凝土的流動(dòng)性;當(dāng)石粉含量超過(guò)此臨界摻量時(shí)，增大混凝土拌合物的黏聚性，降低流動(dòng)性。周明凱認(rèn)為機(jī)制砂中石粉會(huì)對(duì)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(fù)效應(yīng)。正效應(yīng)指：石粉包裹于機(jī)制砂顆粒周?chē)纬傻臐{體能夠減少顆粒間的摩擦力，彌補(bǔ)機(jī)制砂粒形方面的缺陷;負(fù)效應(yīng)指：石粉會(huì)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(fù)效應(yīng)取決于石粉的含量，當(dāng)正效應(yīng)大于負(fù)效應(yīng)，石粉有利于拌合物的工作性;反之則不利。在中低強(qiáng)混凝土中，機(jī)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(qiáng)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(lái)改善其泌水現(xiàn)象;多余的石粉反而會(huì)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(dòng)性減弱，硬化后的混凝土強(qiáng)度降低。總之，石粉含量對(duì)混凝土工作性的影響存在一個(gè)臨界點(diǎn)，對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土的影響程度也不相同。
3.2.2 石粉含量對(duì)力學(xué)性能的影響
石粉影響混凝土強(qiáng)度主要體現(xiàn)在兩個(gè)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(shí);二是石粉細(xì)度較小，對(duì)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(zhǎng)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(qiáng)度，但由于其沒(méi)有活性效應(yīng)，使得90d以后的混凝土強(qiáng)度發(fā)展緩慢。李長(zhǎng)永認(rèn)為石粉含量低于13%時(shí)有利于混凝土后期抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)。
總之，石粉對(duì)混凝土早期水化有一定的促進(jìn)作用，從而有利于混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展，但對(duì)后期強(qiáng)度影響還需進(jìn)一步研究。
3.2.3 石粉含量對(duì)耐久性能的影響
石粉在水泥基材料中的作用機(jī)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(huì)對(duì)混凝土的工作性和力學(xué)性能產(chǎn)生影響，還會(huì)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(shí)性，使得混凝土抗?jié)B等級(jí)提高，氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小。李北星發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)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(duì)于高強(qiáng)混凝土，石灰石粉從0～15%的增加并不會(huì)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(shí)，由于其細(xì)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(jī)制砂混凝土中石粉含量為7%及7%以上時(shí)，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(duì)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(duì)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(jī)制砂的定義不統(tǒng)一，并且缺乏簡(jiǎn)便有效的檢測(cè)機(jī)制砂形貌的方法;關(guān)于機(jī)制砂顆粒形貌及石粉含量對(duì)混凝土耐久性的影響研究尚不完善。
(1)綜合考慮機(jī)制砂的原材料、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品特點(diǎn)等因素，建議將混凝土廢棄物、廢磚石塊等建筑垃圾納入機(jī)制砂的原材中。
(2)建議引入細(xì)骨料片狀顆粒含量指標(biāo)，采用條形孔篩對(duì)細(xì)骨料片狀顆粒含量進(jìn)行檢測(cè)。
(3)機(jī)制砂形貌特征和石粉含量對(duì)混凝土耐久性能的影響還需進(jìn)一步系統(tǒng)研究。
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