機制砂特性及其在混凝土中的應用研究
原標題：機制砂特性及其在混凝土中的應用研究
0引言
砂作為混凝土重要組成部分，其用量隨混凝土用量的增加逐年增長，導致天然砂供不應求，而天然砂是混凝土用砂的主要來源。由于天然砂過度開采引發的資源危機和對生態環境的破壞日漸顯著，考慮到混凝土材料未來的可持續發展，采用機制砂替代天然砂是解決混凝土用砂短缺的有效途徑。
機制砂的來源十分廣泛，通過對礦山巖石、尾礦以及工業廢渣等進行處理均可得到。與天然砂相比，機制砂的顆粒形狀、表面紋理及粗糙度、級配和微粉含量截然不同，其具有外形有棱角、表面結構更粗糙及微粉含量更高的特點，且由于制造工藝的不同，使得機制砂顆粒的特性存在一定差異，對混凝土工作性能、力學性能會產生不同的影響。目前，機制砂對混凝土各項性能的影響已有大量的研究，但部分性能受機制砂的影響仍存在差異，且機制砂的作用機理尚不清楚。本文簡要介紹了機制砂的特性及其對混凝土工作性能及強度的影響，并指出了機制砂在混凝土中應用存在的問題及改進措施。
1機制砂特性的關鍵參數
機制砂是采用多重破碎工藝得到，因此影響機制砂特性的參數較多。其特性參數主要包含顆粒級配、顆粒形狀、細度模數、微粉含量、空隙率、表觀密度、堆積密度、亞甲藍值（MBV）和壓碎值等指標。機制砂特性參數與天然河砂的區別主要為顆粒特征、微粉含量、MBV和顆粒級配，目前機制砂的顆粒級配對混凝土性能的影響、機理及其優化研究相對較少。
1.1顆粒特征
機制砂在破碎過程中由于母巖成分和破碎比的差異，機制砂顆粒通常表現出獨特的幾何特征：棱角鋒利、表面粗糙，如圖1所示。
但有研究認為，機制砂表面粗糙度低于河砂，主要原因為機制砂表面由光滑的新破碎晶體組成，且破碎工藝的不同導致巖石切斷面的粗糙程度不同。將天然砂與機制砂的顆粒形狀參數進行對比發現機制砂平整度降低11.5%，顆粒形狀參數降低19.3%，球度降低14.8%。粗糙的機制砂顆粒可以產生臨界狀態摩擦角，成角狀態能夠增強漿體與骨料之間的互鎖結構，進而增強混凝土力學性能，其界面形貌如圖2所示。
機制砂與漿體界面形成了緊密包裹結構，而天然河砂與漿體界面存在較為明顯的孔隙，為CH、AFm和AFt的結晶和生長提供了更多的空間。機制砂與漿體的界面過渡區的自由空間較少，具有更高的粘結力，骨料、漿體的致密程度明顯高于河砂。機制砂的顆粒形狀與表面特性不僅影響了漿體界面過渡區的密實程度，也是決定混凝土配合比用水量的重要因素，顆粒的比表面積越大，影響越大，尺寸為4.75～2.36mm的顆粒對混凝土性能的影響最為顯著。
1.2微粉含量
機制砂在生產過程中必然會產生大量的小于75μm的微粉，高于天然河砂。微粉的數量和質量會顯著影響機制砂混凝土性能，微粉含量過高會導致混凝土性能降低，適量的微粉可改善混凝土的骨料活性及微觀結構，從而提高混凝土宏觀性能。目前，常見的采用礦山巖石破碎的機制砂母巖通常為石灰巖，砂中的微粉即為石灰石粉，而石灰石粉在水泥基材料中具有填充效應、晶核作用及化學作用三大效應。石灰石微粉能夠填充水泥基材料孔隙，提高基體的密實度，有利于水泥基材料性能的提升。
在靜電力作用下，石灰石微粉顆粒表面能夠定向吸附液相中的Ca2+，為水泥的水化產物提供成核位點，有效分散水化產物的沉積聚集，避免其對未水化水泥顆粒的包裹和覆蓋，提高水泥顆粒的水化程度，促進膠凝體系的水化反應。石灰石微粉中的CaCO3能夠與單礦C3A發生緩慢反應，生成單碳型和半碳性水化碳鋁酸鈣，促進了產物之間的橋接，使水泥石微觀結構更加致密。石灰石微粉含量較高時，其稀釋作用導致水化產物量的減少會引起混凝土微結構的破壞及性能的劣化。因此，機制砂混凝土的制備需要通過合理的配合比設計控制其在混凝土中帶入的微粉含量，以保證混凝土質量滿足規范要求。
1.3MBV
在機制砂中，通常采用亞甲藍值來表征機制砂微粉中粘土的含量，亞甲藍試驗能有效檢測小于75μm的物質主要是石粉還是粘土。粘土與微粉具有相同的粒徑范圍，但由于它增加了混凝土用水量，降低了水化產物物相的性能，從而降低混凝土的坍落度、強度和耐久性，因此被認為是一種有害物質。
根據JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》亞甲藍合格值的規定，機制砂中的含泥量應控制在1%（占機制砂總量）之內。機制砂混凝土的制備需考慮MBV值的大小，而粘土主要存在于微粉中，因此在對機制砂混凝土進行配合比設計時，也要合理調控微粉含量。現有的機制砂研究并不能將粘土與微粉區分開，有些甚至將部分微粉作為粘土，從而導致了實際工程中對機制砂微粉含量的要求過高，極大地制約了機制砂的應用和發展。
2機制砂對混凝土性能的影響
2.1工作性能
機制砂混凝土的工作性能與其微粉含量、MBV、顆粒特性等參數緊密相關。Zhu研究發現，機制砂微粉的加入增大了水泥漿體的屈服應力，由于微粉的比表面積較高，降低了漿體的平均表面覆蓋率，增加了相互接觸顆粒的數量和有效體積分數，從而增強了膠體間的相互作用。適量的微粉可以增加機制砂混凝土中的漿體含量，從而改善混凝土流動性，降低漿體屈服應力，微粉含量過高對流動性產生不利影響。
與天然砂相比，在不摻加外加劑的條件下，若要保持混凝土坍落度不變，機制砂混凝土的需水量要高于天然砂混凝土。這是由于機制砂顆粒表面粗糙、棱角鋒利、圓度低，顆粒之間相互摩擦和阻礙，因此需要更多的水泥漿體進行包裹和潤滑，且機制砂顆粒表面有一定量的開孔和裂紋，會吸收更多的水分，此外微粉含量較多，比表面積大，吸水量較大，進一步增加了混凝土的用水量。
粘土顆粒相比微粉更細，粘土與微粉對機制砂混凝土流動性的影響不同。相關研究表明，機制砂微粉含量高于5%，MBV在0～3g/kg范圍時，混凝土坍落度較大，在一定范圍內，混凝土流動性隨微粉含量的增加而增加，隨MBV的增加而降低。低MBV的微粉含水量較低，降低了外加劑的吸附性，因此增加微粉含量就增加了漿體含量，提高了流動性。當MBV大于7g/kg時，微粉含量的增加對混凝土流動性會產生不利影響。因此，MBV小于7g/kg、微粉含量在15%～20%之間的機制砂混凝土具有較好的工作性能。
水泥砂漿的工作性能與砂的堆積分數有關，機制砂顆粒特征（幾何特性、顆粒大小）與漿體塑性黏度的關系表現為顆粒的堆積分數和比表面積對黏度的影響。因此，顆粒形狀對砂漿流變性能的影響可通過顆粒堆積進行表征，由于機制砂顆粒形狀較差，堆積分數通常比河砂低，通過增加漿體體積，可以消除或顯著減少由于顆粒形狀不佳引起的骨料堆積分數降低而造成的負面影響，要使機制砂砂漿具有足夠的流變性，需要較大的漿體體積。機制砂與球形顆粒對不同砂粒體積分數漿體塑性黏度的影響如圖3所示。
所有漿體塑性黏度均隨砂粒體積分數的增加而增加，且在不同砂粒體積分數下，含機制砂漿體表現出比含球形砂的漿體更高的塑性黏度。機制砂對水泥砂漿塑性黏度的影響表現為顆粒形狀效應，顆粒尺寸越小，漿體的塑性黏度越大。Westerholm等人測量了不同機制砂砂漿的流變性能，發現隨著機制砂顆粒尺寸變得越來越細長，砂漿的塑性黏度增加了約3倍，其主要原因為非球形顆粒之間物理干擾的增加。
2.2強度
機制砂粗糙的表面和鋒利的棱角能夠改善骨料與漿體間的粘結性能，且粗顆粒與水泥漿體的膠結效果相對較好，更有利于改善混凝土強度。當MBV在0～7g/kg范圍時，機制砂混凝土28d抗壓強度隨微粉含量的增加而增加，MBV為10～14g/kg時，混凝土抗壓強度明顯高于MBV為0～7g/kg（微粉含量小于5%）時的抗壓強度。當微粉含量高于15%時，較高的MBV會導致抗壓強度的降低。在機制砂混凝土中，當MBV不超過7g/kg時，可以增加微粉含量以提高抗壓強度，但隨著MBV的增大，微粉摻量需要進行相應的調整，詳見圖4。
與天然砂相比，機制砂使混凝土3d、28d抗壓強度均略有提升，其主要原因得益于機制砂的顆粒特征。由于機制砂表面粗糙、棱角鋒利，能夠改善骨料與水泥漿體之間的粘結性能，砂粒間的橋接、摩擦和阻礙作用改善了硬化混凝土的內應力分布，進而可以提高混凝土的抗壓強度，詳見圖5。
3機制砂混凝土存在的問題
（1）由于生產工藝上的缺陷，導致機制砂具有級配差、石粉
含量不穩定、亞甲藍值大等缺點，限制了其大規模應用。因此，
如何降低機制砂對混凝土性能的不利影響，是目前機制砂混凝
土可持續應用的關鍵問題。
（2）機制砂混凝土部分性能的劣化與機制砂特性具有直接
關系，機制砂中包含了骨料和接近于膠凝顆粒的微粉，而針對
不同機制砂顆粒特性及骨料與膠凝組分連續級配的配合比優
化設計仍顯不足。
4改進措施及結論
4.1改進措施
（1）針對機制砂顆粒特性的改善可從其傳統生產工藝上進行改良，如增加整形機優化機制砂粒形，采用高效氣體選砂機控制機制砂的微粉含量。
（2）機制砂的原料主要有礦山巖石、工業廢渣和尾礦，其產生的微粉大多為鈣質或硅質，若發揮微粉的化學作用，可采用堿激發材料促進微粉的反應，為水泥基體提供更多有利產物。
（3）生產工藝不同的機制砂的顆粒級配、粒徑分布存在差異，若要得到較優級配的機制砂，可采用不同工藝的機制砂進行復配使其達到連續級配，以改善混凝土工作性能。
（4）機制砂中的微粉能夠填充混凝土內部孔隙，增加密實程度，在配合比設計中應充分考慮微粉含量以保證混凝土的最佳密實結構，可將微粉作為膠凝組分，并考慮砂的粒徑分布，采用緊密堆積原理對膠砂體系進行配合比優化。
4.2結論
（1）機制砂的顆粒形狀主要表現為棱角鋒利、表面粗糙、圓度低，會導致混凝土用水量的增加，混凝土堆積密實度的降低。但其特有的顆粒特征能夠改善骨料與漿體間的粘結性能，提高混凝土的抗壓強度。
（2）亞甲藍值的增加對混凝土工作性能和力學性能具有不利影響，適量的微粉含量能夠改善混凝土性能，MBV小于7g/kg、微粉含量在15%～20%之間的機制砂混凝土具有較好的流動性和較高的抗壓強度。返回搜狐，查看更多
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