機(jī)制砂顆粒特性對水泥基材料性能影響研究綜述

林雅瑩 王曉敏 林丹娜 魯偉悅

（福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，砂石作為混凝土的主要原料，其用量日趨增加。隨著河砂資源日漸枯竭，其開發(fā)與售賣市場混亂，出現(xiàn)亂采、盜采現(xiàn)象，對耕地、防洪堤壩等造成嚴(yán)重影響。因此，多地政府陸續(xù)出臺了一系列河砂限采、禁采政策[1]。海砂因其較高的Cl-含量易引起結(jié)構(gòu)中的鋼筋生銹，且淡化成本高、質(zhì)量不易管控，使得海砂利用的推廣進(jìn)程緩慢[2]。2019年11月，工信部等十部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)機(jī)制砂石行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干意見》，大力推廣應(yīng)用機(jī)制砂的合理生產(chǎn)與應(yīng)用。因此，使用機(jī)制砂作為細(xì)骨料將會是建材市場較長一段時(shí)間內(nèi)的主要選擇。

機(jī)制砂是由花崗巖、玄武巖、石灰?guī)r等巖石經(jīng)機(jī)械破碎、篩分而成的粒徑＜4.75mm的顆粒，棱角系數(shù)大，圓度系數(shù)小，級配不良，石粉含量高，與天然砂的顆粒特性存在較大差異，將對混凝土的基本性能與耐久性產(chǎn)生不良影響，使得機(jī)制砂推廣應(yīng)用多年卻成效不大。但機(jī)制砂及混凝土生產(chǎn)過程可控，可基于相關(guān)研究數(shù)據(jù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理，進(jìn)而提高機(jī)制砂在混凝土中的服役性能。

因此，有必要對機(jī)制砂的顆粒特性進(jìn)行科學(xué)表征，并系統(tǒng)研究其對機(jī)制砂混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能的影響，為工程實(shí)踐提供可靠依據(jù)。

1 機(jī)制砂顆粒特性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

20世紀(jì)以來，我國在國家層面陸續(xù)頒布了多部與建設(shè)用機(jī)制砂相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。其中，使用較廣泛的有國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)《建筑用砂》（GB/T 14684-2022）、住建部發(fā)布的《人工砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 241-2011）。

在地方層面，由于各省市環(huán)境特點(diǎn)與發(fā)展階段不同，對于機(jī)制砂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定與使用存在先后之別。貴州省多山，機(jī)制砂是建設(shè)用細(xì)骨料最重要的來源，故貴州省是我國最早發(fā)布機(jī)制砂標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)，現(xiàn)行《貴州省高速公路機(jī)制砂高性能混凝土技術(shù)規(guī)程》（DBJ52/T 055-2015）；四川省現(xiàn)行《機(jī)制砂橋梁高性能混凝土技術(shù)規(guī)程》（DB51/T 1995-2015）；甘肅省現(xiàn)行《機(jī)制砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DB62/T 2917-2018）；江西省現(xiàn)行《工業(yè)與民用建筑機(jī)制砂生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DB36/T 1152-2019）；福建省現(xiàn)行《公路工程混凝土機(jī)制砂應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DB35/T 1924-2020）；安徽省現(xiàn)行《機(jī)制砂應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DB34/T 3835-2021）?？梢姡瑥膬?nèi)陸到沿海，隨著河砂資源的逐步匱乏，機(jī)制砂應(yīng)用的廣度在不斷推進(jìn)。但是，多數(shù)地區(qū)的機(jī)制砂標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布還局限于路橋行業(yè)，尚未專門針對工業(yè)與民用建筑建設(shè)用機(jī)制砂作出明確規(guī)定。這是由于結(jié)構(gòu)混凝土對細(xì)骨料的品質(zhì)有著更高的要求，機(jī)制砂本身的品質(zhì)缺陷仍是限制其使用推廣的主要因素。

1.1 粒形

由于機(jī)制砂是由巖石或工業(yè)廢渣機(jī)械破碎而成，粒形受破碎工藝、管理水平等影響。與天然砂相比，機(jī)制砂未受到流水沖刷、風(fēng)化等塑形作用，粒形不規(guī)則，棱角性明顯，多有針片狀顆粒，石粉含量高，用于工程中將對砂漿、混凝土的各方面性能造成影響。但縱觀我國目前普遍使用的各層級規(guī)范，對機(jī)制砂特性的規(guī)定基本涉及的細(xì)度模數(shù)、級配、壓碎指標(biāo)、表觀密度、含泥量等方面，均無法正面評價(jià)細(xì)骨料粒形特征。相關(guān)聯(lián)規(guī)范中，僅有《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）提及采用間隙率法、流動時(shí)間法間接評價(jià)細(xì)集料粒形；《公路機(jī)制砂高性能混凝土技術(shù)規(guī)程》（T/CECS G:K50-30-2018）中依據(jù)機(jī)制砂與球體的相似程度，將其分為高品質(zhì)機(jī)制砂和普通機(jī)制砂。統(tǒng)觀國外規(guī)范，英國標(biāo)準(zhǔn)《Specification for Aggregates from Natural Sources for Concrete》（BS 882:1992）中將機(jī)制砂分為圓形、不規(guī)則形、角錐形、扁平形等；美國標(biāo)準(zhǔn)《Standard Specification for Concrete Aggregates》（ASTM C33/ C33M-18）中規(guī)定，避免過多的扁平和針狀顆粒。近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出了圓形度、圓形系數(shù)、輪廓因子、球形度、球形度比等指標(biāo)來表示機(jī)制砂的粒形，但均未寫入規(guī)范?？梢姡壳皣鴥?nèi)外尚無評價(jià)細(xì)骨料粒形的統(tǒng)一指標(biāo)。

1.2 顆粒級配

在機(jī)制砂顆粒級配方面，國內(nèi)外不同地區(qū)的規(guī)范中存在區(qū)別。與我國國標(biāo)《建筑用砂》（GB/T 14684-2022）對比，陜西省和江西省的規(guī)范將砂的最小粒度劃分到了0.075mm，甘肅省的規(guī)范新增9.5mm的最大方篩孔尺寸，并刪除了III區(qū)砂。各地市規(guī)范內(nèi)容的差異可能與當(dāng)?shù)氐牟牧咸攸c(diǎn)相關(guān)。國外規(guī)范中，美國ASTM C33/C33M-18提高了通過0.075mm和9.5mm的累計(jì)篩余率，其中過0.075mm篩孔的累計(jì)篩余接近3%，通過9.5mm的顆粒接近5%[3]。另外，相較于我國規(guī)范中的三個(gè)級配區(qū)，美國僅規(guī)定了一個(gè)級配區(qū)，且級配范圍遠(yuǎn)較我國界定的Ⅱ區(qū)級配范圍小，表明美國對機(jī)制砂顆粒級配的規(guī)定較我國相對嚴(yán)格。英國規(guī)范中規(guī)定，當(dāng)篩孔尺寸為0.6mm時(shí)，通過率為25%～80%，與我國、日本等國家規(guī)范相比，范圍更加寬泛。在我國標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)篩孔尺寸為0.6mm時(shí)，通過率為30%～59%；而當(dāng)篩孔尺寸為0.15mm時(shí)，通過率為6%～25%，下限值均高于其他國家，說明我國機(jī)制砂顆粒0.15mm～0.6mm的較少，其級配易出現(xiàn)兩頭大中間小現(xiàn)象。

2 機(jī)制砂粒形測定的相關(guān)研究

傳統(tǒng)的振篩法難以直觀表征細(xì)骨料的粒形參數(shù)，隨著科技的進(jìn)步，近年來國內(nèi)外學(xué)者采用了顯微鏡、數(shù)字圖像法等多種技術(shù)對砂的粒形特征展開研究。吳家樂等[4]采用集料圖像測量系統(tǒng)和數(shù)字圖像處理技術(shù)測定了5種機(jī)制砂的粒形，并探討了不同粒形參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)果表明：機(jī)制砂的棱角性與粒徑相關(guān)，縱橫比與凹凸度相關(guān)性強(qiáng)，但分形維數(shù)與細(xì)集料的圓度、縱橫比等參數(shù)不具相關(guān)性。陳思嘉[5]針對基于檢測算法的研究結(jié)果，開發(fā)了相應(yīng)的檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)制砂粒形特征的三維動態(tài)采集。林文華等[6]基于動態(tài)圖像法測量機(jī)制砂粒形參數(shù)，并通過軟測量模型算法實(shí)現(xiàn)機(jī)制砂生產(chǎn)線中在線檢測空隙率，有效提升混凝土性能。蔡園園等[7]同樣依托非接觸式數(shù)字圖像處理技術(shù)，提取機(jī)制砂顆粒的輪廓特征參數(shù)，并采用等效橢圓Feret短徑作為等效粒徑，對不同巖性的機(jī)制砂樣本進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，其結(jié)果與國標(biāo)中篩分法結(jié)果接近。同時(shí)，巖性對機(jī)制砂的粒形存在影響，花崗巖機(jī)制砂較圓滑，石灰石機(jī)制砂棱角性較明顯。曾曉輝等[8]采用體式顯微鏡采集了不同粒級機(jī)制砂的圖像，通過IPP軟件獲取機(jī)制砂的粒形參數(shù)，并計(jì)算得到分形維數(shù)。結(jié)果表明：機(jī)制砂的圓度、軸向系數(shù)和球度分別為0.834～0.857，不同粒級機(jī)制砂的粒形參數(shù)基本符合正態(tài)分布。G?ktep[9]通過測定不同砂樣的圓度、球度和粗糙度，發(fā)現(xiàn)砂樣的顆粒特征與相對密實(shí)度存在一定關(guān)系?？梢姡M管國內(nèi)外學(xué)者對樣本提取的粒形參數(shù)不盡相同，但數(shù)字圖像法等技術(shù)的進(jìn)步，使定量測量細(xì)骨料的粒形特征成為可能，也為后續(xù)的性能研究提供可靠依托。

3 機(jī)制砂顆粒特性對水泥基材料基本性能的影響

機(jī)制砂的粒形直接影響顆粒間的接觸摩擦力，因此將從不同層面上對水泥基材料的工作性能和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。閆光明[10]等通過體式顯微鏡觀察了不同機(jī)制砂樣本的粒形特征，并配制混凝土。試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)制砂表面粗糙多棱角，在新拌混凝土的流動過程中造成較大阻力，影響其工作性能，但增強(qiáng)了界面粘結(jié)能力，明顯提高了混凝土的強(qiáng)度。顏從進(jìn)[11]研究發(fā)現(xiàn)，與球形顆粒相比，棱角性明顯的機(jī)制砂顆粒將使其填充率降低，拌制混凝土?xí)r用水量增加，針片狀的顆粒易導(dǎo)致混凝土泌水，劣化其抗折強(qiáng)度和耐久性。邱洪強(qiáng)[12]研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)骨料圓度和扁平比越大，混凝土的工作性能越差，但混凝土的力學(xué)性能與其呈正相關(guān)。即細(xì)骨料的顆粒形狀越不規(guī)則，混凝土強(qiáng)度越高，抗變形能力越好。于本田等[13]通過條形孔篩分法獲得不同粒徑的機(jī)制砂片狀顆粒，并配制砂漿，試驗(yàn)表明：隨著片狀機(jī)制砂顆粒含量的增加，砂漿的孔隙率增大，有害孔增多，其工作性能與力學(xué)性能明顯下降，工程中應(yīng)嚴(yán)格控制4.75～9.50mm粒級范圍內(nèi)的片狀顆粒含量。

機(jī)制砂的顆粒級配影響拌合物的密實(shí)度，從而影響水泥基材料的性能。趙立等[14]在Ⅱ區(qū)級配的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了7種機(jī)制砂級配，研究不同級配下機(jī)制砂的堆積性能、工作性能與力學(xué)性能，結(jié)果表明：機(jī)制砂的單粒級顆粒堆積空隙率隨粒徑范圍的增大而降低；1.18～4.75mm粒徑范圍內(nèi)的顆粒對砂漿基本性能影響顯著，對提高該部分顆粒不利，可優(yōu)化堆積狀態(tài)，提高砂漿流動度與抗壓強(qiáng)度。王珩等[15]基于分形理論提出了機(jī)制砂顆粒級配的量化方法，并測定了不同顆粒級配下砂漿流變參數(shù)的變化，試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)制砂級配、體積率、細(xì)度模數(shù)和石粉含量均直接影響砂漿流變性能，砂的分形合數(shù)與屈服應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系。艾志勇等[16]對機(jī)制砂不同級配的研究表明，當(dāng)1.18～4.75mm、0.3～1.18mm、0.075～0.3mm粒徑范圍內(nèi)顆粒的質(zhì)量比為7∶10∶3時(shí)，可用作進(jìn)一步優(yōu)化性能的參照。雖然存在最佳的粒徑級配，但若在理論最大密實(shí)程度下，粒徑之間過大的摩擦反而會影響混凝土的工作性能。熊先達(dá)[17]將原狀機(jī)制砂篩分成單粒級，重新調(diào)整級配并配制砂漿。研究發(fā)現(xiàn)，良好級配的機(jī)制砂所制成的膠砂抗折、抗壓強(qiáng)度較天然膠砂提高約10%～40%，級配對混凝土的工作性能存在影響，從而影響其力學(xué)性能。

4 機(jī)制砂顆粒特性對混凝土耐久性能的影響

機(jī)制砂的顆粒特性對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在影響，在服役周期內(nèi)逐漸在宏觀上體現(xiàn)為耐久性能的變化。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者采取不同手段，考察機(jī)制砂顆粒特性對混凝土耐久性能的影響。

閆光明等采用RCM法和電通量法共同測定機(jī)制砂混凝土的抗Cl-滲透性能，并用SEM、壓汞法進(jìn)行細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)制砂混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)密實(shí)，孔隙率與平均孔徑均較天然砂混凝土有所下降，故而具備更好的抗氯離子滲透性。楊振國[18]采用“激光顯微系統(tǒng)+圖像處理”量化表征了粒徑大于2.36mm的機(jī)制砂顆粒的顆粒特性，并將其配制混凝土。試驗(yàn)表明：在相同級配與石粉含量的情況下，機(jī)制砂粒形對混凝土抗Cl-滲透性能和后期收縮性能無明顯影響，但不規(guī)則形狀的顆粒可改善混凝土的抗凍性與早期抗收縮性能。謝華兵[19]將機(jī)制砂粒形特征中的二維參數(shù)與三維參數(shù)按不同權(quán)重進(jìn)行組合，計(jì)算出粒形綜合指數(shù)，較全面地反映了機(jī)制砂的粒形特點(diǎn)；以漿體包裹層厚度為媒介，考察機(jī)制砂顆粒特性與力學(xué)性能、耐久性之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：粒形綜合指數(shù)越高，機(jī)制砂粒形越好，但干縮越大；機(jī)制砂的級配對砂漿的干縮影響不明顯，配制不同強(qiáng)度等級的混凝土，其優(yōu)選級配不同。

在機(jī)制砂級配方面的相關(guān)研究成果較豐富。熊先達(dá)的研究表明，機(jī)制砂級配不良將使混凝土內(nèi)部孔隙率增大，Cl-傳輸通道連通，使得混凝土耐久性下降。杜雪劍[20]選取6種機(jī)制砂分別設(shè)計(jì)10種級配，并配制砂漿，考察機(jī)制砂級配對砂漿基本性能與耐久性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，砂漿的流動性與級配的總比表面積呈負(fù)相關(guān)，力學(xué)性能與機(jī)制砂的堆積空隙率相關(guān)，但機(jī)制砂級配的變化對砂漿抗?jié)B性與干縮無明顯影響。Kandasamy[21]等人的研究指出，機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能、抗Cl-滲透性能均不同程度高于河砂混凝土，適合在工程中應(yīng)用。劉通[22]研究了機(jī)制砂顆粒級配對混凝土工作性能、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗Cl-滲透性能和微觀孔結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明：機(jī)制砂顆粒級配對混凝土性能影響較大，現(xiàn)有的累計(jì)篩余百分率控制方式無法表征機(jī)制砂級配的優(yōu)劣及其變化趨勢。

5 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)制砂作為天然砂的替代品，在工程中已逐步投入使用。本文基于相關(guān)學(xué)者的研究，系統(tǒng)總結(jié)了機(jī)制砂顆粒特性的測定與對混凝土力學(xué)性能、耐久性能的影響。

（1）機(jī)制砂棱角性明顯，級配易出現(xiàn)兩頭大中間小現(xiàn)象，與天然砂有異。通過數(shù)字圖像法等可有效測定機(jī)制砂的圓形度、輪廓因子、球形度等指標(biāo)，以可靠表征機(jī)制砂粒形特征，但均尚未納入我國建設(shè)用砂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，各層級標(biāo)準(zhǔn)亟待更新。

（2）機(jī)制砂多棱角性將劣化砂漿、混凝土的工作性能，且對其強(qiáng)度存在不同影響。機(jī)制砂粒形對混凝土抗?jié)B性影響不明顯，但將顯著影響其干縮性能。

（3）不同粒徑范圍的機(jī)制砂顆粒對混凝土基本性能的影響不同，1.18～4.75mm粒徑范圍內(nèi)顆粒的影響較為顯著。優(yōu)化機(jī)制砂級配可有效改善混凝土耐久性，但現(xiàn)有的累計(jì)篩余百分率控制方式無法表征機(jī)制砂級配的優(yōu)劣及其變化趨勢。