機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

（福建江夏學院工程學院，福建 福州 350108）

0 引言

隨著我國城市化進程的推進，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，其開發與售賣市場混亂，出現亂采、盜采現象，對耕地、防洪堤壩等造成嚴重影響。因此，多地政府陸續出臺了一系列河砂限采、禁采政策[1]。海砂因其較高的Cl-含量易引起結構中的鋼筋生銹，且淡化成本高、質量不易管控，使得海砂利用的推廣進程緩慢[2]。2019年11月，工信部等十部門聯合發布了《關于推進機制砂石行業高質量發展的若干意見》，大力推廣應用機制砂的合理生產與應用。因此，使用機制砂作為細骨料將會是建材市場較長一段時間內的主要選擇。

機制砂是由花崗巖、玄武巖、石灰巖等巖石經機械破碎、篩分而成的粒徑＜4.75mm的顆粒，棱角系數大，圓度系數小，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生不良影響，使得機制砂推廣應用多年卻成效不大。但機制砂及混凝土生產過程可控，可基于相關研究數據對生產過程進行優化管理，進而提高機制砂在混凝土中的服役性能。

因此，有必要對機制砂的顆粒特性進行科學表征，并系統研究其對機制砂混凝土的工作性能、力學性能、耐久性能的影響，為工程實踐提供可靠依據。

1 機制砂顆粒特性相關標準

20世紀以來，我國在國家層面陸續頒布了多部與建設用機制砂相關的標準。其中，使用較廣泛的有國家推薦性標準《建筑用砂》（GB/T 14684-2022）、住建部發布的《人工砂混凝土應用技術規程》（JGJ/T 241-2011）。

在地方層面，由于各省市環境特點與發展階段不同，對于機制砂相關標準的制定與使用存在先后之別。貴州省多山，機制砂是建設用細骨料最重要的來源，故貴州省是我國最早發布機制砂標準的地區，現行《貴州省高速公路機制砂高性能混凝土技術規程》（DBJ52/T 055-2015）；四川省現行《機制砂橋梁高性能混凝土技術規程》（DB51/T 1995-2015）；甘肅省現行《機制砂混凝土應用技術規程》（DB62/T 2917-2018）；江西省現行《工業與民用建筑機制砂生產與應用技術規程》（DB36/T 1152-2019）；福建省現行《公路工程混凝土機制砂應用技術規程》（DB35/T 1924-2020）；安徽省現行《機制砂應用技術規程》（DB34/T 3835-2021）。可見，從內陸到沿海，隨著河砂資源的逐步匱乏，機制砂應用的廣度在不斷推進。但是，多數地區的機制砂標準發布還局限于路橋行業，尚未專門針對工業與民用建筑建設用機制砂作出明確規定。這是由于結構混凝土對細骨料的品質有著更高的要求，機制砂本身的品質缺陷仍是限制其使用推廣的主要因素。

1.1 粒形

由于機制砂是由巖石或工業廢渣機械破碎而成，粒形受破碎工藝、管理水平等影響。與天然砂相比，機制砂未受到流水沖刷、風化等塑形作用，粒形不規則，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范，對機制砂特性的規定基本涉及的細度模數、級配、壓碎指標、表觀密度、含泥量等方面，均無法正面評價細骨料粒形特征。相關聯規范中，僅有《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）提及采用間隙率法、流動時間法間接評價細集料粒形；《公路機制砂高性能混凝土技術規程》（T/CECS G:K50-30-2018）中依據機制砂與球體的相似程度，將其分為高品質機制砂和普通機制砂。統觀國外規范，英國標準《Specification for Aggregates from Natural Sources for Concrete》（BS 882:1992）中將機制砂分為圓形、不規則形、角錐形、扁平形等；美國標準《Standard Specification for Concrete Aggregates》（ASTM C33/ C33M-18）中規定，避免過多的扁平和針狀顆粒。近年來，國內外學者提出了圓形度、圓形系數、輪廓因子、球形度、球形度比等指標來表示機制砂的粒形，但均未寫入規范。可見，目前國內外尚無評價細骨料粒形的統一指標。

1.2 顆粒級配

在機制砂顆粒級配方面，國內外不同地區的規范中存在區別。與我國國標《建筑用砂》（GB/T 14684-2022）對比，陜西省和江西省的規范將砂的最小粒度劃分到了0.075mm，甘肅省的規范新增9.5mm的最大方篩孔尺寸，并刪除了III區砂。各地市規范內容的差異可能與當地的材料特點相關。國外規范中，美國ASTM C33/C33M-18提高了通過0.075mm和9.5mm的累計篩余率，其中過0.075mm篩孔的累計篩余接近3%，通過9.5mm的顆粒接近5%[3]。另外，相較于我國規范中的三個級配區，美國僅規定了一個級配區，且級配范圍遠較我國界定的Ⅱ區級配范圍小，表明美國對機制砂顆粒級配的規定較我國相對嚴格。英國規范中規定，當篩孔尺寸為0.6mm時，通過率為25%～80%，與我國、日本等國家規范相比，范圍更加寬泛。在我國標準中，當篩孔尺寸為0.6mm時，通過率為30%～59%；而當篩孔尺寸為0.15mm時，通過率為6%～25%，下限值均高于其他國家，說明我國機制砂顆粒0.15mm～0.6mm的較少，其級配易出現兩頭大中間小現象。

2 機制砂粒形測定的相關研究

傳統的振篩法難以直觀表征細骨料的粒形參數，隨著科技的進步，近年來國內外學者采用了顯微鏡、數字圖像法等多種技術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和數字圖像處理技術測定了5種機制砂的粒形，并探討了不同粒形參數間的關聯性，結果表明：機制砂的棱角性與粒徑相關，縱橫比與凹凸度相關性強，但分形維數與細集料的圓度、縱橫比等參數不具相關性。陳思嘉[5]針對基于檢測算法的研究結果，開發了相應的檢測系統，實現了機制砂粒形特征的三維動態采集。林文華等[6]基于動態圖像法測量機制砂粒形參數，并通過軟測量模型算法實現機制砂生產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字圖像處理技術，提取機制砂顆粒的輪廓特征參數，并采用等效橢圓Feret短徑作為等效粒徑，對不同巖性的機制砂樣本進行重復試驗，其結果與國標中篩分法結果接近。同時，巖性對機制砂的粒形存在影響，花崗巖機制砂較圓滑，石灰石機制砂棱角性較明顯。曾曉輝等[8]采用體式顯微鏡采集了不同粒級機制砂的圖像，通過IPP軟件獲取機制砂的粒形參數，并計算得到分形維數。結果表明：機制砂的圓度、軸向系數和球度分別為0.834～0.857，不同粒級機制砂的粒形參數基本符合正態分布。G?ktep[9]通過測定不同砂樣的圓度、球度和粗糙度，發現砂樣的顆粒特征與相對密實度存在一定關系。可見，盡管國內外學者對樣本提取的粒形參數不盡相同，但數字圖像法等技術的進步，使定量測量細骨料的粒形特征成為可能，也為后續的性能研究提供可靠依托。

3 機制砂顆粒特性對水泥基材料基本性能的影響

機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性能產生影響。閆光明[10]等通過體式顯微鏡觀察了不同機制砂樣本的粒形特征，并配制混凝土。試驗結果表明：機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，但增強了界面粘結能力，明顯提高了混凝土的強度。顏從進[11]研究發現，與球形顆粒相比，棱角性明顯的機制砂顆粒將使其填充率降低，拌制混凝土時用水量增加，針片狀的顆粒易導致混凝土泌水，劣化其抗折強度和耐久性。邱洪強[12]研究發現，細骨料圓度和扁平比越大，混凝土的工作性能越差，但混凝土的力學性能與其呈正相關。即細骨料的顆粒形狀越不規則，混凝土強度越高，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制砂片狀顆粒，并配制砂漿，試驗表明：隨著片狀機制砂顆粒含量的增加，砂漿的孔隙率增大，有害孔增多，其工作性能與力學性能明顯下降，工程中應嚴格控制4.75～9.50mm粒級范圍內的片狀顆粒含量。

機制砂的顆粒級配影響拌合物的密實度，從而影響水泥基材料的性能。趙立等[14]在Ⅱ區級配的基礎上設計了7種機制砂級配，研究不同級配下機制砂的堆積性能、工作性能與力學性能，結果表明：機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，可優化堆積狀態，提高砂漿流動度與抗壓強度。王珩等[15]基于分形理論提出了機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的變化，試驗結果表明：機制砂級配、體積率、細度模數和石粉含量均直接影響砂漿流變性能，砂的分形合數與屈服應力呈指數關系。艾志勇等[16]對機制砂不同級配的研究表明，當1.18～4.75mm、0.3～1.18mm、0.075～0.3mm粒徑范圍內顆粒的質量比為7∶10∶3時，可用作進一步優化性能的參照。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[17]將原狀機制砂篩分成單粒級，重新調整級配并配制砂漿。研究發現，良好級配的機制砂所制成的膠砂抗折、抗壓強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，從而影響其力學性能。

4 機制砂顆粒特性對混凝土耐久性能的影響

機制砂的顆粒特性對混凝土內部結構存在影響，在服役周期內逐漸在宏觀上體現為耐久性能的變化。因此，國內外許多學者采取不同手段，考察機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制砂混凝土的抗Cl-滲透性能，并用SEM、壓汞法進行細觀結構觀測。試驗結果表明，機制砂混凝土的細觀結構密實，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+圖像處理”量化表征了粒徑大于2.36mm的機制砂顆粒的顆粒特性，并將其配制混凝土。試驗表明：在相同級配與石粉含量的情況下，機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]將機制砂粒形特征中的二維參數與三維參數按不同權重進行組合，計算出粒形綜合指數，較全面地反映了機制砂的粒形特點；以漿體包裹層厚度為媒介，考察機制砂顆粒特性與力學性能、耐久性之間的關系。試驗結果表明：粒形綜合指數越高，機制砂粒形越好，但干縮越大；機制砂的級配對砂漿的干縮影響不明顯，配制不同強度等級的混凝土，其優選級配不同。

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

5 結束語

綜上所述，機制砂作為天然砂的替代品，在工程中已逐步投入使用。本文基于相關學者的研究，系統總結了機制砂顆粒特性的測定與對混凝土力學性能、耐久性能的影響。

（1）機制砂棱角性明顯，級配易出現兩頭大中間小現象，與天然砂有異。通過數字圖像法等可有效測定機制砂的圓形度、輪廓因子、球形度等指標，以可靠表征機制砂粒形特征，但均尚未納入我國建設用砂相關標準，各層級標準亟待更新。

（2）機制砂多棱角性將劣化砂漿、混凝土的工作性能，且對其強度存在不同影響。機制砂粒形對混凝土抗滲性影響不明顯，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粒徑范圍內顆粒的影響較為顯著。優化機制砂級配可有效改善混凝土耐久性，但現有的累計篩余百分率控制方式無法表征機制砂級配的優劣及其變化趨勢。