（材料学专业论文）机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 随着基础设施建设的快速发展和环境保护的加强，天然砂资源越来越匮乏， 使用机制砂已成为必然趋势。但机制砂在粒形、级配、表面质构以及0 0 7 5 r a m 以下颗粒含量等方面与天然砂存在显著差异。因此，开展机制砂的上述特性对 混凝土性能的影响及作用机理研究具有重要的实用价值和理论意义。 首先研究了石英岩、片麻岩、花岗岩、玄武岩、石灰岩、大理岩等六种具 有代表性岩性的石粉对化学外加剂作用效果的影响及对混凝土性能的影响。结 果显示，石粉岩性的变化对化学外加剂特别是聚羧酸系减水剂的选择适应性表 现显著，而石粉岩性对矿物掺和料的作用效果没有显著影响；石粉岩性变化对 混凝土工作性、强度与体积稳定性略有影响，但影响差异并不显著，而石粉岩 性变化对混凝土耐久性基本没有影响。 其后，以石灰岩石粉为研究对象，研究了机制砂中石粉含量对混凝土性能 的影响。结果显示，适量的石粉可以起到完善机制砂的级配、增加浆体数量和 填充颗粒空隙的作用，改善机制砂混凝土的工作性，提高机制砂混凝土的强度， 但对于不同强度等级混凝土而言，机制砂中石粉的最佳含量不同。同时，适量 的石粉有利于机制砂混凝土抗氯离子渗透、抗冻融、抗硫酸盐侵蚀和抗磨等耐 久性能的提高，但机制砂中石粉含量超过7 1 0 不利于混凝土塑性收缩与干燥 收缩的控制。综合研究成果提出，可将国标建筑用砂中机制砂中石粉含量 限值适当放宽到5 ，7 ，1 0 ，甚至更高。 接着，研究了机制砂的粒形、级配、压碎值等机制砂特性指数对混凝土性 能的影响。研究发现，受机制砂级配与石粉含量的影响，常规测试机制砂粗糙 度的试验方法不能准确反映出机制砂的颗粒形貌特征。研究还发现，机制砂的 多棱角的特性，一方面增加了混凝土的屈服应力而降低了混凝土的工作性，另 一方面则有利于提高混凝土的强度与体积稳定性，但机制砂的压碎值与混凝土 强度之间没有明显的相关性。通过砂浆流变性试验发现，适当提高机制砂中 o 1 5 0 3 m m 与0 3 - , - 0 6 m m 的颗粒更有利于提高机制砂混凝土的工作性。 还采用外加泥粉的方式研究了机制砂m b 值变化对混凝土性能的影响。研 究结果证实了机制砂m b 值与机制砂岩性和石粉含量无关，而与泥粉含量成正 武汉理工大学博士学位论文 比，同时还发现机制砂m b 值也受泥粉液限指数的影响。机制砂m b 值的提高， 增加了混凝土的塑性粘度，增大了对化学外加剂特别是对聚羧酸系减水剂的吸 附，对混凝土的工作性与体积稳定性劣化最为显著，但对于机制砂混凝土力学 性能与耐久性的影响规律则与混凝土的强度等级有关，对于低强度等级混凝土 而言，适当的m b 值有利于机制砂混凝土强度与耐久性的提高，但对于高强度 等级混凝土而言，m b 值的提高则会导致机制砂混凝土强度与耐久性的劣化。 最后，论文还采用x r d 、s e m 、m i p 以及微区硬度、水化微量热等微观测 试方法，研究了石粉对水泥水化的促进作用以及对混凝土孔隙填充作用的机制。 研究发现，石粉具有晶核效应，且石粉中的c a c 0 3 微粒参与了c 3 a 的水化反应， 从而促进了水泥初期水化放热，石粉中碳酸盐矿物颗粒含量越高，对水化促进 越显著。机制砂中适量的石粉使混凝土过渡区密实化，改善硬化混凝土的孔结 构，从而增强混凝土的性能，但当石粉含量过高时，水泥石中或界面过渡区出 现游离态的石粉，则将不利于集料与水泥石的粘结，降低混凝土性能。 关键词：机制砂，混凝土，性能，石粉，m b 值 n 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o na n di n c r e a s i n g a t t e n t i o nb e i n gp a i dt oe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，t h e r ei sal a c ko ft h en a t u r a ls a n d u s e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t sf o re n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n ，s o t h eu s eo f m a n u f a c t u r e ds a n d ( m s ) t op r e p a r ec o n c r e t eh a sb e c o m eat r e n d h o w e v e r , c o m p a r e d 埘t 1 1n a t u r a ls a n d ，m a n u f a c t u r e ds a n dh a sr e m a r k a b l ed i f f e r e n c e so ni t s s h a p e ， g r a d a t i o n ，s u r f a c et e x t u r ea n dt h ec o n t e n to fp a r t i c l e sw h o s es i z ei sl e s st h a n 0 0 7 5 m m t h e r e f o r e ，i th a sap r a c t i c a la n dt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c et or e s e a r c ht h e i n f l u e n c eo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c so fm a n u f a c t u r e ds a n do np e r f o r m a n c e so fp o r t l a n d c e m e n tc o n c r e t ea n di t sm e c h a n i s m f i r s t l y , t h ei n f l u e n c eo fs i xs t o n ed u s t s 、加t hr e p r e s e n t a t i v el i t h o l o g i cc h a r a c t e r s o nt h ea c t i o ne f f e c to fc h e m i c a la d m i x t u r e sa n dt h ec o n c r e t ep e r f o r m a n c e sw e r e r e s e a r c h e d ，w h i c hi n c l u d eq u a r t z i t e ，g n e i s s ，g r a n i t e ，b a s a l t ，l i m e s t o n ea n dm a r b l e t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec h a n g eo fl i t h o l o g i cc h a r a c t e r so fs t o n ed u s th a da l lo b v i o u s e f f e c to nt h ea d a p t a t i o no fc h e m i c a la d m i x t u r e s ，e s p e c i a l l yt h e p o l y c a r b o x y l a t e s u p e r p l a s t i c i z e r , w h i l eh a dn os i g n i f i c a n te f f e c to nt h ea c t i o no fm i n e r a la d m i x t u r e s t h ec h a n g eo fl i t h o l o g i cc h a r a c t e r so fs t o n ed u s th a das l i g h ti n f l u e n c eo nc o n c r e t e w o r k a b i l i t y , s f f e n g t ha n dv o l u m es t a b i l i t y , a n dh a dl i t t l ee f f e c to nt h ed u r a b i l i t yo fm s c o n c r e t e s e c o n d l y , t h ee f f e c to fl i m e s t o n ed u s tc o n t e n ti nt h em a n u f a c t u r e ds a n do n c o n c r e t ep r o p e r t i e sw a ss t u d i e d n l er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p e ra m o u n to fs t o n e d u s tc o u l di m p r o v et h eg r a d a t i o no fm s ，i n c r e a s et h ep a s t ev o l u m ea n df i l lt h ev o i d a m o n gp a r t i c l e s ，w h i c hc o u l di m p r o v et h ew o r k a b i l i t ya n ds t r e n g t ho fm sc o n c r e t e h o w e v e r ，t h eo p t i m u mc o n t e n to fs t o n ed u s ti nm sw a sd i f f e r e n tf o rm sc o n c r e t e so f d i f f e r e n ts 仃e n g t hg r a d e n l ep r o p e ra m o u n to fs t o n ed u s tc o u l di m p r o v et h e d u r a b i l i t yo fc o n c r e t e ，i n c l u d i n gt h er e s i s t a n c et oc h l o r i d ei o np e r m e a t i o n ，t h ef r o s t r e s i s t a n c e ，t h es u l f a t er e s i s t a n c ea n da b r a s i o nr e s i s t a n c e b u ti tw a sh a r m f u lt oc o n t r o l t h ed r y i n ga n dp l a s t i cs h r i n k a g et h a tt h es t o n ed u s tc o n t e n tw a sm o r et h a n7 10 s o i ti sp r o v i d e dt h a tt h el i m i t e dv a l u eo fs t o n ed u s ti nm si nt h en a t i o n a ls t a n d a r d “s a n df o rb u i l d i n g ”c a nb er a i s e dt o5 ，7 ，a n d10 o re v e nh i g h e r t h i r d l y , t h ee f f e c to fc h a r a c t e r i s t i ci n d e x so fm s o nt h ec o n c r e t ep e r f o r m a n c e 1 1 i 武汉理工大学博士学位论文 w a ss t u d i e d ，s u c ha sp a r t i c l es h a p e ，g r a d u a t i o n , c r u s h i n gv a l u e ，e ta 1 i tw a sf o u n dt h a t t h er o u t i n et e s tm e t h o do ft h es a n dr o u g h n e s sc o u l dn o tr e f l e c tt h ep a r t i c l es h a p eo f m sa c c u r a t e l yi n f l u e n c e db yi t sg r a d u a t i o na n ds t o n ed u s tc o n t e n t i tw a sa l s of o u n d t h a tt h ea n g u l a rm sc o u l dr e d u c et h ew o r k a b i l i t yo fm sc o n c r e t ed u et ot h ei n c r e a s e o fy i e l ds t r e s s ，a n di m p r o v ei t ss t r e n g t ha n dv o l u m e t r i cs t a b i l i t y h o w e v e r ，t h e r ei sn o o b v i o u sc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es t r e n g t ho fm sc o n c r e t ea n di t sc r u s h i n gv a l u e t h e m o r t a rr h e o l o g i c a lt e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p e ri n c r e a s eo fp a r t i c l ec o n t e n to f 0 15 - - 0 3 m ma n do 3 0 6 m mw a sh e l p f u lt oi m p r o v et h ew o r k a b i l i t yo fm sc o n c r e t e f o u r t h l y , i n f l u e n c eo ft h ec h a n g eo fm sm bv a l u eo nt h ec o n c r e t ep r o p e r t i e s w a ss t u d i e db ya d d i n gc l a yp o w d e ri n t om s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm bv a l u eh a d n oc o r r e l a t i o n 州t 1 1t h el i t h o l o g i cc h a r a c t e ra n ds t o n ed u s tc o n t e n to fm s ，w h i l ew a s i nd i r e c tp r o p o r t i o nt oc l a yp o w d e rc o n t e n t i tw a sa l s of o u n dt h a tm bv a l u ew a s i n f l u e n c e db yl i q u i dl i m i ti n d e xo fc l a yp o w d e r w i t l lt h ei n c r e a s eo fm sm bv a l u e ， t h ep l a s t i cv i s c o s i t yo fc o n c r e t ea n di t sa d s o r p t i o no ft h ec h e m i c a la d m i x t u r e s ， e s p e c i a l l yp o l y c a r b o x y l a t es u p e r p l a s t i c i z e r , w e r ei n c r e a s e d d u et ot h ei n c r e a s eo f m sm bv a l u e ，t h ew o r k a b i l i t ya n dv o l u m e t r i c s t a b i l i t yo fm sc o n c r e t ew a s d e t e r i o r a t e ds i g n i f i c a n t l y b u tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd u r a b i l i t yo fm s c o n c r e t ew e r ea l s oi n f l u e n c e db yi t ss t r e n g t hg r a d e t h ep r o p e rm bv a l u ec o u l d i m p r o v et h es t r e n g t ha n dd u r a b i l i t yo fm sc o n c r e t ef o rl o w - s f f e n g t hc o n c r e t e ，w h i l e f o rh i g h s t r e n g t hc o n c r e t e ，t h ei n c r e a s eo fm bv a l u ec o u l dl e a dt ot h ed e t e r i o r a t i o no f s t r e n g t ha n dd u r a b i l i t yo fm sc o n c r e t e f i n a l l y , t h ep r o m o t i o no fs t o n er u s to nc e m e n th y d r a t i o na n d i t sf i l l i n ge f f e c to n c o n c r e t ev o i dw e r es t u d i e d b yu s i n gx r d ，s e m ，m 1 p , m i c r o h a r d n e s s ， m i c r o - c a l o r i m e t e r , e ta 1 t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts t o n ed u s th a dc r y s t a le f f e c t ，a n di t s c a c 0 3p a r t i c u l a t ep a r t i c i p a t e st h eh y d r a t i o no fc 3 a ，p r o m o t i n gt h ee a r l yh y d r a t i o no f c e m e n t w i t ht h eh i g h e rc a c 0 3c o n t e n ti ns t o n ed u s t ，t h eh y d r a t i o np r o m o t i o nc o u l d b em o r en o t a b l e p r o p e ra m o u n to fs t o n ed u s ti nm sd e n s i f i e dt h ei n t e r f a c i a l t r a n s i t i o nz o n e ( i t z ) a n di m p r o v e dp o r es t r u c t u r eo fm sc o n c r e t e ，w h i c he n h a n c e d t h ep r o p e r t i e so fm sc o n c r e t e h o w e v e r , i ft h eq u a n t i t yo fs t o n ed u s tw a st o oh i g h , t h ef r e es t o n ed u s tc o u l de x i s ti ni t z w h i c hw a sh a r m f u lt ot h eb o n db e t w e e n a g g r e g a t e a n dh a r d e n e dc e m e n tp a s t e ，a n dd e c r e a s e dt h ep e r f o r m a n c eo fm s c o n c r e t e k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r e ds a n d ；c o n c r e t e ；p r o p e r t y ；s t o n ed u s t ；m e t h y l e n eb l u e ( m b ) v a l u e i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：导师签名：日期： 武汉理工大学博士学位论文 1 1 研究背景和意义 1 1 1 天然砂资源匮乏 第1 章绪论 目前，我国多数地区应用的是天然砂，而天然砂是一种地方性资源，短期 内不可再生，也不利于长距离运输。随着我国基础设施建设的日益发展，我国 不少地区天然砂资源逐步短缺，甚至出现无砂可用的状况，混凝土用砂供需矛 盾尤为突出。 由于砂资源短缺，价格上涨，在经济利益的驱使下，我国很多地区都出现 了乱采、乱挖天然砂的现象，特别在前几年，毁田挖砂，破坏河道挖砂的情况 时有发生，不但破坏了有限的耕地、防洪堤坝，并由此引发了不少工程事故。 另外，由于天然砂的无序生产，在生产、贮存和运输过程中还造成了对空气和 环境的污染，为此国务院和各地人民政府相继采取了一系列控制措施和出台了 禁采或限采天然砂的规定。例如，从2 0 0 2 年开始，整个长江采砂量控制在每年 5 0 0 0 万t 。这就要求寻找新的砂源来弥补天然砂的短缺。 由于天然砂资源逐渐短缺、价格上涨，以及山区交通不便，公路建设材料 运输困难，同时出于环境保护的需要，应用机制砂替代天然砂已势在必行。 1 1 2 现行标准的制约 2 0 0 2 年发布实施的新标准建筑用砂( g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) ，首次明确规定 了机制砂的技术要求，这对推动和规范机制砂混凝土的应用，具有极其重要的 意义。但该标准对石粉含量的限值规定( 小于c 3 0 、c 3 0 - - c 6 0 、大于c 6 0 的混凝 土用机制砂中的石粉含量限值分别为7 、5 、3 ) 过于严格，限制了机制砂 及机制砂混凝土的应用。这主要体现在以下几个方面： 1 1 2 1 增加了机制砂的生产难度，提高了机制砂的生产成本 从国内外机制砂生产的大致情况来看，经破碎生产的机制砂一般含1 0 - - - 2 0 的石粉，而要使机制砂中石粉含量达到3 、5 、7 以下，则生产生产过程中 武汉理工大学博士学位论文 控制的石粉含量指标应为：l 、3 、5 。也就是说，要将机制砂中石粉几乎 洗净，这无疑增加了机制砂生产难度，提高了机制砂生产成本。如果c 3 0 以下 的混凝土用机制砂，石粉含量可放宽到1 0 1 5 ，那对机制砂进行简单风选除尘 就可生产出满足要求的机制砂。值得指出的是工程中c 3 0 以下的混凝土，约占 混凝土总用量的7 0 。 1 1 2 2 浪费了大量资源，污染了环境 目前，常用的机制砂除粉工艺是采用水洗，耗水量大约2 - 4 m 3 立方砂，而 洗去的粉体材料，一般约占1 0 - 2 0 ，这不仅浪费了宝贵的矿产资源和水资源， 而且石粉副产品的大量堆积，排出的污水，经沉淀后形成的泥浆量大且难以处 置，无论是排还是放，都将对环境产生严重的污染。 1 1 2 3 破坏了机制砂的自然级配，配制的混凝土和易性差 机制砂颗粒表面粗糙、尖锐多棱角，细度模数大，级配不良，堆积空隙率 高，决定了配制出的混凝土需水量大、强度低、外观质量不好等一系列问题， 从而使用机制砂配制的混凝土和易性差，易于离析泌水，成型的构造物表观质 量不好。这对水泥用量少的c 3 0 以下混凝土表现尤为明显，这势必要提高水泥 用量。值得指出的是，在洗砂除粉过程中，不仅是洗去了石粉，而且o 1 5 m m 、 0 3 m m 、0 6 m m 甚至更大的颗粒也大量流失，从而更进一步破坏了机制砂的自然 级配，不利于达到集料的最大堆积密度，使上述现象变得更加严重。因此，国 标对机制砂中石粉含量的限制，客观上加剧了人们对石粉在机制砂混凝土中作 用的误解，制约了机制砂的应用和石粉的利用。如果允许放宽对石粉含量的限 制，较多的石粉可以填充机制砂颗粒之间的空隙，完善混凝土细骨料的级配， 并起一定的润滑作用，对改善机制砂混凝土的工作性，提高混凝土密实性都有 益处。这样不仅可以合理利用石粉资源，而且还可节约水泥用量，改善混凝土 的性能。 1 1 3 机制砂特性与机制砂混凝土性能的理论研究欠系统 我国公路桥涵施工技术规范( j t j 0 4 1 2 0 0 0 ) 中已明确规定：“在河砂不 易得到时，也可用山砂或用硬质岩加工的机制砂”，但是在实际工程中，特别是 在重大的桥梁工程中，仍然存在不敢使用机制砂混凝土的情况。其主要是由于 机制砂特性与机制砂混凝土性能的理论研究不系统，且研究结果存在争议。主 2 武汉理工大学博士学位论文 要表现在以下几个方面： 1 1 3 1 研究多局限于石灰岩机制砂，鲜见对其它岩性机制砂的研究 目前，国内外对机制砂的研究多局限于对石灰岩机制砂的研究，对于其它 岩性机制砂的研究则鲜见报道。但我国幅员辽阔，各种岩性岩石分布广泛，而 机制砂生产多为因地制宜，这也就导致了有些地区必须使用石灰岩以外的其它 岩性机制砂。但由于对其它岩性机制砂及机制砂混凝土认识不够，尤其是对其 它岩性机制砂混凝土的长期体积稳定性及耐久性心存疑虑，导致其它岩性机制 砂的应用和质量控制等方面存在欠缺。 1 1 3 2 机制砂中石粉含量的限值及对混凝土性能的影响存在争议 目前，各国标准对机制砂中石粉含量最高限值存在较大差异，有的国家最 高限值高达2 0 ，而我国则非常严格，即依据混凝土的强度等级限定为7 ，5 ， 3 ，但制订者未给出相应的理论依据。同时，石粉含量对机制砂混凝土性能影 响的研究成果也不尽相同，例如，石粉含量对混凝土体积稳定性的影响，有研 究认为，石粉含量大幅增加，导致混凝土收缩迅速增大，而也有研究表明，石 粉含量达到某一临界值时，石粉的增加将降低混凝土的收缩。 1 1 3 3 高石粉含量机制砂对混凝土长期耐久性影响研究不够深入 目前对于机制砂及石粉对混凝土性能影响的研究多集中于对混凝土工作性 和强度的影响，而对机制砂混凝土长期耐久性的研究还不够深入，尤其是高石 粉含量机制砂混凝土的耐久性。由于石粉不同于活性矿物掺和料，石粉虽然具 有微弱的化学活性，但其在混凝土中更多的体现为一种惰性填充料的作用，所 以当石粉大量存在于混凝土时，其是否会对混凝土长期耐久性带来负面影响， 需要进一步深入研究。 1 1 3 4 机制砂m b 值对混凝土性能影响的研究鲜见报道 国标g b t1 4 6 8 4 2 0 0 1 建筑用砂规定混凝土用机制砂需用亚甲蓝方法检 测机制砂中泥粉的含量，要求机制砂的m b 值小于1 4 ，当m b 值大于或等于1 4 时，要求用于配制高强混凝土的机制砂石粉含量限值更加严格。国标虽对混凝 土用机制砂的m b 及在高m b 值下石粉含量制定了严格的规定，但未给出详细 解释及理论依据。因此，从理论与实践的角度解释机制砂m b 值以及在高m b 值条件下石粉限值的合理性，是十分必要的。 3 武汉理工大学博士学位论文 1 1 3 5 没有形成专门的机制砂混凝土配制技术 关于机制砂混凝土的配制，目前基本沿袭天然砂混凝土配制方法，而忽视 了机制砂与机制砂混凝土的特性，从而使工程技术人员难以掌握。 1 1 4 现代建筑对高性能混凝土的需求 社会的可持续性发展已经日益受到重视。就土木工程领域而言，可持续发 展除了要求对环境加以有效保护，对资源加以合理利用，还要求各种结构经久 耐用，延长循环使用的周期。在这种背景下，高性能混凝土应运而生。高性能 混凝土除要求混凝土具有足够的强度和其它力学性能之外，还要求新拌混凝土 具有良好的施工性能以及优异的耐久性能。因此，研究机制砂对混凝土性能的 影响对社会经济的可持续发展具有重要意义。 1 1 5 研究的意义 鉴于上述原因，开展机制砂特性对混凝土性能的影响及作用机理的研究， 以解决机制砂混凝土应用中存在的关键技术问题，为机制砂及机制砂混凝土的 应用提供技术支撑具有重要的实用价值和理论意义。研究成果对解决天然砂匮 乏地区配制混凝土的砂源问题，提高我国机制砂混凝土应用水平，支持我国基 本建设持续发展，保护生态环境具有重要的意义。 1 2 机制砂及机制砂混凝土国内外研究现状 机制砂在粒形、级配与0 0 7 5 m m 以下颗粒含量等方面与天然砂存在显著的 差异，因此也导致了其对混凝土性能影响也与天然砂存在巨大差异，针对机制 砂的特性对混凝土性能的影响，国内外学者进行了大量的研究。 1 2 1 机制砂的特性 新国家标准g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 建筑用砂把由经除土处理的机制砂和混合 砂都称人工砂( 译为m a n u f a c t u r e ds a n d ) ，执行人工砂的技术要求和检验方法。 其中，机制砂( 译为m a c h i n e m a d es a n d 或a r t i f i c i a ls 锄d ) 定义为“由机械破碎、筛 分制成的，粒径小于4 7 5 m m 的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒”， 4 武汉理工大学博士学位论文 混合砂定义为“由机制砂和天然砂混合制成的砂”。由机械破碎、筛分特点决定， 机制砂的基本特性如下： ( 1 ) 生产特点：机制砂是利用当地材料或生产粗骨料的剩余料，用专门的 制砂机生产，如用棒磨机制砂，可以通过进料量、料浆浓度、进料粒径、装棒 量、棒的级配等参数的调整，按工程的需要，人为地较稳定地控制机制砂的质 量，即机制砂的细度模数、粒形和级配，都是可以调整和改进的，在这一点上， 机制砂与天然砂有着本质的区别。但由于全国各地机制砂的生产矿源的不同、 生产加工机制砂的设备和工艺不同，生产出机制砂粒形和级配会有很大的区别【2 3 1 o ( 2 ) 外观特征：天然砂外观多呈黄色，含泥量高也不容易看出，而机制砂 多数呈灰白色或黑色、颗粒尖锐，1 0 左右石粉含量干法生产的机制砂看上去就 像完全是石粉一样，使人心生疑虑，不敢使用【4 】。 ( 3 ) 石粉含量：机制砂在生产过程中，不可避免地要产生一定量的石粉这 是正常的，也是机制砂与天然砂最明显的区别之一1 5 j 。石粉的具体定义是加工前 经除土处理，加工后形成的粒径小于7 5 p m ，其矿物组成和化学成分与被加工母 岩完全相同。虽同是粒径小于7 5 1 m a 的颗粒，但石粉与天然砂中的泥成分不同， 粒径分布不同，在使用中的作用也不同1 6 1 。天然砂中的泥对混凝土是有害的，必 须严格控制其含量。而机制砂中适量的石粉对混凝土是有益的，有适量石粉的 存在，弥补了机制砂配制混凝土和易性差的缺陷 7 1 。同时，它的掺入对完善混凝 土特细骨料的级配( 在这一点上，天然砂由于其生成形式的限制，其特细级配部 分是不完善的) ，提高混凝土密实性都有益处，进而起到提高混凝土综合性能的 作用8 l o 】o ( 4 ) 粗细程度：机制砂目前基本为中粗砂，细度模数一般在3 啦3 7 范围。 细度模数太大，则粗颗粒太多， 3 0 0 9 r a 颗粒太少，级配不合理，混凝土和易 性变差。细度模数太小，贝j j 2 3 6 m m 和 o 6 0 ) 时，天然砂和固定石粉含量的机制砂相比而言，在获得相同坍落度 时，采用天然砂配制混凝土的水灰比较机制砂的大。c t a h i r l 6 8 j 认为，在其它条 件相同时，随石粉含量的增加，混凝土坍落度下降。a h n 6 9 】指出：一般研究者认 为增加石粉会增加需水量，但石粉在填充骨料空隙的情况下，就不会增大需水 量。a ks a h u t 7 0 1 等人通过机制砂部分取代河砂配制混合砂混凝土的试验研究得 出：( 1 ) 机制砂部分取代河砂在没有外加剂时，混合砂混凝土的工作性变差。( 2 ) 随高效外加剂掺量的增加，混合砂混凝土工作性逐步改善。 因此，对于混凝土工作性而言，石粉的最佳含量可能取决于机制砂的级配 及总的胶凝材料用量。 ( 2 ) 机制砂中石粉对混凝土力学性能的影响 大量的研究表明，机制砂比河砂混凝土的强度高，即使机制砂部分取代河 砂，其强度规律也是如此。而石粉含量的变化对机制砂混凝土强度的影响情况 则比较复杂。 d u k a t z 和m a r e k t7 1 j 的研究表明，在相同水灰比时采用石粉含量为7 的机制 砂拌制的混凝土的抗压强度要优于天然砂的。m a l h o t r a 和c a r e t t e 7 2 j 研究了水灰 比为0 7 的混凝土，发现随着石粉含量的增加，混凝土在各龄期的抗压强度要优 于对比样的。a h m e d 7 3 j 在固定坍落度时研究了石粉含量介于10 2 0 的机制砂 对混凝土抗压强度的影响，发现随石粉含量的增加，混凝土的强度呈线性下降， 这是由于为了获得相同坍落度需水量增加的结果；相反，在固定水灰比为0 7 时， 石粉含量从o 增加到2 0 ，抗压强度呈增加的趋势。水灰比为0 5 3 时，抗压强 度对石粉含量的变化不敏感；对于以o 4 0 水灰比配制的混凝土，石粉含量1 0 时强度上升到最高，之后强度随石粉含量增加而降低，石粉含量2 0 时降到与 天然砂混凝土相同。 r a m i r e z 7 4 】研究了不掺外加剂粗骨料中含有石粉的混凝土比不含石粉的混 凝土强度要高，m o h 锄e d 研究了掺加外加剂的情况也是如此。c t a h i r l 6 8 】的研 究结果表明：当机制砂中石粉含量小于某个值时，石粉含量不足以填充水泥石 与骨料之间的空隙，所以强度没有临界值高；当石粉含量大于临界值时，随石 粉含量增加，骨料总表面积增大，水泥浆不足以包括所有骨料表面并填充骨料 1 2 武汉理工大学博士学位论文 间，所以强度开始下降。 李兴贵【1 5 】认为，当石粉( 指 0 1 6 m m 的颗粒) 含量增大到2 1 以上时，由 于石粉含量太高，颗粒级配不合理，使混凝土密实性降低，工作性变差；粗颗 粒偏少，减弱了骨架作用；非活性石粉不具有水化及胶结作用，在水泥含量不 变时，过多的石粉使水泥浆和混凝土的强度降低。吴明威【6 2 j 等人的研究结果表 明：石粉( 机制砂中小于o 0 8 m m 的颗粒) 含量在1 0 以内，随石粉含量的增加， 其3 天、2 8 天的抗折、抗压强度均增大。安文汉【7 6 j 等认为就强度而言石粉的最 佳含量为5 ，而机制砂增强混凝土的主要原因是由于石粉的存在可以较明显改 善混凝土的孔隙特征，改善浆集料界面结构，并且混凝土晶相有不同程度的改 变。 b o n a v e t t i 3 4 】等人研究结果表明，在很低水灰比的水泥浆中，水化程度随石 灰石填充料含量增加而增加；而高水灰比水泥浆中，水化产物体积随着石灰石 填充料含量的增加而增加。 地1 1 6 9 】通过试验证明石粉含量增加到1 0 ，混凝土2 8 天抗折强度也增加 1 0 ；石粉含量增加到3 0 ，混凝土抗折强度反而下降了l o ；随石粉含量1 3 、 1 7 、2 0 增大，机制砂混凝土的抗压强度降低，但抗折强度却随石粉含量的增 加而提高，可能是石粉提高了混凝土的抗折能量，抗压强度下降主要是在坍落 度不变的情况下，石粉含量多，其需水量大，在达到相同坍落度时的水胶比较 大，因此抗压强度下降。c e l i k 和m a r a r l 6 6 1 研究了石粉含量对机制砂混凝土抗折 强度的影响，在w c = o 5 0 情况下，发现石粉含量1 0 时，混凝土的2 8 d 抗折强 度比不掺石粉时提高了1 0 ；当石粉含量增加到3 0 时，2 8 d 抗折强度则下降了 1 0 。 m a l h o t r a 和c a r e 仳【7 2 】以水灰比为o 7 0 、0 5 3 和o 4 0 为研究对象，研究了不 同石粉含量在1 4 d 和7 0 d 时的抗折强度，每一个水灰比的抗折强度都要比相应 水灰比的对比样要好，石粉含量的增加对抗折强度不会造成负面的影响，影响 抗折强度的主要因素是水灰比。b o n a v e t t i 和i r a s s a r l 3 5 1 研究了石粉含量最高为2 0 时，机制砂对砂浆抗折强度的影响，对于不同水平的抗折强度，不同龄期混凝 土的抗折强度相比对比样而言，均呈递增的趋势。李美利【7 7 】用2 0 、4 0 的机 制砂代替部分河砂配制混凝土，发现其抗压强度、劈裂抗拉强度和断裂能均比 河砂混凝土的要高。p r a k a s h 【7 8 j 等人用含有石粉的机制砂分别制作了长1 3 5 0 m m 、 宽1 2 0 m m 、高1 5 0 m m 的素混凝土梁和钢筋混凝土梁，并与河砂混凝土梁作对比。 武汉理工大学博士学位论文 结果表明：在素混凝土中，机制砂混凝土梁比河砂混凝土梁抗压强度高1 7 、 抗折强度高2 0 、劈裂抗拉强度高7 ；在钢筋混凝土中，机制砂混凝土梁的屈 服强度与河砂混凝土梁相差不大。 k i m 7 9 j 等通过试验得出：机制砂混凝土的断裂能比同条件下河砂混凝土的断 裂能大，可能是由于机制砂中石粉改善了水泥浆与骨料界面间的粘结，断裂能 随抗压强度的增大而增加，并且细骨料种类对其影响比较小。李建等人【耻酗j 认 为，在保持相同水灰比和水泥用量的条件下，机制砂混凝土的弹性模量高于天 然砂混凝土。原因一是粗糙多棱角的颗粒限制了水泥石的变形及骨料颗粒之间 的滑动；二是良好的粘结界面，使得界面孔隙少，减少了应力集中；三是石粉 提高了水化产物的结晶程度，晶胶比的提高使水泥石在外力作用下的变形减小r 7 6 ， 引。但当机制砂石粉含量过高或砂率过高时，会导致混凝土弹性模量的降低， 有的施工单位提出石粉含量不大于1 0 9 6 】。u e h i k a w a 9 7 】等人用包括石灰石石粉 在内的几种矿物粉末( 细度3 5 0 m 2 k g ) 取代部分细集料配制混凝土，并认为： 除矿物粉末本身填充效应外，矿物粉末代砂混凝土的水泥水化反应、水化产物 和硬化结构，与混合水泥配制的混凝土没有本质差别。水泥浆的弹性模量约为 集料的一半，石粉等代砂实际上增加了水泥浆量，降低了混凝土弹性模量。 ( 3 ) 机制砂中石粉含量对混凝土体积稳定性的影响 各研究学者对机制砂中石粉含量对混凝土收缩的研究成果不尽相同。例如， 吴明威【6 2 】等人结果表明：随石粉含量( 2 、4 、6 ) 的增加，收缩呈下降趋 势，并且比河砂混凝土的收缩值。李兴贵【l5 】等人的研究结果显示，石粉含量在 1 2 以下时( 此文指粒径小于0 1 6 m m 的细粉) ，机制砂混凝土的干缩率增大缓 慢，石粉含量大于1 2 时，干缩率显著增大，且高石粉含量机制砂混凝土早期 干缩大于常规机制砂混凝土，并认为主要是由于小于7 5 p m 的石粉颗粒在混凝土 拌和物中起到增加水泥浆含量的作用，单位体积水泥浆多，导致干缩率增大。 陈兆文【8 8 】等研究结果显示，随人工砂中石粉含量的增加而增大，当石粉含量从 1 2 增加到2 1 时( 该文指粒径小于o 1 6 m m 的细粉) ，石粉含量每增加1 ，干 缩率相应约增加1 ，并且石粉含量对干缩的影响比水胶比的影响大。李建【8 l 】 等认为，石屑混凝土早期干缩值较河砂混凝土大，这可能是由于石屑级配不如 河砂、石屑混凝土砂率比河砂混凝土高以及石屑混凝土中小于o 16 r a m 粉末含量 较高等因素导致的。 a h m e d 。7 3 】等研究了石粉含量分别为0 、3 、5 、7 、1 0 、1 5 、2 0 1 4 武汉理工大学博士学位论文 时的混凝土的干缩，得出在龄期3 3 0 d 时，混凝土的收缩随石粉含量的增加呈递 增的趋势。m a l h o g a 和c a r e t t e l 7 2 j 研究了水灰比为0 7 0 、0 5 3 、0 4 0 时，石粉分别 为0 、5 、1 0 、1 5 、2 0 时，龄期最大为2 1 7 d 时混凝土的收缩，得出水灰 比越大、石粉含量越大，混凝土收缩增加的值也就越大。其中石粉含量超过1 0 时，石粉含量再增加时对贫混凝土收缩影响的的趋势更加明显。其影响的因素 归结于石粉会加速水泥的水化、水化碳铝酸盐的形成和高石粉含量造成减水剂