（材料学专业论文）石粉对机制砂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 现行标准对机制砂石粉含量的限值存在争议，同时也制约了机制砂的应用 和石粉的合理利用。本文在分析测试机制砂与石粉特性的基础上研究了石粉对 水泥性能和混凝土性能的影响规律，探讨了混凝土用机制砂石粉含量的限值， 提出了含石粉机制砂混凝土配制特点与配合比设计原理，分析了石粉在机制砂 混凝土中的作用机理。 研究了5 7 个机制砂试样主要特性指标的统计分布规律和指标间的回归关 系，提出了生产机制砂的细度模数与2 3 6 m m 粒级分计筛余的关系。应用数字 图形处理( o r p ) 技术研究了试验机制砂的颗粒形貌特征及与粗糙度测试值的关 系。研究了机制砂堆积密度和石粉含量的关系，以及m b 值与含泥量和土质的 关系。采用激光粒度分析仪测试了石粉颗粒分布特性。 研究了石粉对不同品种水泥、不同石粉对水泥、石粉对掺不同混合材料水 泥的标准稠度用水量、凝结时间和强度的影响，以及石粉代砂对水泥砂浆稠度、 强度、收缩与抗裂性能的影响。 研究了石粉含量对机制砂混凝土性能的影响。讨论了最佳工作性与水粉比 的关系，提出了泌水潜伏时间的概念及与泌水率的关系。对于级配不良的机制 砂，石粉可以改善机制砂混凝土的工作性。随着机制砂石粉含量的增加，混凝 土的抗压强度、抗折强度和干缩率逐渐增加，达到峰值后减小。机制砂混凝土 轴心抗压强度和劈裂抗拉强度均高于天然砂混凝土，且提高幅度随石粉含量增 加而增大。机制砂混凝土的弹性模量取决于石粉对强度和浆体数量两方面的影 响。机制砂混凝土的干缩和徐变均小于天然砂混凝土。石粉能够增强混凝土的 抗渗性能。高强度机制砂混凝土具有很高的抗冻性，石粉含量对其影响不明显； 中低强度机制砂混凝土的抗冻性能低于天然砂混凝土，石粉可使抗冻性能略微 改善。据此提出了中低强和高强混凝土用机制砂中石粉的适宜含量指标分别为 1 0 1 5 和7 , - - 1 0 。 研究了石粉在混凝土中的作用机理，石粉作为晶核对水泥水化起到促进作 用和匀化作用，石粉中的c a c 0 3 参与c 3 a 的水化反应生成水化碳铝酸钙，对 水泥水化有增强作用。石粉具有使混凝土过渡区密实化、改善孔结构的作用， 从而增强机制砂混凝土的性能。 提出了水粉比和等效砂率概念及含石粉机制砂混凝土体系配合比的优化 设计原理，阐述了以水灰比保证强度和以水粉比确保工作性的设计原则。 武汉理工大学博士学位论文 石粉和机制砂在混凝土中有多种效应，对混凝士性能的影响是这些效应的 综合作用。配制混凝土时，机制砂在许多方面优于天然砂，只要充分发挥石粉 的作用，机制砂混凝土具有推广应用价值。 关键词；机制砂，石粉，混凝土，性能，机理 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t h el i m i t so fm i c r of i n e sc o n t e n ti nm a n u f a c t u r e df i n ea g g r e g a t e ( m f a ) s t i p t l l _ t e di nc u r r e n ts t a n d a r da r es t i l ld i s p u t e da n dr e s t r i c ta p p l i c a t i o no fm f a a n d r a t i o n a lu t i l i z a t i o no fm i c r of r e e s o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm f a a n dm i c r of i n e s ，e f f e c t so fm i c r of i n e so np r o p e r t i e so fe e m a n ta n dc o n c r e t ea l e s t u d i e da n dl i m i t so fm i c r of i n e sc o n t e n ti n 匝af o rc o n c r e t ea r ed i s e u s s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp r e p a r a t i o no fm f ac o n c r e t ea n da no p t i m i z e dm i x d e s i g np h i l o s o p h yf o rc o n c r e t es y s t e mw i 也m f ac o n t a i n i n gm i c r of i n e sa r ea l s o p r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t i n gm e c h a n i s m so fm i c r of i n e so nm f a c o n c r g t e a r ea n a l y z e d m a i nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fm f aa n dm i c r of i n e sa n dr e g r e s s i o n r e l a t i o n sb e t w e e nt h e s ep a r a m e t e r sw e r es t a t i s t i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h r o u g ha n a l y z i n g 5 7s a m p l e s t h ei n v e s t i g a t i o nr e v e a l st h ei n t e r r e l a t i o nb e t w e e nf i n e n e s sm o d u l ea n d 2 3 6m i l ls u b - t a i l i n g n l ep a r t i c l es h a p ep a r a m e t e r so fm f aw e r es t u d i e dt h r o u g h d i pt e c h n o l o g ya n di n t e r r e l a t i o n sb e t w e e nt h e s ep a r a m e t e r sa n dr o u g h n e s s m e a s u r e sa r ed i s c u s s e d i n t e r r e l a t i o nb e t w e e nb u l kd e n s i t ya n dm i c r of i n e sc o n t e n t ， a n di n t e r r e l a t i o nb e t w e e nm e t h y l e n eb l u ev a l u ea n dc o n t e n t & e a r t h i n e s so fc l a ya r e s t u d i e d p a r t i c l e - s i z ed i s t r i b u t i o no fa g g r e g a t em i c r of i n e sw a st e s t e db yl a s e r g r a n u l o m e t e r e f f e c t so fm i c r of i n e so nv a r i o u sc e m e n t sa n de f f e c t so fd i f f e r e n tm i c r of i n e s o nc e m e n t si n c l u d i n gt h o s eb l e n d e dv a r i o u sa d d i t i o n sa r er e s e a r c h e di na s p e c t so f w a t e rd e m a n d so fs t a n d a r dc o n s i s t e n c e ，s e t t i n gt i m e sa n ds t r e n g t hw h e ns u b s t i t u t i n g m i c r of i n e sf o rp a r to fc e m e n t s ；a n dc o n s i s t e n c e ，蛐嘭n 酉h ，s h r i n k a g ea n dr e s i s t a n c e t oc r a c k i n go fm o r t a ra r ea l s or e s e a r c h e dw h e ns u b s t i t u t i n gm i c r of i n e sf o rp a r to f s a n d t h ee f f e c t so fm i c r of i n e so np r o p e r t i e so fc o n c r e t e sa r er e s e a r c h e d t h e i n t e r r e l a t i o n so f b e s tw o r k a b i l i t ya n do p t i m u mw a t e r p o w d e rr a t i oa r ed i s c u s s e da n d t h ec o n c e p to fb l e e d i n gl a t e n c yt i m ea n di t sc o r r e l a t i o nw i t hb l e e d i n gr a t i oa r e d e s c r i b e d f o rm f a w i t hp o o rg r a d a t i o n ，t h em i c r of i n e sc a ni m p r o v ew o r k a b i l i t yo f c o n c r e t e t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h , f l e x u r a ls t r e n g t ha n dd r y i n gs h r i n k a g ei n c r e a s e w i t hm i c r of i n e sc o n t e n t , a n dg od o w na f t e rt h em a x i m u m b o t ha x i a lc o m p r e s s i v e 武汉理工大学博士学位论文 s t r e n g t ha n ds p l i tt e n s i l es t r e n g t ho fm f a c o n c r e t ea r eh i g h c rt h a nt h a to fn a t u r a l s a n dc o n c r e t e ，a n ds t r e n g t hd i f f e r e n c e si n c r e a s ew i t hm i c r of r e e sc o n t e n t t h e e l a s t i cm o d u l u so f m f ac o n c r e t ei si n f l u e n c e db yb o t hi m p r o v e m e n to f s t r e n g t ha n d r e d u c i n ge f f e c to fp a s t ei n c r e m e n t b o t hd r y i n gs h r i n k a g ea n dc r e e po fm f a c o n c r e t ea r el e s st h a nn a t u r a ls a n dc o n c r e t e m i c r of i n e sc a ni m p r o v et h e i m p e r m e a b i l i t yo fc o n c r e t e t h eh i 【g hs t r e n g t h m f ac o n c r e t eh a se x c e l l e n t r e s i s t a n c et of r e e z i n ga n dl e s sa f f e c t e db ym i c r of i n e sc o n t e n t ；w h i l el ms t r e n g t h m f ac o n c r e t eh a sl o w e rr e s i s t a n c et of r e e z i n gt h a nn a t u r a ls a n dc o n c r e t e ，b u tm i c r o f i n e si m p r o v ei tal i t t l e a c c o r d i n gt ot h e s ee f f e c t s ，s u i t a b l ec o n t e n t so fm i c r of i n e s i nm f af o rl ms t r e n g t hc o n c r e t ea n dh i g hs t r e n g t hc o n c r e t ea r ep r o p o s e d i e 1 0 1 5 a n d7 - 1 0 t h ee f f e c t i n gm e c h a n i s m so fm i c r of i n e so nm f ac o n c r e t ea r es t u d i e d a s c r y s t a ln u c l e i ，m i c r of m e sh a v ee f f e c t so fs t i m u l a t i o na n dh o m o g e n i z a t i o no n h y d r a t i o no fc e m e n t c a c 0 3i nm i c r of i n e sp a r t i c i p a t e sh y d r a t i o no fc 3 a a n df o r m s h y d r a t e dc a l c i u mc a r b o a l u m i n a t e ，t h u se n h a n c e sh y d r a t i o no fc e m e n t m i c r of r e e s a l s oh a v ed e u s i f i c a t i o ne f f e c to nt r a n s i t i o nz o n ea n di m p r o v ep o r es t r u c t u r e ，t h e n i m p r o v ep r o p e r t i e so f c o n c r e t e n e wc o n c e p t so fw a t e r p o w d e rr a t i oa n de q u i v a l e n ts a n dr a t i oa n d a l l o p t i m i z e dm i x & s i g np h i l o s o p h yf o rt h i sc o n c r e t es y s t e mi sp r o p o s e d t h ed e s i g n p r i n c i p l ei sd e s c r i b e dt h a tt h ew cr a t i og u a r a n t e e s 蜘g t ha n dw a t e r p o w d e rr a t i o e l ! l s u r e sw o r k a b i l i t y m i c r of i n e sa n dm f a p r o v i d em u l t i p l ee f f e c t sa n dp r o p e r t i e so fc o n c r e t ea l e i n f l u e n c e db yc o m b i n e dr e s u l t so ft h e s ee f f e c t s i np r e p a r a t i o no fc o n c r e t e s ，m f a h a ss u p e r i o r i t yo v e rn a t u r a ls a n di nm a n ya s p e c t s a sl o n ga sw em a k eb e s t 啪o f m i c r of i n e s ，t h em f ac o n c r e t ei sw o r t h yo f a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r e d f i n e a g g r e g a t e ，m i c r of i n e s ，c o n c r e t e ，p r o p e r t y , m e c h a n i s m h 9 ，f * * 武汉理工大学博士学位论文 主要符号表 a 一集料用量： a d _ _ 步 加剂用量，一般指与水泥质量的百分比： a i 、鲍罗米公式中的回归系数： 艮通常意义上的砂率，石粉计算在机制砂内： b 广等效砂率，石粉不计入机制砂内； o 水泥用量： 蝴合物中石粉的质量： e c 一混凝土抗压弹性模量： f a 粉煤灰和，或粉煤灰用量： 缸厂一配合比设计时混凝土配制强度； 厶厂配合比设计时混凝土立方体抗压强度标准值； o 一混凝土强度标准差： 五广一配合比设计时水泥2 8 d 抗压强度实测值； f m 细度模数： g - 粗集料用量； g b f s 一粒化高炉矿渣： i l 卅失量： m b 一或m b v ，亚甲蓝m b 值： p 掘合物中粉体材料的质量，洋+ d ； i 卜一混凝土立方体试件抗压强度。一般指r 2 8 d ； i o 一混凝土轴心抗压强度： f r 一石粉含量，一般指石粉在机制砂中所占百分比： r 广- 混凝土抗折强度： r 广混凝土立方体试件劈裂抗拉强度： 细集料( 砂) 用量，包含石粉在内的机制砂质量； s 。一不计石粉时的机制砂质量： s 落度； v ，坤积比，鹕台体积百分比： 栅水量： w ，o 一水灰比： 咿水粉比，w v p 其体积比形式； 州一质量百分比。 注；使用频度较低或局部使用的符号，见文中说明。 v 独创性声明 y 9 6 乏0 6 2 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中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做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：j 郅啦日期：型：垂丝 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 砂是混凝土的主要组分之一，其品质对混凝土拌合物的工作性及硬化混凝 土的物理力学性能和耐久性均具有重要影响。混凝土用砂分为天然砂和人工砂 两类，天然砂是由自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的、粒径小于4 7 5m m 的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒，按其产源可分为河砂、海砂、 山砂。机制砂是用岩石经除土开采、机械破碎、筛分制成的，粒径小于4 7 5 r a m 的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。混合砂是由机制砂和天然砂 按一定比例混合制成的砂，人工砂是机制砂和混合砂的统称【1 1 。 石粉是机制砂中粒径小于7 5 9 m 的颗粒，机制砂在生产过程中不可避免地 要产生一定量的石粉，与天然砂中的泥粉不同，石粉与机制砂为同一母岩、矿 物成分相同，石粉的颗粒分布与泥粉也有很大的区别。石粉构成机制砂的微细 级配，是机制砂的重要组成部分，石灰石质石粉参与水泥水化，对混凝土具有 增强作用。 i i 研究目的和意义 1 1 1 天然砂资源匮乏 混凝土是目前最大宗的建筑材料，随着我国建设规模越来越大，混凝土用 量及砂的消耗量也极其惊人。据估计 z l ，2 0 0 6 年全国混凝土总的用量约为2 1 亿m 3 ，仅混凝土中砂的用量将达1 5 亿t 。 枣 弩 1 鐾 粪 目混凝土 口砂 2 0 0 3 2 0 0 6 2 0 1 0 年 图1 1 我国每年混凝土用量及其用砂量【2 】 f i g i - i a n n u a lp r o d u c t i o no f c o n c r e t ea n dc o n s u m p t i o no f s a n df o rc o n c r c t ei nc h i n a 武汉理工大学博士学位论文 目前我国多数地区应用的是天然砂，天然砂资源是短时内不可再生的，随 着基本建设日益发展的需要，我国不少地区出现天然砂资源逐步减少，砂的数 量和质量逐渐不能满足混凝土用砂的需要，影响了工程建设的进度和质量。 近年来，由于砂资源短缺，价格上涨，一些地区超量开采，毁田挖砂、破 坏河道情况比比皆是，过度采砂造成的环境破坏越来越严重，尤其是江砂、河 砂的过量开采会危及江、河堤岸的稳定。因此，国务院和各地政府不得不相继 出台了禁采或限采天然砂的规定。 天然砂是地方性资源，分布不均衡，有的地区天然砂资源十分匮乏，如贵 州省岩溶地区、湖北省西部地区、部分沿海城市等，这些地区若从外地运进天 然砂，昂贵的运费势必大大增加工程造价。因此，寻求新砂源、开发人工砂已 势在必行。利用当地的岩石资源或工程弃置的废石生产机制砂，已成为必不可 少的替代资源。 1 1 2 山区公路建设中机制砂替代天然砂的紧迫性 我国自1 9 8 8 年建成第一条高速公 路，高速公路建设呈现突飞猛进的发 展。“十一五”期间还要新建公路4 0 万 l a n ，其中高速公路2 4 万公里1 3 , 4 。 山区公路在公路建设中占很大比 例，特别是西部地区，如贵州省内的山 区公路占9 2 。山区高速公路往往修建 大量的桥涵、隧道工程，沪蓉国道主干 线全长约2 2 0 0 公里，自宜昌长江大桥 至重庆万州约4 7 0 公里待建。湖北省境 内的沪蓉西高速公路全长约3 2 0 公里， 2 0 0 52 0 1 02 0 2 0 焦 图1 - 2 全国公路通车总里程 f i g 1 - 2h i g h w a ym i l e a g e sa l lo v e rc h i n a 位于山岭重丘区，地势复杂、桥涵众多，仅宜恩段桥梁全长达5 3 9 2 7 米，其中 设特大桥3 0 座，中大桥1 5 3 座，建设这些工程无疑需要大量的砂。 由于天然砂的无序生产，在生产、贮存和运输过程中还对空气和环境造成 污染，为此国务院和各地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2 0 0 1 年国务院颁布了长江河道采砂管理条例，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 。湖北省恩施州的天然砂资源已 经枯竭，无砂可用，若采用天然砂配制混凝土，必需从外地购迸。众所周知， v “。 2 武汉理工大学博士学位论文 山区交通不便、运输条件差、运距远，运费就决定了天然砂的价格。 然而，湖北省西部山区石灰石资源却十分丰富，同时工程挖方和隧道弃渣 大量堆放，占用耕地，破坏环境。而利用隧道弃渣或就近采石加工机制砂既可 解决砂资源问题，又可保护生态环境。如果从岳阳调进河砂价格高达2 8 0 元i n 3 ， 而在沿线采石，制各机制砂成本约为5 0 元m 3 ：运输费用低廉。因此，为合理 利用当地资源、降低建设成本，用机制砂代替天然砂配制混凝土是非常必要的。 1 1 3 现行标准的制约 2 0 0 1 年发布的国家标准建筑用砂g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 已于2 0 0 2 年2 月1 日起实施。该标准将机制砂中粒径小于7 5 1 t m 的颗粒划入石粉范围，机制砂中 石粉含量的限值基本上是按照混凝土强度等级确定的。用于c 6 0 以上混凝土用 机制砂，其石粉含量限制在3 以下；对于强度等级为c 3 0 c 6 0 的混凝土及有 抗冻、抗渗或其他要求的混凝土，机制砂石粉含量限制在5 以下；对于强度 等级低于c 3 0 的混凝土和建筑砂浆，机制砂石粉含量限制在7 以下。 用不同块度的岩石加工成4 7 5 m m 以下的机制砂颗粒，需经破碎等工艺环 节，不可避免地要产生一些石粉，机制砂中石粉含量与母岩机械物理性能和砂 的级配分布取向有直接关系。对于细度模数的要求和石粉含量的限制相互矛 盾，控制石粉产生比例，则细度模数过大；控制细度模数，又产生超量的石粉。 从贵州等地机制砂生产的大致情况来看，未经处理的机制砂石粉含量一般为 1 0 1 5 5 1 ，国外生产的机制砂石粉含量，也基本上在这个范围内。 砂厂对超量石粉的处理方式，通常是风选收尘和水洗两种方法。处理出去 的颗粒并非只有石粉，还含有0 1 5 m m 、0 3 m m 、0 6 m m 甚至更大的颗粒，严 重地破坏了机制砂的自然级配，不利 于达到骨料的最大密度，水洗法尤甚。 从我们采集的试样来看，风选“石粉” ( 如图1 3 中l q 蹴样) 中7 5 i _ t m 以上颗 粒约占2 0 0 用水洗方法处理出去 的7 5 9 m 以上颗粒更多( 如图1 3 中 4 - - 5 # 试样) ，高达5 7 - 7 3 ! 这已不是国 家标准中所称的石粉，为了不与真正 的石粉( 7 5 ) u n 武汉理工大学博士学位论文 我们来看一下风选“石粉”中7 5 肛m 以上颗粒含量最高的3 # g d ( 高开风选 “石粉”) 试样，粒径为7 5 1 x m - - o 1 5 r a m 颗粒占3 6 ，o 1 5 - - 0 3 m m 颗粒占5 7 ， 还有少量o 3 2 3 6 r m n 的颗粒( 如图l - 4 ) 。 3 0 2 5 2 0 鼍1 5 h l o 5 0 | ， ， l f ( a 洛粒径的分布通过百分率 图l - 4 高开风选“石粉”中各粒径的分布情况 f i g i - 4 p a r t i c l ed i a m e t e rd i s t r i b u t i o no f g a o k a i - d r y m i c r o f i n e s 再看一下水洗“石粉”中7 5 9 i n 以上颗粒含量最高的5 # s b ( 水布垭水洗“石 粉”) 试样，粒径为7 5 1 x m 0 1 5 r a m 颗粒占1 3 5 ，o 1 5 - 4 ) 3 m m 颗粒占1 6 5 ， 0 3 - - 0 6 m m 颗粒占2 3 7 ，o 6 - i 1 8 r a m 颗粒占1 5 8 ，o 1 8 2 3 6 r a m 颗粒占2 9 ， 还有少量2 3 6 r a m 以上颗粒( 如图1 5 1 。 3 0 2 5 2 0 _ ：1 5 一 1 0 5 o 1 6 5 1 58 _- ! ， 一一_ ”7 。o 一。 一一j l_ j j | | 。 j 武汉理工大学博士学位论文 砂质量不如天然砂”的误解，有的地区或部门唯恐石粉或机制砂影响工程质量， 限制机制砂的应用范围。如沪蓉国道主干线湖北沪蓉西高速公路( 宜昌至恩施段) 土建施工招标文件规定：“c 3 0 ( 不含c 3 0 ) 以上混凝土，墩高3 0 m 及以上的桥梁 墩身，桥梁上部构造混凝土均不得使用机制砂，必须使用天然砂” 种种不接受石粉乃至不接受机制砂的现象，严重制约了机制砂的应用。最 近，我国拟修订的建工行业标准普通混凝土用砂石质量标准及检验方法 o g j 5 2 ) 征求意见稿中，已提出将机制砂中的石粉含量放宽，即按强度等级放宽 为5 ( 大于等于c 6 0 ) 、7 ( 介于c 3 0 c 6 0 之间) 、1 0 ( 小于c 3 0 ) ，这对机制 砂的应用有促进作用。 1 1 4 研究意义 由于天然砂资源逐渐短缺、价格上涨，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己势在必行。 从2 0 世纪6 0 年代，云、贵等砂少石多地区，开始用生产碎石的副产品石 屑配制水泥砂浆和低强度等级混凝土。到了2 0 世纪9 0 年代，京、津、沪、渝、 湖北、河南、山东等省市，也相继出现以机制砂代替天然砂配制混凝土，在实 际工程中应用，并取得了较好的经济效益和社会效益。 目前，对于机制砂混凝士还缺乏系统的研究和工程应用实际经验的积累， 还存在一些需要解决的问题，特别是对石粉在机制砂混凝土中的作用及其适宜 含量还存在较大争议。 机制砂中的石粉不同于天然砂中的泥粉，石粉与机制砂的母岩矿物成分相 同，其颗粒分布与泥粉也有很大的区别，石粉主要是由4 0 - - - 7 5 p i n 的微粒组成， 对完善混凝土细骨料的级配，提高混凝土密实性都有益处 7 1 。 在机制砂的应用过程中，存在着不接受石粉的现象。一是把石粉与泥粉混 为一谈，再就是因外观上的原因对含有石粉的机制砂有疑虑【s 】，机制砂多为灰 色，含有1 0 石粉的机制砂看上去石粉很多，如图1 6 b 。对机制砂中的石粉缺 乏了解和认识不正确，盲目地洗走石粉，而且带出了不少粒径大于7 5 1 a m 的颗 粒。既浪费资源，又破坏了机制砂的自然级配1 9 1 0 1 ，不利于达到集料的最大堆 积密度。 与天然砂相比，机制砂颗粒具有棱角性且级配不良，因而拌制的混凝土和 易性较差，易离析1 1 l 。适量的石粉可弥补混凝土工作性差的缺陷【1 2 1 ，石粉与机 制砂的母岩相同，热学性能一致【1 3 1 ，其性质和在混凝土中的作用，不能等同于 武汉理j 二人学博士学位论文 天然砂中的泥含量，石粉的存在利于完善混凝土特细集料的级配。 a ) 庙山河砂b ) 华生机制砂 图1 - 6 天然砂与机制砂外观 f i g 1 - 6a p p e a r a n c e so f n a t u r a ls a n da n dm a n u f a c t u r e df i n ea g g r e g a t e ( m f a l 通过机制砂和石粉的自身特性研究与石粉在机制砂混凝土中作用的研究， 揭示石粉对不同强度、不同流态混凝土性能的影响规律，探索石粉在水泥和混 凝土中的作用机理，使人们正确认识并合理利用机制砂中的石粉，发挥机制砂 的长处，对促进水泥混凝土技术的发展，对机制砂的生产和应用，同时对生态 环境的保护均有重要的意义。 1 2 机制砂与机制砂混凝土的研究进展 1 2 1 机制砂的基本特性 机制砂是用岩石经破碎、筛分而得，其粒径小于4 7 5 m m , 其中7 5um 以 下颗粒划入石粉范围。 ( 1 ) 机制砂颗粒由于具有棱角、形状不规则，含有不少针片状颗粒【1 4 i ，如 本研究试验所用的机制砂的长宽比为基本上是1 5 ，天然砂的长宽比为1 3 5 。 机制砂颗粒相互咬合，流动阻力大，因而拌制的混凝土工作性较差，易产生离析， 但机制砂中通常含有石粉可以部分改善混凝土的工作性甜”l 。机制砂颗粒问的 咬合作用能够提高混凝土的抗折强度和抗拉强度，对混凝土的变形有限制作 用。 ( 2 ) 机制砂表面较粗糙，如本研究试验所用的机制砂粗糙度基本在 6 女自p f；i：v 武汉理工大学博士学位论文 ( 2 ) 机制砂表面较粗糙，如本研究试验所用的机制砂粗糙度基本在 1 7 0 2 1 i s ，而河砂的粗糙度为1 4 8 - 1 5 5 s 。机制砂粗糙的表面增加颗粒流动阻 力而对工作性产生不利影响，但也增加了集料与水泥浆之间的粘结强度。同时 粗糙的表面会增加吸水率，如水布垭机制砂的饱和面干吸水率为1 8 ，庙山河 砂的饱和面干吸水率为1 0 ，较大的吸水率影响中低强度混凝土的抗冻性能， 可以采用引气剂提高抗冻性能。 ( 3 ) 通常在同一工地，机制砂与碎石是同一种母岩制成，热学性能一致， 对大体积混凝土技术效果尤为显著【l 们。 ( 4 ) 机制砂级配不良，通常是两头多中问少，即粗颗粒( 2 3 6 n u n 以上) 和细 颗粒( 0 1 5 r a m 以下) 较多，但中间颗粒( 尤其是1 1 8 0 3 m m 之间) 较少1 1 7 】，配制 的混凝土易于离析泌水，对混凝土强度也有不利影响。 ( 5 ) 机制砂中通常含有石粉，石粉可以完善集料的级配，起到润滑作用和 填充作用，改善混凝土工作性，增加混凝土的密实度，提高强度和抗渗性能。 石粉也增加了拌和物中固体粒子的总体比表面积，增加混凝土拌和物的粘聚性 和保水性，减弱离析泌水；在工作性良好的情况下，总体比表面积的增加也增 加了对用水量的需求。 1 2 2 机制砂的生产现状 机制砂的质量很大程度上取决于母岩的物理性能、加工工艺和机械设备等 密不可分【i 翮。美国地质勘探局( u s g s ) 1 9 9 6 年对全美机制砂母岩进行过一次调 查，发现生产原料来源的6 7 是石灰岩、1 9 是花岗岩，另外的1 4 包括暗色 岩、自云岩、沙岩和石英岩【1 9 1 。我国目前尚无具体统计数字，生产机制砂主要 原料也是石灰岩、自云岩、花岗岩、玄武岩等。 国内砂石料厂以不足5 0 t h 的小砂石厂为主，生产工艺简单。近几年京、 沪、广东等地区出现了一些稍具规模的砂石厂，产量1 0 0 2 0 0 t h ，一般采用两 段破碎与筛子构成闭路的流程作业、再以提砂机洗泥的工艺。少数砂石厂生产 能力5 0 0 8 0 0 t h ，采用生产工艺较先进，自动化水平较高【2 0 】。 从我们对贵州省岩溶地区机制砂生产情况的调研来看，公路工程的机制砂 通常是通过一级小型锤式破碎来制砂【5 】；水电系统的砂厂生产规模大，设备也 较为先进，机制砂的生产通常采用国产棒磨机加工，再通过洗砂机脱水而得。 每生产l m 3 的砂需水4m 3 ，产量一般较小，有些工程单位采用螺旋洗砂机，细 砂流失严重，有的高达3 0 3 5 ，为了弥补这一损失，改善砂子的级配，只 武汉理工大学博士学位论文 得再设一套细砂回收设施【6 】。 国内一些小规模工地常用锤式破碎机，锤式破碎机有生产率高，破碎比大， 构造简单，便于维护等优点，但也存在锤头、篦头、衬板、转子圆盘磨损较快 等缺点，如制砂母岩较坚硬则砂料粒度级配难以控制，从而影响混凝土质量的 均匀性。另外，也有用反击式破碎机和小型颚式破碎机或其它破碎机制砂的。 但许多专业人士认为建设工地或专业生产的机制砂石料厂选择棒磨机为宜。，因 为棒磨机的生产过程，是利用筒体内棒与棒之间的线接触进行的，棒对石料的 粉磨有选择性，先磨大粒石料，然后逐步将石料按粒度的大小依次粉磨，过磨 现象少，同时棒磨机制砂可以通过多种参数进行质量控制，产品质量较为稳定， 且砂料颗粒粒形较好【2 1 1 。 1 2 3 机制砂应用水平 一些岛屿国家( 如英、日等国) ，和石多砂少地区( 如我国云、贵、川和香港 等) ，由于受地域条件的限制，天然砂的来源十分困难，使用机制砂已有几十年 的历史。日本在2 0 世纪8 0 年代天然集料与人工集料的比例大约为o 9 ：1 ，2 0 世纪9 0 年代则降为o 5 ：1 2 2 。美国地质勘探局出于资源利用率和环保的需要， 于1 9 9 6 年对机制砂及其母岩进行过调查，该调查显示，机制砂大致占细集料 的2 0 。 我国早在上世纪六七十年代，就开始了对人工砂的应用研究【刀。如国家建 委四局结合贵州省的实际情况，对贵州地方的山砂进行了大量的调查和研究， 编制了贵州省地方标准，并于1 9 7 9 年出版了山砂混凝土一书【2 3 】。因各地 自然地理条件不同，各地的制砂原料差别很大。在我国的豫北等地，因缺乏中 粗砂，为改善集料级配，很早就用河卵石破碎制成机制砂，再与细河砂一起组 成混合砂。有些工程利用矿山、隧道、挖方排出的废石或尾矿生产机制砂，有 些采石厂开发利用生产碎石副产的石屑，等等。 在工程方面，水电和铁路工程已有成功应用经验。例如，日本黑部川第四 坝采用机制砂与天然砂配制的混合砂，以解决原料困难。株六复线南山河特大 桥上6 4 m 铁路简支箱梁，设计为c 5 5 高性能混凝土，全部采用机制砂，工程 质量合格，同时每m 3 混凝土节约成本1 0 8 1 3 7 元。三峡大坝二、三期工程需 集料总量为3 4 4 3 8 万m 3 ，全部采用人工集料，在满足工程需要的同时，节约 了大量的建设资金，取得了良好的社会效益和经济效益。 、。t ，。m ；为了适应人工砂替代天然砂的需要，规范和促进人工集料在混凝土中应 8 武汉理工大学博士学位论文 用，从上世纪7 0 年代起，我国各地陆续出台了一些地方标准和行业标准，如 最早的贵州省地方标准山砂混凝土技术规定( 后来修订为山砂混凝土技术 规范d b j 2 2 0 1 6 9 5 ) ，之后有云南省人工砂技术标准及应用规程、河南省 人工砂质量标准及应用技术规程( d b j 4 1 t 0 4 8 2 0 0 3 ，修订) 、重庆市混凝 土用机制砂质量标准及控制方法( d b 5 0 5 0 1 7 2 0 0 0 ) 等地方标准。2 0 0 1 年人工 砂被列入新的国家标准建筑用砂( g b t 1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) ，无疑对人工砂的应用 起到了推动作用。由于各地生产和应用机制砂的水平相差很大，对全国来讲机 制砂才处于刚刚起步阶段，因此，标准中对机制砂石粉含量的要求采用比较谨 慎的态度和较严的指标，分别为3 、5 、7 【1 ( 详见第1 2 5 节) 。对石粉含量 苛刻的规定客观上加剧了人们对石粉在机制砂混凝土中作用的误解，以致有些 工程拒绝石粉乃至不接受机制砂的现象。 在国标的基础上，不少地方和部门相继制订了较为详细的技术规程，如 2 0 0 2 年北京出台了人工砂应用技术规程( d a j c r 0 1 6 5 2 0 0 2 ) ，上海出台了机 制砂在混凝土中应用技术规程( d g t j 0 8 ，5 0 6 - 2 0 0 2 ) ，2 0 0 4 年天津出台了人 工砂应用技术规程( d b2 9 7 2 2 0 0 4 ) ，重庆出台了机制砂、混合砂混凝土应 用技术规程( d b 5 0 5 0 3 0 2 0 0 4 ) 。2 0 0 4 年9 月湖北沪蓉西高速公路工程建设指 挥部也出台了普通混凝土用机制砂应用技术规程，规定石粉含量限值分别 为5 、7 、1 0 1 2 4 】。在我国起重要作用的建工行业标准普通混凝土用砂石 质量标准及检验方法( j g j 5 2 9 2 ) 不少内容涉及人工砂，正在修改和征求意见。 1 2 4 石粉对混凝土性能的影响 在机制砂替代天然砂配制混凝土的研究中，尹志府通过大量的试验数据回 归出了机制砂混凝土的强度公式，结果显示，与河砂混凝土相比，水灰比相同 的机制砂混凝土强度略高1 2 5 1 。 曹伟宏等人通过提高混凝土的砂率和适当提高水泥用量配制出远距离( 输 送管道长度2 4 0 m ) 高泵程( 8 2 6 5 m ) 的泵送混凝土，并在老煤洞特大桥中成功应 用 2 6 】。 马虎臣等人对石屑混凝土进行了试验研究，并用石屑部分替代天然砂作为 混合砂配制混凝土，并提出了机制砂与天然砂的混合比例【2 7 1 。张映全也提出在 混凝土中以5 0 的石屑取代5 0 中砂能极大提高混凝土的抗渗、抗冻性能1 2 8 1 。 廖太昌提出用特细砂改善机制砂级配，可配制出泵送性能良好的混凝土，并解 决了机制砂配制流态混凝土内实外不美的难题【2 9 , 3 0 。 9 武汉理工大学博士学位论文 杨德斌等在大量试验的基础上，论述了石屑提高混凝土强度，改善抗渗， 抗冻性的机理，指出石屑用于代替特细砂效果更为显著【3 1 】。 关于石粉对机制砂混凝土性能影响的研究，是机制砂混凝土研究的核心内 容。由于机制砂颗粒形状粗糙、尖锐、多棱角，比表面积大，与天然砂相比， 用机制砂配制的混凝土需水量大，工作性稍差，易于离析泌水【3 2 】。这在水泥用 。量少的低强度等级混凝土中表现尤为明显 3 3 1 。机制砂中的石粉含量过高对混 凝土不利，而适量的石粉对混凝土是有益的，可弥补混凝土工作性差的缺陷。 同时，它的存在对完善混凝土特细骨料的级配、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【3 4 l 。 1 241 石粉对混凝土工作性的影响 陈家珑将天然砂与机制砂进行的对比研究，发现对于小于7 5 1 t m 的颗粒， 天然砂中的泥粉7 0 颗粒分布集中在1 6 1 x m 以下，平均粒径为8 4 1 t m ；石灰石 质机制砂中的石粉7 0 颗粒分布集中在1 6 i _ t m 以上，平均粒径为3 6 9 1 a n 如此 的粒度分布，不但不会阻碍水泥与骨料的结合，相反，填补了混凝土骨料之间 的空隙，在一定程度上提高了混凝土保水性和粘聚性，改善了离