机制砂颗粒特性对水泥基材料性能影响研究综述

林雅莹 王晓敏 林丹娜 鲁伟悦

（福建江夏学院工程学院，福建 福州 350108）

0 引言

随着我国城市化进程的推进，砂石作为混凝土的主要原料，其用量日趋增加。随着河砂资源日渐枯竭，其开发与售卖市场混乱，出现乱采、盗采现象，对耕地、防洪堤坝等造成严重影响。因此，多地政府陆续出台了一系列河砂限采、禁采政策[1]。海砂因其较高的Cl-含量易引起结构中的钢筋生锈，且淡化成本高、质量不易管控，使得海砂利用的推广进程缓慢[2]。2019年11月，工信部等十部门联合发布了《关于推进机制砂石行业高质量发展的若干意见》，大力推广应用机制砂的合理生产与应用。因此，使用机制砂作为细骨料将会是建材市场较长一段时间内的主要选择。

机制砂是由花岗岩、玄武岩、石灰岩等岩石经机械破碎、筛分而成的粒径＜4.75mm的颗粒，棱角系数大，圆度系数小，级配不良，石粉含量高，与天然砂的颗粒特性存在较大差异，将对混凝土的基本性能与耐久性产生不良影响，使得机制砂推广应用多年却成效不大。但机制砂及混凝土生产过程可控，可基于相关研究数据对生产过程进行优化管理，进而提高机制砂在混凝土中的服役性能。

因此，有必要对机制砂的颗粒特性进行科学表征，并系统研究其对机制砂混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能的影响，为工程实践提供可靠依据。

1 机制砂颗粒特性相关标准

20世纪以来，我国在国家层面陆续颁布了多部与建设用机制砂相关的标准。其中，使用较广泛的有国家推荐性标准《建筑用砂》（GB/T 14684-2022）、住建部发布的《人工砂混凝土应用技术规程》（JGJ/T 241-2011）。

在地方层面，由于各省市环境特点与发展阶段不同，对于机制砂相关标准的制定与使用存在先后之别。贵州省多山，机制砂是建设用细骨料最重要的来源，故贵州省是我国最早发布机制砂标准的地区，现行《贵州省高速公路机制砂高性能混凝土技术规程》（DBJ52/T 055-2015）；四川省现行《机制砂桥梁高性能混凝土技术规程》（DB51/T 1995-2015）；甘肃省现行《机制砂混凝土应用技术规程》（DB62/T 2917-2018）；江西省现行《工业与民用建筑机制砂生产与应用技术规程》（DB36/T 1152-2019）；福建省现行《公路工程混凝土机制砂应用技术规程》（DB35/T 1924-2020）；安徽省现行《机制砂应用技术规程》（DB34/T 3835-2021）。可见，从内陆到沿海，随着河砂资源的逐步匮乏，机制砂应用的广度在不断推进。但是，多数地区的机制砂标准发布还局限于路桥行业，尚未专门针对工业与民用建筑建设用机制砂作出明确规定。这是由于结构混凝土对细骨料的品质有着更高的要求，机制砂本身的品质缺陷仍是限制其使用推广的主要因素。

1.1 粒形

由于机制砂是由岩石或工业废渣机械破碎而成，粒形受破碎工艺、管理水平等影响。与天然砂相比，机制砂未受到流水冲刷、风化等塑形作用，粒形不规则，棱角性明显，多有针片状颗粒，石粉含量高，用于工程中将对砂浆、混凝土的各方面性能造成影响。但纵观我国目前普遍使用的各层级规范，对机制砂特性的规定基本涉及的细度模数、级配、压碎指标、表观密度、含泥量等方面，均无法正面评价细骨料粒形特征。相关联规范中，仅有《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）提及采用间隙率法、流动时间法间接评价细集料粒形；《公路机制砂高性能混凝土技术规程》（T/CECS G:K50-30-2018）中依据机制砂与球体的相似程度，将其分为高品质机制砂和普通机制砂。统观国外规范，英国标准《Specification for Aggregates from Natural Sources for Concrete》（BS 882:1992）中将机制砂分为圆形、不规则形、角锥形、扁平形等；美国标准《Standard Specification for Concrete Aggregates》（ASTM C33/ C33M-18）中规定，避免过多的扁平和针状颗粒。近年来，国内外学者提出了圆形度、圆形系数、轮廓因子、球形度、球形度比等指标来表示机制砂的粒形，但均未写入规范。可见，目前国内外尚无评价细骨料粒形的统一指标。

1.2 颗粒级配

在机制砂颗粒级配方面，国内外不同地区的规范中存在区别。与我国国标《建筑用砂》（GB/T 14684-2022）对比，陕西省和江西省的规范将砂的最小粒度划分到了0.075mm，甘肃省的规范新增9.5mm的最大方筛孔尺寸，并删除了III区砂。各地市规范内容的差异可能与当地的材料特点相关。国外规范中，美国ASTM C33/C33M-18提高了通过0.075mm和9.5mm的累计筛余率，其中过0.075mm筛孔的累计筛余接近3%，通过9.5mm的颗粒接近5%[3]。另外，相较于我国规范中的三个级配区，美国仅规定了一个级配区，且级配范围远较我国界定的Ⅱ区级配范围小，表明美国对机制砂颗粒级配的规定较我国相对严格。英国规范中规定，当筛孔尺寸为0.6mm时，通过率为25%～80%，与我国、日本等国家规范相比，范围更加宽泛。在我国标准中，当筛孔尺寸为0.6mm时，通过率为30%～59%；而当筛孔尺寸为0.15mm时，通过率为6%～25%，下限值均高于其他国家，说明我国机制砂颗粒0.15mm～0.6mm的较少，其级配易出现两头大中间小现象。

2 机制砂粒形测定的相关研究

传统的振筛法难以直观表征细骨料的粒形参数，随着科技的进步，近年来国内外学者采用了显微镜、数字图像法等多种技术对砂的粒形特征展开研究。吴家乐等[4]采用集料图像测量系统和数字图像处理技术测定了5种机制砂的粒形，并探讨了不同粒形参数间的关联性，结果表明：机制砂的棱角性与粒径相关，纵横比与凹凸度相关性强，但分形维数与细集料的圆度、纵横比等参数不具相关性。陈思嘉[5]针对基于检测算法的研究结果，开发了相应的检测系统，实现了机制砂粒形特征的三维动态采集。林文华等[6]基于动态图像法测量机制砂粒形参数，并通过软测量模型算法实现机制砂生产线中在线检测空隙率，有效提升混凝土性能。蔡园园等[7]同样依托非接触式数字图像处理技术，提取机制砂颗粒的轮廓特征参数，并采用等效椭圆Feret短径作为等效粒径，对不同岩性的机制砂样本进行重复试验，其结果与国标中筛分法结果接近。同时，岩性对机制砂的粒形存在影响，花岗岩机制砂较圆滑，石灰石机制砂棱角性较明显。曾晓辉等[8]采用体式显微镜采集了不同粒级机制砂的图像，通过IPP软件获取机制砂的粒形参数，并计算得到分形维数。结果表明：机制砂的圆度、轴向系数和球度分别为0.834～0.857，不同粒级机制砂的粒形参数基本符合正态分布。Göktep[9]通过测定不同砂样的圆度、球度和粗糙度，发现砂样的颗粒特征与相对密实度存在一定关系。可见，尽管国内外学者对样本提取的粒形参数不尽相同，但数字图像法等技术的进步，使定量测量细骨料的粒形特征成为可能，也为后续的性能研究提供可靠依托。

3 机制砂颗粒特性对水泥基材料基本性能的影响

机制砂的粒形直接影响颗粒间的接触摩擦力，因此将从不同层面上对水泥基材料的工作性能和力学性能产生影响。闫光明[10]等通过体式显微镜观察了不同机制砂样本的粒形特征，并配制混凝土。试验结果表明：机制砂表面粗糙多棱角，在新拌混凝土的流动过程中造成较大阻力，影响其工作性能，但增强了界面粘结能力，明显提高了混凝土的强度。颜从进[11]研究发现，与球形颗粒相比，棱角性明显的机制砂颗粒将使其填充率降低，拌制混凝土时用水量增加，针片状的颗粒易导致混凝土泌水，劣化其抗折强度和耐久性。邱洪强[12]研究发现，细骨料圆度和扁平比越大，混凝土的工作性能越差，但混凝土的力学性能与其呈正相关。即细骨料的颗粒形状越不规则，混凝土强度越高，抗变形能力越好。于本田等[13]通过条形孔筛分法获得不同粒径的机制砂片状颗粒，并配制砂浆，试验表明：随着片状机制砂颗粒含量的增加，砂浆的孔隙率增大，有害孔增多，其工作性能与力学性能明显下降，工程中应严格控制4.75～9.50mm粒级范围内的片状颗粒含量。

机制砂的颗粒级配影响拌合物的密实度，从而影响水泥基材料的性能。赵立等[14]在Ⅱ区级配的基础上设计了7种机制砂级配，研究不同级配下机制砂的堆积性能、工作性能与力学性能，结果表明：机制砂的单粒级颗粒堆积空隙率随粒径范围的增大而降低；1.18～4.75mm粒径范围内的颗粒对砂浆基本性能影响显著，对提高该部分颗粒不利，可优化堆积状态，提高砂浆流动度与抗压强度。王珩等[15]基于分形理论提出了机制砂颗粒级配的量化方法，并测定了不同颗粒级配下砂浆流变参数的变化，试验结果表明：机制砂级配、体积率、细度模数和石粉含量均直接影响砂浆流变性能，砂的分形合数与屈服应力呈指数关系。艾志勇等[16]对机制砂不同级配的研究表明，当1.18～4.75mm、0.3～1.18mm、0.075～0.3mm粒径范围内颗粒的质量比为7∶10∶3时，可用作进一步优化性能的参照。虽然存在最佳的粒径级配，但若在理论最大密实程度下，粒径之间过大的摩擦反而会影响混凝土的工作性能。熊先达[17]将原状机制砂筛分成单粒级，重新调整级配并配制砂浆。研究发现，良好级配的机制砂所制成的胶砂抗折、抗压强度较天然胶砂提高约10%～40%，级配对混凝土的工作性能存在影响，从而影响其力学性能。

4 机制砂颗粒特性对混凝土耐久性能的影响

机制砂的颗粒特性对混凝土内部结构存在影响，在服役周期内逐渐在宏观上体现为耐久性能的变化。因此，国内外许多学者采取不同手段，考察机制砂颗粒特性对混凝土耐久性能的影响。

闫光明等采用RCM法和电通量法共同测定机制砂混凝土的抗Cl-渗透性能，并用SEM、压汞法进行细观结构观测。试验结果表明，机制砂混凝土的细观结构密实，孔隙率与平均孔径均较天然砂混凝土有所下降，故而具备更好的抗氯离子渗透性。杨振国[18]采用“激光显微系统+图像处理”量化表征了粒径大于2.36mm的机制砂颗粒的颗粒特性，并将其配制混凝土。试验表明：在相同级配与石粉含量的情况下，机制砂粒形对混凝土抗Cl-渗透性能和后期收缩性能无明显影响，但不规则形状的颗粒可改善混凝土的抗冻性与早期抗收缩性能。谢华兵[19]将机制砂粒形特征中的二维参数与三维参数按不同权重进行组合，计算出粒形综合指数，较全面地反映了机制砂的粒形特点；以浆体包裹层厚度为媒介，考察机制砂颗粒特性与力学性能、耐久性之间的关系。试验结果表明：粒形综合指数越高，机制砂粒形越好，但干缩越大；机制砂的级配对砂浆的干缩影响不明显，配制不同强度等级的混凝土，其优选级配不同。

在机制砂级配方面的相关研究成果较丰富。熊先达的研究表明，机制砂级配不良将使混凝土内部孔隙率增大，Cl-传输通道连通，使得混凝土耐久性下降。杜雪剑[20]选取6种机制砂分别设计10种级配，并配制砂浆，考察机制砂级配对砂浆基本性能与耐久性的影响。试验结果表明，砂浆的流动性与级配的总比表面积呈负相关，力学性能与机制砂的堆积空隙率相关，但机制砂级配的变化对砂浆抗渗性与干缩无明显影响。Kandasamy[21]等人的研究指出，机制砂混凝土的力学性能、抗Cl-渗透性能均不同程度高于河砂混凝土，适合在工程中应用。刘通[22]研究了机制砂颗粒级配对混凝土工作性能、劈裂抗拉强度、抗Cl-渗透性能和微观孔结构的影响，结果表明：机制砂颗粒级配对混凝土性能影响较大，现有的累计筛余百分率控制方式无法表征机制砂级配的优劣及其变化趋势。

5 结束语

综上所述，机制砂作为天然砂的替代品，在工程中已逐步投入使用。本文基于相关学者的研究，系统总结了机制砂颗粒特性的测定与对混凝土力学性能、耐久性能的影响。

（1）机制砂棱角性明显，级配易出现两头大中间小现象，与天然砂有异。通过数字图像法等可有效测定机制砂的圆形度、轮廓因子、球形度等指标，以可靠表征机制砂粒形特征，但均尚未纳入我国建设用砂相关标准，各层级标准亟待更新。

（2）机制砂多棱角性将劣化砂浆、混凝土的工作性能，且对其强度存在不同影响。机制砂粒形对混凝土抗渗性影响不明显，但将显著影响其干缩性能。

（3）不同粒径范围的机制砂颗粒对混凝土基本性能的影响不同，1.18～4.75mm粒径范围内颗粒的影响较为显著。优化机制砂级配可有效改善混凝土耐久性，但现有的累计筛余百分率控制方式无法表征机制砂级配的优劣及其变化趋势。