机制砂质量指标及其对混凝土性能的影响.pdf

建筑施工第45 卷第8 期1623eBUILDINGMATERIAL材建料筑机制砂质量指标及其对混凝土性能的影响赵颖21.上海建工建材科技集团股份有限公司上海200086；2.上海建工如安混凝土有限公司上海201709摘要：机制砂因其粒形、颗粒级配、石粉含量和压碎指标等质量指标不同于天然砂，导致混凝土性能存在差异。在分析国内外标准规范的基础上，结合搅拌站生产实际对机制砂的主要技术指标及其对混凝土性能影响进行了分析，进而为机制砂的工程应用提出建议。关键词：机制砂；粒形；石粉含量；压碎指标中图分类号：TU52文献标志码：A文章编号：10 0 4-10 0 1(2 0 2 3)0 8-16 2 3-0 5DOl:10.14144/ki.jzsg.2023.08.037Quality Indexof Manufactured Sand and Its Influenceon Concrete PerformanoZHAO Ying1,21.Shanghai Construction Building Materials Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 200086,China;2.Shanghai Construction Engineering Ru An Concrete Co.,Ltd.,Shanghai 201709,ChinaAbstract:Manufactured sand differs from natural sand in terms of quality indicators such as particle shape,particlegrading,stone powder content,and crushing index,resulting in differences in concrete performance.Based on theanalysis of domestic and foreign standards and specifications,combined with the actual production of mixing plants,themain technical indicators of manufactured sand and its impact on concrete performance are analyzed,and suggestionsare put forward for the engineering application of manufactured sand.Keywords:manufactured sand;granular shape;stone powder content;crushing index砂石是工程建设中最基本且不可或缺的建筑材料。随着基础设施建设需求的增大，混凝土骨料等建筑材料的需求也相应急剧增加。近年来，砂石骨料已成为战略性资源，机制砂石已成为基础设施建设用的主要原料。机制砂因其颗粒表面粗糙，尖锐多棱角并附带石粉，细度模数比河砂大，级配不良等特点，对混凝土的工作性、力学性和耐久性具有一定的影响。现行标准中，对机制砂品质作出规定的国标有GB/T146842022建设用砂。行业标准主要有JG/T5682019高性能混凝土用骨料、JGJ/T241一2 0 11人工砂混凝土应用技术规程、JGJ52一2 0 0 6 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准、JT/T819一2 0 2 3 公路工程水泥混凝土用机制砂和TCECSG：K 5 0-3 0 2 0 18 公路机制砂高性能混凝土技术规程。在此基础上，各省市分别制定了地方标准和应用技术指南。本文在机制砂标准规范的基础上，结合搅拌站生产实际分析机制砂的技术指标及其对混凝土性能影响，用于指导机制砂的高品质利用。基金项目：上海建工集团股份有限公司重点科研项目(22YJKF-25)。作者简介：赵颖（19 8 6 一），男，本科，工程师。通信地址：上海市青浦区姚家浜路6 0 号（2 0 17 0 9）电子邮箱：7 5 2 9 8 6 16 收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 11机制砂的定义当前针对机制砂的标准规范众多，国内外主要标准规范中机制砂的定义见表1，不同标准中机制砂定义的侧重点不尽相同。由表1可知，GB/T14684一2 0 2 2 建设用砂中机制砂的定义较为全面准确，明确指出了机制砂的原材、加工方式及产品特点，对于产品的生产和使用具有很好的指导意义。相较于GB/T14684一2 0 2 2 建设用砂，行业标准JG/T568一2 0 19 高性能混凝土用骨料对用于制备机制砂的原材料加以了控制，工业废渣和经过化学方法处理的矿山尾矿不得用于制备机制砂。国标和行标均明确了机制砂的制备中需加入整形、粉控等工艺，整形工艺使得机制砂形貌和粒径得以控制，有利于制备高性能混凝土；粉控工艺有利于机制砂产业的绿色化发展。上海市地方标准DG/TJ08-506一2 0 17 人工砂在混凝土中的应用技术规程中也限制了工业废渣作为生产机制砂的原材料，这也与工业废渣的成分复杂、难以控制有关。国外标准中主要对原料和粒径进行了明确，ASTMC125一2 0 18 与混凝土和混凝土骨料相关的标准术语在机制砂的原材料中加入了废弃混凝土，促进了建筑垃圾的资源化利用。2机制砂的质量指标2.1粒形和颗粒级配由于母岩岩性和制砂设备与工艺等不同，机制砂粒形16242023 8 Building Construction赵颖：机制砂质量指标及其对混凝土性能的影响表1国内外标准规范中机制砂定义规范名称机制砂定义以岩石、卵石、矿山废石和尾矿等为原料，经除GB/T146842022建土处理，由机械破碎、整形、筛分、粉控等工艺设用砂制成的，级配、粒形和石粉含量满足要求且粒径小于4.7 5 mm的颗粒岩石、卵石、未经化学方法处理过的矿山尾矿，JG/T5682019高性经除土、机械破碎、整形、筛分、粉控等工艺制能混凝土用骨料成的，粒径小于4.7 5 mm的岩石颗粒，但不包括软质、风化的岩石颗粒JT/T8192023公路以合格母材为原料，经除土开采、机械破碎工程水泥混凝土用机制颗粒整形、筛分和除粉等工艺制成的粒径在砂4.75mm以下且粒形和级配满足要求的颗粒DG/TJ08-5062017经除土处理，由机械破碎筛分制成的，公称粒径人工砂在混凝土中的小于5.0 0 mm的岩石、石矿石屑等矿山尾矿，但应用技术规程不包括软质、风化的颗粒ASTMC1252018与将岩石、砾石、铁高炉矿渣或水硬性水泥混凝土混凝土和混凝土骨料相破碎后生产的细骨料关的标准术语BS882混凝土用天然人工粉碎岩石、砾石形成的砂骨料规范EN126202008混凝通过粉碎岩石或砂砾加工制成的粒径不大于4mm土骨料的细骨料AS2758.02009工程经过破碎和加工制成，公称粒径小于4.7 5 mm的用骨料和岩石定文细骨料和分类和级配会产生差异，易出现粒形不规则、表面粗糙、针片状颗粒含量较高，及“两头多中间少”的级配特点。采用机制砂代替天然骨料制备混凝土时，由于其粒形相对较差且针片状含量较高，往往导致混凝土流动性降低。由于机制砂颗粒多为不规则形状，难以充分地定义和度量其形貌特征。目前对于粒形的表征方法主要包括：条形孔筛法、流动时间法、图像处理法（DigitalImageProcessing，D I P）、三维成像法等。DIP法通过对颗粒进行正面投影，然后进行轮廓图像分析，从而可以采集到颗粒的圆球度、长宽比、半径比等参数，用以表征细集料颗粒的粒形。董瑞等 引入圆度和丰满比概念，通过选取2.3 6 4.75mm粒级的石灰岩机制砂和天然河砂作为研究对象，发现相比河砂，机制砂具有更大的圆度和更小的丰满比。公路机制砂高性能混凝土技术规程从标准层面提出了机制砂“球体类似度”指标及其测试方法，可在一定程度上反映机制砂颗粒粒形与球体的相似程度，标准提出高品质机制砂的球体类似度不小于0.6 0。不同标准对机制砂粗细程度和颗粒级配的规定见表2。GB/T14684一2 0 2 2 建设用砂在细度模数方面增加了特细砂。在颗粒级配方面，GB/T14684一2 0 2 2 建设用砂认识到分计筛余的重要性，规定了I类建设用砂需满足分计筛余要求。JG/T568一2 0 19 高性能混凝土用骨料并未对机制砂分区，仅是对细度模数（2.3 3.2）和分级筛余值进行规定。表2 不同标准对细度模数和颗粒级配的规定标准名称细度模数颗粒级配按累计筛余分为粗砂中砂细砂特细砂3区GB/T146842022建设用砂I类砂还应满足3.73.13.02.32.21.61.50.7分级筛余要求JG/T5682019高性能混凝土用骨2.33.2分级筛余料JGJ522006普通粗砂中砂细砂按累计筛余分为混凝土用砂石质量3区及检验方法标准3.73.13.02.32.21.62.2石粉含量一般来讲，机制砂石粉中的泥粉含量通过检测亚甲蓝值进行评价，用来表征机制砂的吸附性能，同时，为了保证机制砂的高品质，通常限制机制砂的石粉含量。不同国家机制砂的工程应用情况不同，确定石粉含量时考虑的因素也不同，因此，不同国家对石粉含量限值的规定差异较大。国内外标准对石粉含量限制的规定如表3 所示，国外对于石粉含量的限值要求一般要高于我国的标准限值。EN12620：2 0 0 8 混凝土骨料欧洲标准中石粉含量最为宽泛，其最高限值为2 2%：国内标准普遍在规定的MB值范围内对石粉含量进行限值，部分规范包括GB/T14684一2 0 2 2建设用砂和JG/T568一2 0 19 高性能混凝土用骨料在内放宽了低MB值下的石粉含量限值，最高不超过15%，但多数规范的最高限值为10%。我国关于机制砂石粉限值的提高，这不是在降低标准，而是对机制砂质量更为科学的界定。此外，不同岩性的石粉对其含量限制也有所不同，有研究表明：石灰岩质石粉具有润滑和改善流动性的效果，而硅质机制砂石粉则会显著降低混凝土的工作性，需要采用外加剂进行工作性调控。浙江省地标机制砂应用技术规程（报批稿）中针对凝灰岩机制砂石粉因其吸水率较高和对外加剂吸附性大的特点，故进一步严控了石粉含量，而对于CaO含量 5 0%的机制砂，其石粉含量限制适当予以放宽。为促进机制砂中石粉的科学利用，AS2758.1一2014工程应用骨料和岩石标准中引入有害细粒指数（D e l e t e r i o u s f i n e s i n d e x，D FI）概念，DFI通过计算粉料含量与机制砂MB值的乘积来确定，同时标准给出DFI值不宜150。与此同时，GDJTG/TB01一2 0 17 广东省公路工程机制砂水泥混凝土应用技术规范和湖北省机制砂水泥混凝土应用技术指南（2 0 2 0 年发布）均在参照DFI指标的基础建筑施工第45 卷第8 期1625赵颖：机制砂质量指标及其对混凝土性能的影响表3 国内外标准对石粉含量限值的规定粒径/石粉含量规范相关指标um限制/%MB0.515.00.5MB1.010.0I类1.01.41.0MB1.015.0类1.01.43.0MB1.415.0类MB1.45.01类MB1.405.0(C60)MB1.402.0类MB1.407.0JGJ52200675(C30C55)MB1.403.0类MB1.4010.0(C25)MB1.405.0MB,6.03.0MB,4.0且F4.0且F100%7.0MB,4.0且F,100%10.0JG/T 568201975供需双方协商可适MB,2.5或F,110%当放宽石粉含量，且15.0用于耐磨混凝土9.0ASTMC33200875不用于耐磨混凝土16.0BSEN12620:2002+用于重载混凝土路面5.063A1:2008普通混凝土7.0A.S2758.120147520.0JIS A5005:2009759.0EN 12620:2008633.022.0上，提出了粉料质量指数（PowderQualityIndex，PQ I）来综合评价机制砂的质量，要求I类机制砂PQI5、I I 类机制砂5 PQI10、I I 类机制砂10 PQI14。2.3压碎指标机制砂的压碎值指标是检验其坚固性、耐久性的一项重要指标。压碎值检测比较快速方便，一般作为材料进场验收的指标。最终决定机制砂质量的是砂自身的压碎值和坚固性指标，母岩强度只是作为一种选择性指标。国内外相关标准对压碎指标的规定如表4所示。由表4可知，国内相关标准则对压碎指标有明确要求，JGJ52一2 0 0 6 普通混凝土用砂石质量及检验方法标准中以总压碎指标进行笼统控制，而GB/T14684一2 0 2 2 建设用砂中采用单级最大压碎指标进行分类控制，浙江省地标机制砂应用技术规程则为更全面控制机制砂的表4国内外标准对压碎指标的规定JGJ52JG/T浙江2006568省地美国标GB/T普通2019标准ASTM14684混凝土高机技术C33/33M英国标准BSEN12620：2022用砂石性能制砂指标18混凝2002+A1：2 0 0 8 混凝土用集料建设质量及混凝应用土骨料标用砂检验方土技术准规范法标用骨规准料程1类类类1类I类类采用坚固性指标1单级最大压碎特级代替（无压碎指级指标标单级最大压碎指标152030总压压碎指碎指总压碎指标10%标/标（硫酸%3018%钠浴25%液、202535%（硫20253012182815%酸镁浴（硫酸液）镁浴液压碎指标，采用单级最大压碎指标和总压碎指标双控的方式。国外相关标准中并没有压碎指标，而采用经饱和硫酸钠溶液或硫酸镁溶液循环浸泡5 次后的质量损失进行表征。对比美国和英国标准，英国标准采用硫酸镁浸泡，按照质量损失不超过18%、2 5%或3 5%进行分类使用。3机制砂质量指标对混凝土性能的影响3.1粒形和颗粒级配对混凝土性能的影响机制砂粒形影响混凝土工作性主要是由于机制砂的多棱角形貌特征，使得机制砂颗粒与浆体间具有较好的机械啮合力，相互碰撞和干扰会降低混凝土的工作性。Goncalves等 2 发现2.3 6 mm粒级机制砂的颗粒形状越不规则，混凝土流动性越差。周新文等 3 研究了机制砂颗粒形状对砂浆流变性能的影响，通过DIP技术表征技术发现机制砂片棒状程度高于河砂，机制砂颗粒形状不规则会导致砂浆屈服应力和表观黏度均远高于天然河砂，砂浆流动阻力增大。机制砂粗糙不规则的表面形态虽降低了混凝土的工作性，却有利于提高混凝土界面间的黏结力，有利于提高机制砂混凝土的抗压和抗折强度 4。在颗粒级配方面，天然砂各粒径范围分布较均匀，整体级配良好，对混凝土的工作性十分有利；而机制砂的颗粒级配相差悬殊，大于2.5 mm和小于0.0 8 mm的颗粒偏多，从而导致混凝土的和易性较差，容易引起混凝土的外观质量缺陷。蒋飞等 5 认为当细度模数大致相同的情况下，级配曲线呈拉伸的正S形的机制砂制备的混凝土具有最佳和易性。王军伟等 研究发现不同岩性机制砂均在0.3 0.6 mm级配区间对减水剂和水吸附量达到峰值，此级配区间颗粒对胶砂流动度和流变性能影响最显著。162620238Building Construction赵颖：机制砂质量指标及其对混凝土性能的影响在细度模数方面，机制砂的细度模数并不能直接反映其颗粒分布状态，细度模数相同的机制砂，其级配不一定相同。邢福燕等 7 认为细度模数是表征砂的粗细程度的宏观指标，对新拌混凝土的工作性影响较大，而对强度影响不明显。笔者汇总了近期某搅拌站实际生产的C50C6 0 机制砂混凝土的2 8 d抗压强度与细度模数的关系（图1）。由图1可知，细度模数在2.7 3.4范围内，细度模数的变化对强度的影响较小。蒋正武等 8 认为，机制砂太细或太粗均不利于降低机制砂自密实混凝土的泵送压力。这主要是因为细度模数较大时，粗颗粒增多，细颗粒减少，级配不合理，导致机制砂自密实混凝土工作性变差；细度模数较小时，细颗粒增多，导致机制砂自密实混凝土需水量增大。由此可见，机制砂混凝土配合比设计时需综合考虑细度模数和颗粒级配，最适合配制混凝土的机制砂细度模数为2.63.0，级配为2 区。9080R8898810022.22.42.62.833.23.43.6细度模数图1C50C60机制砂混凝土2 8 d抗压强度与细度模数的关系3.2石粉含量对混凝土性能的影响石粉在混凝土中的作用机理主要包括填充效应、晶核效应和活性效应。大多数研究认为石粉属于惰性料，可以完善骨料的级配，起到润滑和填充作用，改善混凝土工作性，同时增加混凝土的密实度，提高强度和抗渗性能，增加混凝土拌和物的黏聚性和保水性，减少离析泌水。蒋正武等 9 认为7%以下的石粉含量的机制砂高性能混凝土表现的流变学参数相差不大，10%以上石粉含量的机制砂高性能混凝土其拌和物的塑性黏性增加很大，内摩擦很大，阻止新拌混凝土的流动，因而大量石粉时不宜配制大流动性的高强混凝土。近年来的研究成果发现碳酸盐岩石粉具有一定的水化活性，尤其是在早期（17 d）抗压强度显著提高，究其原因为石粉颗粒上的成核效应促使诱导期缩短，导致水化加速，同时石粉与水泥中的C,A发生化学反应导致新相的生成，改善界面微结构，增强混凝土中界面黏结强度 0 。机制砂混凝土的工程应用中需综合考虑石粉含量对工作性和力学性能的影响。对于低强度等级混凝土，机制砂中石粉含量的最佳范围为10%15%；对于高强度等级混凝土，机制砂中石粉含量的最佳范围为5%7%；而对于C80级及以上的超高强混凝土，机制砂中石粉的最佳含量为3%5%。笔者分别统计了某搅拌站日常生产的C50和C60机制砂石粉含量对混凝土2 8 d抗压强度的影响（图2、图3）。由于搅拌站所生产的C50、C6 0 混凝土均为泵送混凝土，在保证混凝土的工作性能和力学性能的前提下，对制备混凝土的原材料提出了更高的要求。一方面需要控制机制砂的石粉含量，减少其对混凝土和易性的不利影响；另一方面通过矿物外加剂和高性能外加剂，保证了机制砂混凝土的工作性和可泵性。对比C50所列举的石粉含量，在MB值 1.4的前提下，石粉含量增加到8%时，其强度和工作性均有保证；而对于C60混凝土，在MB值 1.4的前提下，需要对机制砂的石粉含量加以控制，石粉含量 5%时，对C60混凝土的工作性和力学性能更有保证。y=-1.9235x+64.379y=-2.041x+74.478R88988R2=0.295100R2=0.280.9806040202：46810246810石粉含量/%石粉含量/%图2 C50人工砂混凝土抗压图3C60人工砂混凝土抗压强度与石粉含量关系强度与石粉含量关系3.3压碎指标对混凝土性能的影响对于中、低强度等级混凝土来说，随着所用机制砂压碎指标值的降低，混凝土的2 8 d抗压强度值无明显变化；而对C60等高强度等级的混凝土来说，选用的机制砂的压碎值指标应更严格。组成机制砂的各个粒级往往是优劣不齐的（即不同的压碎指标值），而劣质的部分（即较大的压碎指标值）往往又决定着整个机制砂的质量。对于这一点，国标中规定的“取最大单粒级压碎指标值作为其压碎指标值”毫无疑问是正确的。因此，采用机制砂配制高强高性能混凝土时有必要对机制砂单级最大压碎指标加以控制。笔者在调研搅拌站实际生产的C60机制砂混凝土（图4）的基础上，对机制砂的压碎指标规定如表5 所示。100100808060840402020051015200102030总压碎指标单级最大压碎指标（a）混凝土2 8 d抗压强度与（b）混凝土2 8 d抗压强度与总压碎指标单级最大压碎指标图4.C60混凝土2 8 d抗压强度与压碎指标的关系由图4不难看出，对于高强度等级的机制砂混凝土，其抗压强度随着压碎指标的降低而提高。由普通混凝土用第45 卷第8 期1627建筑施工上接第16 2 2 页XX赵颖：机制砂质量指标及其对混凝土性能的影响表5高强高性能混凝土的机制砂压碎指标要求指标1类类类总压碎指标/%152025单级最大压碎指标/%202530砂、石质量及检验方法标准可知：I类机制砂宜用于强度等级大于C60的混凝土；II类机制砂宜用于强度等级为C30C6 0 及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土；II类机制砂宜用于强度等级小于C30的混凝土。针对C60高强机制砂混凝土，其总压碎指标宜控制在15%以内，单级最大压碎指标控制在2 0%以内，对于C60混凝土的强度保证率有利。4结语目前各标准中对于机制砂的定义不统一，尚缺乏系统的机制砂粒形评价方法，关于机制砂粒形、颗粒级配、石粉含量和压碎指标对混凝土性能的影响研究尚不完善。1）综合考虑机制砂的原材料、生产工艺及产品特点等因素，应建立机制砂生产使用全过程质量追溯监管体系，运用“互联网十”技术实现机制砂的品质可控。2）建议进一步加强机制砂粒形和石粉的高品质利用等方面的研究，保证高强高性能机制砂混凝土的制备及施工应用。7）防火完成测试涂层含水率2 0%后，可刷涂面漆。修复方案与原方案唯一不同的是，在做第1道界面层前多加了1道7 0 7 胶层，在打底料中额外添加了一定配比的7 0 7胶，两处修改旨在增强防火涂料的黏结性能，避免由于黏结性能降低，防火涂料自重将其拉脱产生空鼓、裂缝等。修复完成后，对所有钢梁按5 0%比例抽检黏结强度（远超国标要求），其中约7 0%的测试点黏结强度0.10 MPa，约15%的测试点黏结强度为0.2 0 0.3 0 MPa，但仍有15%的测试点的黏结强度在0.0 5 0.10 MPa之间，修复至今尚未发现新的空鼓、脱落等严重的质量问题。5结语在人员密集场所，对于坠落隐患大于防火隐患的，设计时要慎重选用厚型水泥基防火涂料，在满足设计要求的情况下，尽可能使用自重较轻的石膏基型防火涂料施工。如为符合设计防火时限要求，必须使用水泥基型的，应根据GB512492017建筑钢结构防火技术规范，在防火涂料层内设置与钢结构相连的镀锌钢丝网，增强防火涂料与钢结构的黏结性能。另外，也可选择以下替代方案：1）其他形式的有刚性连接的防火措施。如包覆型的防参考文献1董瑞,陈晓芳,钟建锋,等.石灰岩性机制砂特性研究 1.混凝土,2 0 13(3):84-89.2 GONCALVES J P,TAVARES L M,TOLEDO R D,et al.Comparisonof natural and manufactured fine aggregates in cement mortarsJ.Cement And Concrete Research,2007,37(6):924-932.3周新文,刘建忠,刘光严,等.机制砂颗粒形状对砂浆流变性能的影响研究 .混凝土与水泥制品,2 0 2 0(5):1-5.4胡蝶.机制砂混凝土的工作性能、力学性能及抗氯离子侵蚀性能研究 D.广州：广州大学,2 0 18.5菜蒋飞，余川，杨帆.机制砂级配曲线特征对混凝土和易性影响的试验研究 .四川建材,2 0 16,42(2):10-11.6王军伟，安明喆，刘亚洲，等.机制砂物理特性对水泥胶砂流变性能的影响及机理 J.中国铁道科学,2 0 2 1,42(2):19-2 7.7邢福燕，刘洋，杨文杰，等.砂子细度及级配对新拌混凝土性能的影响研究 .混凝,2 0 15(1);118-12 1.8 菜蒋正武，陶志龙,任强.机制砂自密实混凝土泵送压力规律研究 .建筑材料学报,2 0 17,2 0(1):18-2 3.9蒋正武,梅世龙,任强.机制砂高性能混凝土 M第二版.北京：化学工业出版社,2 0 2 0.10姚武,张鑫,罗宇.一种含废弃石粉的早强、低收缩混凝土及其制备方法：2 0 2 0 1116 10 3 0 2 P.2020-10-27.火板或包覆柔性毡状隔热材料或复合使用。2）石膏基型的防火涂料。该种材料密度比水泥基型材料小很多，石膏基钢结构防火涂料作为一种新兴钢结构防火涂料，以石膏为主要基材，采用无机轻质隔热和纤维材料组成的粉料，能涂覆于钢结构表面起到防火保护作用。相比传统水泥基钢结构防火涂料，石膏基钢结构防火涂料有原材料低碳节能、密度小等优点，同时黏结强度高，变形能力好!。但需考虑石膏基型材料对施工环境的要求更高，至少要达到闭水条件方可施工或采取相关措施。建议建设单位、施工单位及监理单位严格控制室内型厚型防火涂料的干密度，材料进场后应做干密度复试及黏结强度复试，有条件的应验证理化性能。干密度指标在国标内虽属C类缺陷，但直接影响经济及安全两项关键指标，干密度过大的材料不仅加大了每平方米材料用量，而且加剧了空鼓、开裂、脱落风险，建议国标对防火涂料黏结强度和材料干密度进行挂钩，从施工情况看，即便增加了1道胶水层增加了黏结强度，其测试值仍不是特别理想。参考文献1晏建波,戴培刚,张阳,等,石膏基钢结构防火涂料耐火性能研究 .中国建筑金属结构,2 0 2 2(7):3 6-3 8.