1、基于粉料质量指数的机制砂分级标准研究 沈卫国 刘燚 王中文 孙江涛 龚秀美 周聪聪 武汉理工大学材料科学与工程学院 广东省长大公路工程有限公司 湖北省水利水电职业技术学院 浙江省建筑材料科学研究所 摘 要： 机制砂中的粉料对机制砂混凝土具有正负两种效应, 我国以粉料含量 (0.075 mm 筛通过率) 和粉料品质 (MB 值) 作为机制砂质量分级指标, 由于机制砂粉料的量和质之间存在内在联系, 目前机制砂质量分级的指标体系存在诸多不足。在综述国内外建筑用砂标准中机制砂粉料限值的基础上, 分析 MB 值 (亚甲基蓝吸收值) 和粉料含量限值画成的二维坐标时发现:分级体系存在限值不科学、缺乏过渡且不
2、利于机制砂科学应用的问题。粉料质量指数 PQI (Powder quality Index) =P.MB 作为机制砂分级的综合指标, 是在遵循国家标准的前提下的机制砂分级新方法。关键词： 机制砂; MB 值; 效应; 粉料含量限值; 粉料质量指数; 收稿日期：2017-07-28Received： 2017-07-280 引言2015 年我国建筑各种混凝土工程近 60 亿方, 仅水泥混凝土就需要细集料砂约 40 亿吨。我国基础设施建设的规模和等级多年来高速增长, 对混凝土细集料 (砂) 的需求也以年均逾 10%的速度同步增长。混凝土用砂分为天然砂和机制砂两类1。天然河砂是一种分布极不均衡且短期
3、内不可再生资源, 天然河砂的日渐匮乏使得机制砂的应用已成大势所趋, 其市场份额也在快速增长2,3。机制砂由机械破碎而成, 在岩石与机械相互挤压、冲击时会形成大量 75m 以下的细小颗粒, 称之为粉料, 主要包括与母岩组成一致的石粉以及开采或岩石中黏土夹层带入的泥粉。虽然石粉和泥粉的颗粒尺寸相差不大, 但它们的特性却存在本质的区别4, 泥粉大多为黏土矿物, 一般为层状结构的各种硅酸盐, 主要成分为:含水的铝硅酸盐、镁硅酸盐和铁硅酸盐5, 具有很强吸水性和湿胀干缩性, 对混凝土的性能具有不同程度的影响, 而石粉矿物组成与原材料母岩相同, 其在混凝土中的作用与泥粉完全不同。机制砂中的粉料的组成、性质
4、区分、作用机理以及含量限定一直没有形成科学的认识和可操作的标准和规范。目前大量研究都集中在粉料含量、固定粉料含量下 MB 值 (亚甲基蓝吸收值) 对混凝土性能的影响上, 但粉料包括泥粉, 泥粉含量又直接关系到 MB 值, 机制砂的粉料含量和 MB 值并不是割裂的两个指标, 在对混凝土性能的影响方面存在内在的联系。本文探讨了机制砂中的粉料对混凝土性能的影响效应, 粉料质量和粉料 MB 值进行了系统的分析阐述, 整理了国内外相关的技术标准、规范和指南, 并分析对比了各标准中机制砂技术指标的差异, 提出了一种粉料质量指数 PQI与机制砂分级标准, 为机制砂质量标准的科学制定提供依据。1 机制砂粉料在
5、混凝土中的效应机制砂中不可避免的含有大量粉料颗粒, 这部分颗粒比表面积大, 在机制砂混凝土中对混凝土的性能有十分显著的影响, 国内外学者对此进行了长期的研究。力学性能方面:Bonavetti 和 Irassar14研究了含有 5%20%的石粉石灰质和石英质机制砂制备的混凝土, 研究表明含有石粉的机制砂混凝土强度均高于不含石粉的机制砂混凝土;花岗岩机制砂中含有 10%的石粉后强度比无石粉的机制砂强度有提高, 但高于 15%后开始有所下降, 含有适当石粉的机制砂改善了混凝土的抗渗性能。Ahmed 和 EI-Kourd15研究了在固定坍落度和水灰比的情况下, 指出当坍落度固定为 100 mm15 m
6、m 时, 混凝土的需水量会随着石粉含量的增加而增加。当水灰比 (w/c) 大于 0.60 且获得相同的坍落度时, 采用天然河砂来配制混凝土的水灰比大于机制砂配制混凝土的水灰比。Tahir16指出当其它条件相同时, 混凝土的坍落度随石粉含量的增加反而下降。NamShik Ahn17指出:一些研究人员认为增加石粉含量会导致混凝土需水量的增加, 然而实际情况却表明石粉在填充骨料空隙的情况下不会增大混凝土的需水量。Dukatz 和Marek18报道, 在相同水灰比下, 采用石粉含量为 7%的机制砂配制的混凝土抗压强度要优于天然砂。Malhotra 和 Carette19的研究表明, 在水灰比为0.7
7、时, 发现随着机制砂中石粉含量的增加, 混凝土在各龄期的强度要优于其对比样。工作性方面:Ahmed 和 EI-Kourd15的研究了石粉含量介于 10%20%之间的机制砂对混凝土强度的影响, 发现在固定坍落度的情况下, 混凝土的强度随着石粉含量的增加反而呈线性下降, 这是因为在保证相同坍落度时, 增加需水量而导致的结果。然而, 当水灰比固定为 0.7 时, 随着石粉含量从 0%增至 20%, 混凝土的抗压强度呈增大的趋势。当水灰比为 0.53 时, 混凝土的强度对石粉含量的变化不明显;在水灰比为 0.40 且石粉含量为 10%时, 混凝土的强达到最大值, 随后强度随石粉含量增加反而降低, 当石
8、粉含量增加至 20%时, 强度下降到与天然砂混凝土一致9,15,16,20。Malhotra 和 Carette19以水灰比为 0.70、0.53 和 0.40 配制机制砂混凝土, 探讨了不同石粉含量的机制砂混凝土在养护 14 d、70 d 后的抗折强度, 表明石粉含量的增加不会对抗折强度造成负面的影响。相反, 机制砂中的粉料含量过多或砂率过高时, 会使得混凝土的弹性模量下降21。日本的内川浩 (Hiroshi Uchikawa) 22等人采用了石灰石石粉在内的几种矿物粉料 (颗粒细度约为350 m/kg) 替代部分细集料来制备混凝土, 并指出:矿物粉料本身除了具有填充效应外, 其取代部分砂制
9、备的混凝土在水泥的水化反应, 水化产物及硬化结构与混合水泥制备的混凝土在本质上没有差别, 石粉取代部分砂实际上增加了水泥浆量, 降低了混凝土弹性模量。体积稳定性方面:Ahmed 和 Ei-Kourd15探讨了混凝土的干燥收缩性能, 在机制砂石粉含量分别为 0%、3%、5%、7%、10%、15%和 20%时, 其结果表明在龄期330 d 时, 随着石粉含量的增加, 混凝土的收缩呈递增的趋势。Malhotra 和Carette19的研究表明:在水灰比为 0.53 时, 混凝土经过 200 d 的荷载加压后, 发现石粉含量为 5%时, 混凝土的徐变值小于对比样;但当石粉含量为10%、15%、20%时
10、, 混凝土的徐变值却分别比对比样增加了 22%26%不等, 他们认为这可能是由于水化率的提高和形成了水化碳铝酸盐而导致了徐变的增加。抗渗性方面:Hudson 等人20指出, 采用石粉含量较高的机制砂制备的混凝土, 其抗渗性能会有所改善。若机制砂中的石粉具有较好的颗粒粒形和级配, 则会提高机制砂的堆积密度, 颗粒较好的堆积会降低水泥水化后混凝土的结构孔隙, 改善混凝土的抗渗性。石粉含量越高, 被阻断的空隙通道也就越多, 也就越能提高混凝土的抗渗性能。Bonavetti 和 Irassar14研究了不同水灰比及石粉含量砂浆的抗渗性能, 发现随着水灰比的增大, 混凝土的抗渗性变差;并且对于任一确定的
11、水灰比, 石粉含量的增加都会改善砂浆的抗渗性能。抗冻性方面:张映全23的研究表明机制砂改善了混凝土的抗冻性, 认为这主要是由于机制砂中的石粉在一定程度上填充了混凝土的毛细孔隙, 改善了混凝土的抗冻性能。但张桂梅等人24探究了石粉对低强度等级混凝土的影响, 指出石粉 (0.16 mm) 含量为 20%的机制砂混凝土的质量损失和强度损失均比石粉含量为 12%的较大, 在经过 50 次冻融循环后石粉含量 20%的机制砂混凝土的强度损失较 12%含量的混凝土高出 10.3%。粉料在机制砂混凝土中的作用具有正效应和负效应 (如图 1) , 机制砂混凝土的强度等级不同, 石粉的正负效应的体现是不同的。在低
12、强度混凝土中, 特别是混凝土中由于胶凝材料用量小, 混凝土中浆体量少, 石粉对混凝土的工作性的提高作用体现充分, 主要发挥其正效应;而在中高强混凝土中, 由于粉体大的比表面积, 以及对水泥浆体胶凝作用的稀释作用开始凸显, 其负效应成为主导, 在不同强度等级的混凝土中, 机制砂粉体含量应有不同的限定。为控制机制砂中石粉在混凝土中的负效应, 不同国家有不同的规定 (见表 1) , 最高达到 25% (澳大利亚 AS2758.1-1998) 25, 但如果机制砂中粉料含有大量的泥粉甚至泥块, 这么高的粉料含量是不科学的。但过度的严格降低石粉含量, 这不仅不会起到改善机制砂混凝土品质的效果, 反而增加
13、了除粉难度, 特别是采用水洗法除粉时会显著降低机制砂中细砂粒的含量, 进一步劣化机制砂级配。图 1 粉料效应示意图 下载原图我国最早使用机制砂的地区是贵州省, 其制定了最早的机制砂质量标准和最初关于石粉含量的限定 (见表 2) 。然而此标准未考虑机制砂石粉中的黏土质含量问题, 只是针对机制砂混凝土的配制强度对石粉含量做了限定, 从表 2 可知其限量可以达到 20%, 对于配制强度为 C30 的混凝土, 限量也达到 10%, 该标准中还对 0.16 mm 筛的通过率做了限定。此外这个标准和 ASTM 标准一样, 没有区别机制砂中石粉的黏土质含量28。因为机制砂中粉料的正负效应的发挥还与它的组成
14、(石粉、泥粉的比例) 有关, 因此制定机制砂中石粉的限量的同时尚需要合理界定机制砂石粉限量下粉料品质是机制砂质量评价的基础。2 国内机制砂质量分级标准归纳泥粉主要是黏土颗粒, 黏土颗粒是粒径小于 0.002 mm 且具有层状结构的各种硅酸盐。机制砂中泥粉含量的增加会增加混凝土的拌合需水量, 这对混凝土强度和耐久性会产生不利的影响, 另外粘土具有较大的湿涨干缩性也会增加了混凝土干缩系数30。从而使得对机制砂中黏土矿物含量的检测成为评定一种机制砂粉料品质的重要指标。为了辨别机制砂中直径小于 75m 的颗粒主要是泥土还是母岩产生的石粉, 2001 年我国的建筑用砂标准 GB/T 14684-2001
15、 第一次提出了 MB 值 (亚甲基蓝吸收值) 的技术指标31, MB 值的计算方法如下32:表 1 国内外标准对石粉的限量的规定 下载原表 表 2 中国最早的石粉限量标准 (山砂混凝土技术规程 (贵州) DBJ/22-016-95) 29 下载原表 其中 MB 为亚甲基蓝值, 单位为 g/kg;G 是测试的试样重量 (g) ;V 是消耗的亚甲基蓝容易的总体积 (ml) ;10 为换算系数。采用机制砂对亚甲基蓝的吸收能力反映机制砂中的黏土质成分的含量。并采用MB 值和 0.075 mm 通过率 (粉料含量) , 加上泥块含量三个指标对机制砂品质进行分级。国标 GB/T14684-2011建筑用砂
16、开始对 MB 值有更严的要求, 但对石粉用量则有所放宽 (放宽到 10%) , 但与此同时加强到了 MB 值的要求, 级砂的 MB 值小于 0.5, 级小于 1.0, 级小于 1.4, 而国家标准 GB/T14684-2001 对机制砂中石粉含量限值规定得更严。贵州省的山砂混凝土技术规范 (DBJ22-016-95) 规定, 小于 C20 混凝土用的山砂颗粒小于 0.08 mm 的石粉含量20%, C20C30 混凝土用的山砂石中粉含量15%, 大于 C30 混凝土用的山砂石粉含量10%。重庆市的混凝土用机制砂质量标准及控制方法规定, 石灰岩机制砂用于强度小于 C40 的混凝土时, 石粉含量7
17、%, 用于 C40 及以上的混凝土的机制砂中石粉含量5%, 当砂岩机制砂只能用于 C30 及以下的混凝土时, 其石粉含量10%。其它各地方标准基本上是在国标 GB/T14684-2001 发布之后才出台或修订的, 关于机制砂中石粉含量的规定均未突破国标的限值。我国机制砂标准或规范中对石粉泥粉、MB 值的限值的收集整理见表 3。不同等级的混凝土对机制砂中粉料 (石粉+泥粉) 限量不同, 我国关于机制砂的标准、规范、指南中有不同的分类方式, 国标通常采用砂的质量等量来划分, 行业标准和地方标准大多则以强度等级来划分。从几种典型的分级方式 (表 4) 可以看到一些地方对机制砂的应用设置了最高强度等级
18、的限值, 但一些研究结果以及国外的经验来看, 机制砂可以用于 C120 混凝土和自密实混凝土的配制33,34, 机制砂可用于任何混凝土的配制。将机制砂进行分级, 分级后的不同等级的机制砂用于不同等级的混凝土。根据表 4 可看出机制砂的分级有内在品质 (质量) 上的分级, 有根据配制混凝土的强度等级 (用途) 分级, 还有质量与用途结合的分级方法。其中泥块含量的分级相对统一, 也不是本文关注的核心问题。限制机制砂中粉料含量与粉料品质则存在比较大的出入。表 3 各标准对机制砂泥块含量与石粉限量规定 下载原表 表 4 国内机制砂质量分级方法 下载原表 3 机制砂粉料质量分级标准的分析综合分析我国现有
19、的机制砂标准、规范和指南文本, 机制砂的 MB 值和粉料含量是机制砂分级的依据, 以机制砂石粉和 MB 值综合限值对机制砂等级进行划分的方式主要有五种, 本文将 MB 值 (粉料的质) 和粉料含量限值画成二维坐标图 (图 2图 6) , 这样可以明显的看到这五种分类可分为两大类, 图 2图 5 为第一类, 图 6 为第二类, 一类主要以粉体含量作为分类依据, 一类在 MB 值合格 (不大于 1.4) 的条件下以 MB 值为分类依据, 但 MB 值不合格时以粉料含量作为分类依据。图 2 机制砂常见分级标准 下载原图图 2 是建筑用砂国家标准 GB/T 14684-200115提出的分级方式, 我
20、国大多数标准都沿用了此种分类方式, 福建省、上海市和沈阳市以及重庆市的DB50/5030-200436沿用了国标的粉料含量限值方式, 交通部现行的公路桥涵施工技术规范 (JTG/TF50-2011) 也沿用了此方式。这种分级方式对粉料的含量要求过于严苛, 为了达到标准的要求, 往往需要加强机制砂的除粉工艺, 如果采用水洗法除尘, 往往会加剧其中细砂颗粒的流失, 导致机制砂级配的进一步劣化, 如果采用干法除尘, 由于其中的泥粉易结团, 在除粉过程中往往也难以清除, 而除掉的将是对机制砂混凝土工作性有改善作用的石粉。图 3 是在图 2 的基础上将 MB 值小于 1.4 (合格) 的机制砂的粉料含量
21、从 3%、5%和 7%的限量放大 2%或 3%后得到的, 因为大量的研究表明机制砂中石粉的含量在 7%、10%左右, 混凝土具有更高的强度, 甚至坍落度也更大, 在国标规定的限值基础上适当增加粉料的含量对机制砂混凝土的性质并无不利影响, 甚至会改善机制砂混凝土的性质, 因此湖北沪蓉西、广西、住建部和交通部的机制砂标准将 MB 值合格的情况下, 粉料含量放宽到 5%、7%和 10%, 这些标准的制订中体现了机制砂的应用实践。图 3 机制砂常见分级标准改进 下载原图图 4 和 5 则进一步放大了机制砂中石粉的限量, 这主要是重庆市和贵州省, 这两个地方机制砂应用多年, 积累了丰富的实践经验, 而且
22、这两个省市是典型的岩溶地区, 机制砂的材质主要是石灰岩质, 石灰石石粉对混凝土的性能在一定程度上具有改善效果, 适当的放宽机制砂石粉的含量不会导致机制砂混凝土的性能老化。同时也反映了机制砂中的粉料含量的限值不尽合理, 在有充分实践支持的条件下制订合理的限值有利于机制砂的科学应用。图 4 放大石粉含量 (预拌机制砂混凝土技术规范 (重庆) 下载原图图 5 放大石粉含量 (山砂混凝土技术规程 (贵州) 下载原图图 6 建设用砂 GB/T 14684-2011 粉料与 MB 值限值 下载原图图 6 则是建设用砂 (GB/T 14684-2011) 国家标准中对机制砂的石粉含量限值的规范, 可以看出该
23、标准放大了粉料限值, 并且将 MB 值合格的机制砂 (不大于 1.4) 的质量等级的划分标准修改为 MB 值指标, 而粉料含量统一为 10%, 这个标准的制订在一定意义上明确了机制砂中粉料含量不必太低, 适当放宽机制砂中的粉料含量有利于机制砂中粉料的合理利用, 因为在一些生产机制砂的企业, 废弃粉料已经导致了严重的环境污染, 这个调整无疑对全国机制砂混凝土的应用起到了风向标的作用。将机制砂分级的质和量为坐标轴, 将分级标准放在坐标里分析后不难看出, 目前的机制砂分级标准存在一些明显的不足之处:(1) 分级的边界设定不科学:例如当 MB 值超过 1.4 后图 3 中的级砂 (粉料含量在 3%5%
24、) 就直接成为级砂, 而在 MB 值超过 1.4 后粉料含量为 5%7%的级砂就直接变为不合格砂;在图 6 中, 当 MB 值降到 1.4 以下后粉料含量为 1%的级砂的等级不仅没有提高而是会变为级砂。这种边界设定的不连续性影响了机制砂的质量控制, 也影响了标准的科学性。(2) 分级标准缺乏渐进的过渡:虽然把机制砂中的粉料质量 (MB 值) 纳入了质量考察中, 但没有充分发挥 MB 值对机制砂质量评价的作用, 可以认为当 MB 值低的机制砂中粉料黏土成分低, 其负效应小, 可以适当增加石粉在机制砂中的含量, 而 MB 值大的机制砂则应减少机制砂中粉料的含量, 尽管现有的标准贯彻了这个理念, 但
25、在实践上存在不严密性, 通常将 MB 值大于 1.4 称为不合格, 但是众所周知, MB 值大于 1.4 的机制砂其实也能使用, 只是不能有太多的泥块含量和粉料含量;对 MB 值大于 1.4 后的分级存在不科学性, 因为 MB 值大于 1.4 是一个很宽的范围, 如果黏土含量高, 黏土塑性大, 吸水性强, 机制砂中的粉料对混凝土性能的负效应十分明显。(3) 不利于机制砂的科学应用:对于等级低的机制砂或用于强度等级低混凝土中的机制砂, 其粉料用量适当增加可重复发挥其正效应, 但是只有重庆和贵州的标准对机制砂的粉料含量放宽到 15%, 其实对于 MB 值十分低的机制砂, 其粉料含量还可以适当增加,
26、 这有利于机制砂混凝土性能的改善, 也减少机制砂生产企业废弃粉料的堆存问题。4 粉料质量指数的提出机制砂中的粉料含量的控制一直是一个困扰的问题, 综合我国的标准、规范和指南中的 5 种不同的标准体系, 本文提出 PQI 指数 (Powder quality Index) 来综合评价机制砂中石粉与 MB 值的限值, 得出了图 7 的分级标准综合国内各机制砂的分级标准的 MB 值和石粉限量的二维坐标。本文提出的粉料质量指数 PQI (Powder quality Index) 划分机制砂等级:式中:PQI粉料质量指数;P粉体含量百分数;MB机制砂 MB 值。当 PQI 值不大于 5.0 时为级机制
27、砂;当 PQI 值大于 5.0 但小于 10 时为级机制砂, 当 PQI 值大于 10 但小于 14 时为级机制砂。粉料质量指数的提出可以弥补当前标准和规范的不足, 突破了机制砂中粉料含量不能高于 10%的限制, 有利于减少机制砂中粉料的废弃量, 保护了生态环境;采用粉料质量指数后, 机制砂的分级更为渐进连续, 不会出现分级的“一刀切”的现象;另外充分发挥了MB 值对机制砂质量的控制作用, 不片面强调粉料含量或是其中的 MB 值, 有利于扩大机制砂母岩的选择范围。图 7 指南粉料与 MB 值限制 下载原图科学制定粉料限值对机制砂的科学使用至关重要。在日本机制砂的石粉限值为9%, 在美国为 5%
28、或 7%, 但作者在美国、日本和土耳其混凝土拌合站调研中往往会发现大多数粉料含量远超过限值。日本还将机制砂生产过程中的石粉回收后作为混凝土填料使用以改善混凝土的工作性。大量的研究证明在 MB 值较小的机制砂中适当提高石粉的含量对混凝土的强度和耐久性等都没有不利影响, 只有泥粉含量高的机制砂如果粉料含量过高, 将会对混凝土性能产生明显负效应。以机制砂中粉料的质和量综合评价的粉料质量系数有利于合理评价机制砂质量, 促进机制砂的科学化、规范化和常态化应用。5 结束语本文在探讨机制砂粉料在混凝土中正负效应的基础上, 综述了国内外机制砂中粉料含量与品质的机制砂质量分级方法, 得到如下结论:(1) 机制砂
29、中粉料具有正负效应, 不能片面地限制其含量, 其含量限值应与其质量相关, 粉料中的石粉和泥粉的正负效应起着决定作用, MB 值是机制砂对亚甲蓝的吸收能力, 一定程度上反应了机制砂中的泥粉含量。(2) 机制砂的粉料限值分为两大类:第一类以 MB 值不大于 1.4 和大于 1.4 时的粉体含量作为分类依据;第二类在 MB 值合格 (不大于 1.4) 的条件下以 MB 值为分类依据, 但 MB 值不合格时以粉料含量作为分类依据。(3) 我国机制砂石粉和 MB 值综合限值对机制砂等级进行划分的方式主要有五种, 但在 MB 值和粉料含量限值画成二维坐标图时发现分类方式存在限定不科学、缺乏过渡且不利于机制
30、砂科学应用的问题。(4) 综合分析了国内外标准中机制砂石粉含量与 MB 值的限值的坐标系统, 提出粉料质量指数 PQI (Powder quality Index) =PMB, 用作划分机制砂等级的综合技术指标。参考文献1陈家珑.人工砂新型建筑用砂J.新型建筑材料, 2002 (6) :32-34. 2刘伟, 谢友均, 董必钦, 等.海砂特性及海砂混凝土力学性能的研究J.硅酸盐通报, 2014, 33 (1) :15-22. 3Shen W, Yang Z, Cao L, et al.Characterization of manufactured sand:Particle shape, s
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