1.1 隨著天然砂石資源約束趨緊和環(huán)境保護(hù)日益增強(qiáng)，機(jī)制砂逐漸成為混凝土骨架的關(guān)鍵原料。目前，機(jī)制砂生產(chǎn)已由簡(jiǎn)單分散的人工或半機(jī)械的作坊逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)化規(guī)?；墓S，但機(jī)制砂制造業(yè)仍面臨著質(zhì)量保障能力弱、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、綠色發(fā)展水平低、局部供求不平衡等突出問(wèn)題，需要突破關(guān)鍵技術(shù)，以機(jī)制砂的顆粒整形、級(jí)配調(diào)整、節(jié)能降耗、綜合利用等為重點(diǎn)，提高工藝裝備的自動(dòng)化、機(jī)械化程度，推廣使用變頻、智能控制等綜合節(jié)能減排技術(shù)。

1.2 機(jī)制砂與傳統(tǒng)天然河砂相比，主要在 0.075mm 以下粉料含量、粉料組成、顆粒礦物組成、顆粒級(jí)配及顆粒形狀等方面存在一定的差別，且由于生產(chǎn)原石本身的特性及制砂流程和所用機(jī)械的不同，各砂石廠生產(chǎn)出的機(jī)制砂在0.075 mm以下粉料含量、粉料組成、顆粒礦物組成、顆粒級(jí)配及顆粒形狀等方面也有所不同，在以往的探究中多得出了“機(jī)制砂顆粒形狀較差、表面粗糙、粉料含量較大”的結(jié)論，其不規(guī)則的顆粒形狀、粗糙的表面、較大的粉料含量被誤認(rèn)為是其性能上的缺點(diǎn)，也一直是業(yè)內(nèi)技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)。

2.1 把機(jī)制砂納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用砂》（GB/T 14684）,其粉料含量就一直是評(píng)判機(jī)制砂質(zhì)量的重要指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)中把 0.075mm 以下的顆粒直接稱為 “石粉”，其含量即為“石粉含量”,并根據(jù)機(jī)制砂的 MB 值（以 MB 值 1.4g/kg 來(lái)劃分）來(lái)劃分不同類別（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類） 機(jī)制砂粉料含量的限值。

2.2 機(jī)制砂中的泥粉（MB 值）“泥粉顆粒”與石粉顆粒的粒徑都小于 0.075mm，作為粉料存在于機(jī)制砂中，但它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)卻大不相同，泥粉中含有的粘土礦物一般為：含水的鋁硅酸鹽、鎂硅酸鹽和鐵硅酸鹽等組成的層狀結(jié)構(gòu)，與石粉相比，層狀結(jié)構(gòu)的粘土礦物中存在著大量的空隙，其比表面積較大，吸附性較強(qiáng)，且其吸水性和濕脹干縮性對(duì)混凝土拌合物工作性能有很大的影響。

2.3 目前，國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)采用亞甲藍(lán) MB 值的測(cè)定來(lái)判斷機(jī)制砂中粘土顆粒的吸附能力，亞甲藍(lán)的分子結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示，亞甲藍(lán)分子帶有一定量的正電荷。當(dāng)粘土礦物遇水時(shí)，其中的Al3+與水作用形成膠體，根據(jù)擴(kuò)散雙電層理論，在膠體中，固體與液體接觸的表面由于電離或吸附離子而帶電，粘土顆粒較強(qiáng)的吸附性能以及表面所帶的負(fù)電與石粉相比泥粉（即粘土顆粒）更容易吸附亞甲藍(lán)溶液。

2.4 機(jī)制砂通過(guò)巖石破碎得到，生產(chǎn)過(guò)程中在節(jié)理面開(kāi)裂，其顆粒形狀不規(guī)則、有棱角，且針片狀含量較高，其表面粗糙度主要是由生產(chǎn)機(jī)制砂母巖的特性、形成機(jī)理以及生產(chǎn)過(guò)程中所使用的破碎機(jī)械等因素共同決定；機(jī)制砂顆粒的圓度反映了其形狀的棱角性，長(zhǎng)寬比則反映了針片性，會(huì)增加拌合物的流動(dòng)阻力，不規(guī)則的顆粒形狀也會(huì)使其與漿體的粘結(jié)力發(fā)生變化，改變界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)。在硬化混凝土中，機(jī)制砂與水泥漿體直接粘結(jié)在一起，其表面的粗糙程度直接影響與水泥漿體的粘結(jié)，粉料含量的變化導(dǎo)致其顆粒級(jí)配隨之發(fā)生改變，粘土顆粒含量及種類的變化則影響其 MB 值，而粉料含量和 MB 值對(duì)混凝土新拌合物的工作性有著明顯的影響。

混凝土可以看成一種由集料、水泥漿和它們之間的粘結(jié)處（界面過(guò)渡區(qū)）所構(gòu)成的復(fù)合材料。其微觀結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土的力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性及耐久性有著顯著的影響。界面過(guò)渡區(qū)有 3 大特點(diǎn)：低密度或高孔隙率，呈優(yōu)先取向的Ca(OH)2 晶體，微裂縫。界面過(guò)渡區(qū)的性質(zhì)除了受水泥用量、品種和性能，摻合料種類、質(zhì)量和摻加比例，水膠比，養(yǎng)護(hù)條件等因素的影響外，還與骨料的特性有密切相關(guān)。骨料的尺寸、級(jí)配、形狀、表面形貌、吸水率、礦物組成等對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的性能具有非常重要的影響。此外，由于漿體與骨料的彈性模量和線膨脹系數(shù)等的不同，使界面過(guò)渡區(qū)成為混凝土中應(yīng)力最為集中的區(qū)域，因此漿體—骨料界面的特性及其抵抗外力變形的能力在很大程度上決定著混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。

4.1 混凝土宏觀性能（抗壓強(qiáng)度、氯離子滲透、凍融循環(huán)、干燥收縮）的差異都是其微觀結(jié)構(gòu)不同的體現(xiàn)。機(jī)制砂在相同的顆粒級(jí)配及粉料組成下，不規(guī)則的顆粒形狀對(duì)混凝土的坍落度及抗氯離子滲透性能基本沒(méi)有影響；抗壓強(qiáng)度主要與其界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而孔結(jié)構(gòu)及孔徑分布則對(duì)混凝土的耐久性和體積穩(wěn)定性有著顯著的影響。

4.2 混凝土在凍融循環(huán)和干燥收縮中都是內(nèi)部水的形態(tài)發(fā)生變化、發(fā)生遷移從而對(duì)宏觀的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，其存在于混凝土內(nèi)部的孔隙中，在凍融循環(huán)中，孔隙中的水由于低溫結(jié)冰發(fā)生體積膨脹，從而改變了孔隙的大小，由其是較大的孔隙，在凍融循環(huán)中內(nèi)部的水更容易結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹，在內(nèi)部產(chǎn)生裂紋從而破壞宏觀結(jié)構(gòu)；而在干燥收縮過(guò)程中，也正是這部分孔隙中的水遷移到混凝土表面揮發(fā)，造成內(nèi)部應(yīng)力的改變，從而引起混凝土的宏觀收縮，也會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生裂縫破壞宏觀結(jié)構(gòu)。

5.1 裂縫對(duì)混凝土來(lái)講是絕對(duì)有害的，目前在國(guó)內(nèi)是技術(shù)難點(diǎn)；高強(qiáng)度等級(jí)混凝土比低強(qiáng)度等級(jí)混凝土更容易開(kāi)裂，對(duì)推廣應(yīng)用形成阻礙。混凝土裂縫主要是由混凝土體積收縮導(dǎo)致的，其主要是以干燥收縮為主，混凝土原材料對(duì)收縮有直接影響，如何有效控制混凝土收縮問(wèn)題，應(yīng)立足原材料問(wèn)題。

5.2 混凝土收縮包括：化學(xué)收縮（自收縮）、干燥收縮、塑性收縮以及溫度收縮，其中自收縮和干燥收縮是混凝土發(fā)生收縮變形的主要方式。干燥收縮是指混凝土處于濕度較低環(huán)境時(shí)，混凝土內(nèi)部水泥毛細(xì)孔和膠凝孔失去水分導(dǎo)致的干燥收縮；普遍認(rèn)為，混凝土處于干燥環(huán)境時(shí)，內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)因溫度升高失去水分，毛細(xì)孔和膠凝孔失去水分后，無(wú)法填補(bǔ)空隙，為維持平衡狀態(tài)，產(chǎn)生向內(nèi)的拉力，引發(fā)體積減小，產(chǎn)生干縮現(xiàn)象。化學(xué)收縮是在水泥水化過(guò)程中反應(yīng)后水化產(chǎn)物的絕對(duì)體積小于水化前水泥和水的絕對(duì)體積；高標(biāo)號(hào)混凝土和普通混凝土相比較，一般自收縮值較大，原因在于高標(biāo)號(hào)混凝土水膠比較低，水泥用量大，早期水化速率較快，內(nèi)部毛細(xì)孔和膠凝孔失水速率增加，自收縮變大。

5.3 混凝土水膠比越小其干燥收縮率也越小，即混凝土干燥收縮率隨水膠比增加而增加。主要原因在于：水膠比大小決定了混凝土漿體的可蒸發(fā)水量，以及可遷移至表面的水量。混凝土干燥收縮形成原因在于其內(nèi)部毛細(xì)孔可膠凝孔中水分的散失，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而引起體積收縮。水膠比越小，混凝土孔隙率越小，細(xì)孔含量較大，毛細(xì)孔越小其本身維持水分的能力越強(qiáng)，從而失水率越小，混凝土干燥收縮也越小。隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，一方面，水化反應(yīng)越發(fā)充分，混凝土內(nèi)部可散失水分隨之減少，且空隙尺寸不斷細(xì)化，可壓縮空間減小，另一方面混凝土逐漸形成骨架，彈性模量增大，抵抗收縮能力越強(qiáng)，表現(xiàn)為混凝土干燥收縮在前期發(fā)展較快，后期發(fā)展逐漸減緩。混凝土水膠比越小其干燥收縮率也越??；反之，干燥收縮率隨水膠比增加而增加，且其收縮大小和密實(shí)程度有直接關(guān)系。因此，減小混凝土的體積收縮變形，控制由約束產(chǎn)生的收縮應(yīng)力水平，是防止混凝土出現(xiàn)早期裂縫的措施。

5.4 混凝土新拌合物在水化過(guò)程中會(huì)消耗水泥和水生成水化產(chǎn)物，其水化產(chǎn)物的體積小于被消耗水泥和水體積的總和，會(huì)使毛細(xì)空隙壓力增大；隨著內(nèi)部平均孔徑的不斷減小，收縮開(kāi)裂就會(huì)越發(fā)明顯。其次，水泥加水發(fā)生水化反應(yīng)，釋放大量水化熱，使混凝土內(nèi)部溫度升高發(fā)生膨脹；當(dāng)水泥的水化反應(yīng)減緩的時(shí)候，內(nèi)部溫度降低而產(chǎn)生收縮變形，收縮應(yīng)力使混凝土出現(xiàn)裂縫。混凝土的配合比及外加劑的摻入也加大了混凝土產(chǎn)生裂縫的趨勢(shì)，水膠比低使混凝土中的自由水分減少，混凝土析水速率大大降低，表面水分迅速蒸發(fā) 而得不到及時(shí)補(bǔ)充，導(dǎo)致塑性收縮加大，抗開(kāi)裂能力變差。減水劑的分散作用，釋放出大量絮凝結(jié)構(gòu)中的游離水，加速了水泥的水化，給水分的消耗及蒸發(fā)創(chuàng)造條件。混凝土內(nèi)部的失水使集料間或與界面結(jié)構(gòu)的連接處存在空隙，造成毛細(xì)孔內(nèi)水產(chǎn)生表面張力，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生體積收縮，出現(xiàn)裂縫。

5.5 混凝土具有熱脹冷縮和濕脹干縮的特性，是熱的不良導(dǎo)體，在外界環(huán)境中混凝土內(nèi)外溫差和濕度變化較大時(shí)，使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生濕度梯度與溫度梯度，導(dǎo)致表面與內(nèi)部產(chǎn)生膨脹或收縮不一致。因此，由內(nèi)外約束產(chǎn)生的差異就導(dǎo)致了混凝土表面出現(xiàn)收縮裂縫，而且環(huán)境中濕度、溫度的周期性變化也對(duì)混凝土收縮開(kāi)裂有著極大的影響。混凝土結(jié)構(gòu)在使用期間，處處受到約束，即使沒(méi)有外力的情況下，其內(nèi)部的鋼筋及溫差也會(huì)對(duì)混凝土起著約束的作用而產(chǎn)生裂縫。

▲ 混凝土收縮開(kāi)裂趨勢(shì)分析 ▲

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和裂縫的關(guān)系、裂縫產(chǎn)生的根本原因可以通過(guò)下圖所示進(jìn)行分析。

▲ 混凝土早期開(kāi)裂原因分析 ▲

5.6 混凝土的早期開(kāi)裂主要源于水泥的水化熱溫升，降低水化熱才是有效地防止混凝土出現(xiàn)早期開(kāi)裂措施。水泥水化熱的放熱速率取決于水泥各礦物成分，其中 C3A 水化熱最大，其次是 C3S；C3A 和 C3S 含量高的水泥水化熱較大，發(fā)熱速率快，其混凝土的早期強(qiáng)度較高。水化放熱與水膠比和水泥用量有著直接的關(guān)系。水膠比較低時(shí)，水泥用量大，C3A 和 C3S 含量大，則混凝土水化時(shí)初始放熱量大，內(nèi)部溫升快；隨著水化的繼續(xù)進(jìn)行，最初的充水空間被固體水化物所填充，水泥石內(nèi)沒(méi)有足夠的空間提供給接下來(lái)的水化反應(yīng)所生成的水化物，水化反應(yīng)停止。由此表明，膠凝材料早期的水化熱使混凝土內(nèi)部溫度升高，造成內(nèi)部膨脹、外部收縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力不斷發(fā)展超過(guò)抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

通過(guò)對(duì)機(jī)制砂混凝土中機(jī)制砂質(zhì)量指標(biāo)的限制、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能及裂縫成因的綜述，一方面分析混凝土的損傷機(jī)理，深入地對(duì)機(jī)制砂混凝土因溫度應(yīng)力造成的損傷進(jìn)行闡述；另一方面從混凝土的耐久性能分析，進(jìn)一步探討機(jī)制砂混凝土的早期收縮變形、約束程度及裂縫對(duì)耐久性的影響。

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