机制砂混凝土技术应用及裂缝成因

一、引言

随着天然砂石资源约束趋紧和环境保护日益增强，机制砂逐渐成为混凝土骨架的关键原料。目前，机制砂生产已由简单分散的人工或半机械的作坊逐步转变为标准化规模化的工厂，但机制砂制造业仍面临着质量保障能力弱、产业结构不合理、绿色发展水平低、局部供求不平衡等突出问题，需要突破关键技术，以机制砂的颗粒整形、级配调整、节能降耗、综合利用等为重点，提高工艺装备的自动化、机械化程度，推广使用变频、智能控制等综合节能减排技术。

机制砂与传统天然河砂相比，主要在 0.075mm 以下粉料含量、粉料组成、颗粒矿物组成、颗粒级配及颗粒形状等方面存在一定的差别，且由于生产原石本身的特性及制砂流程和所用机械的不同，各砂石厂生产出的机制砂在0.075 mm以下粉料含量、粉料组成、颗粒矿物组成、颗粒级配及颗粒形状等方面也有所不同，在以往的探究中多得出了“机制砂颗粒形状较差、表面粗糙、粉料含量较大”的结论，其不规则的颗粒形状、粗糙的表面、较大的粉料含量被误认为是其性能上的缺点，也一直是业内技术人员关注的重点。

二、机制砂质量指标的限制

把机制砂纳入国家标准《建筑用砂》（GB/T 14684）,其粉料含量就一直是评判机制砂质量的重要指标，标准中把 0.075mm 以下的颗粒直接称为 “石粉”，其含量即为“石粉含量”,并根据机制砂的 MB 值（以 MB 值 1.4g/kg 来划分）来划分不同类别（Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类） 机制砂粉料含量的限值。

机制砂中的泥粉（MB 值）“泥粉颗粒”与石粉颗粒的粒径都小于 0.075mm，作为粉料存在于机制砂中，但它们的结构和性质却大不相同，泥粉中含有的粘土矿物一般为：含水的铝硅酸盐、镁硅酸盐和铁硅酸盐等组成的层状结构，与石粉相比，层状结构的粘土矿物中存在着大量的空隙，其比表面积较大，吸附性较强，且其吸水性和湿胀干缩性对混凝土拌合物工作性能有很大的影响。

目前，国家的标准采用亚甲蓝 MB 值的测定来判断机制砂中粘土颗粒的吸附能力，亚甲蓝的分子结构如图 1-2 所示，亚甲蓝分子带有一定量的正电荷。当粘土矿物遇水时，其中的Al3+与水作用形成胶体，根据扩散双电层理论，在胶体中，固体与液体接触的表面由于电离或吸附离子而带电，粘土颗粒较强的吸附性能以及表面所带的负电与石粉相比泥粉（即粘土颗粒）更容易吸附亚甲蓝溶液。

机制砂通过岩石破碎得到，生产过程中在节理面开裂，其颗粒形状不规则、有棱角，且针片状含量较高，其表面粗糙度主要是由生产机制砂母岩的特性、形成机理以及生产过程中所使用的破碎机械等因素共同决定；机制砂颗粒的圆度反映了其形状的棱角性，长宽比则反映了针片性，会增加拌合物的流动阻力，不规则的颗粒形状也会使其与浆体的粘结力发生变化，改变界面过渡区的结构。在硬化混凝土中，机制砂与水泥浆体直接粘结在一起，其表面的粗糙程度直接影响与水泥浆体的粘结，粉料含量的变化导致其颗粒级配随之发生改变，粘土颗粒含量及种类的变化则影响其 MB 值，而粉料含量和 MB 值对混凝土新拌合物的工作性有着明显的影响。

三、机制砂混凝土的微观结构

混凝土可以看成一种由集料、水泥浆和它们之间的粘结处（界面过渡区）所构成的复合材料。其微观结构对混凝土的力学性能、体积稳定性及耐久性有着显著的影响。界面过渡区有 3 大特点：低密度或高孔隙率，呈优先取向的Ca(OH)2 晶体，微裂缝。界面过渡区的性质除了受水泥用量、品种和性能，掺合料种类、质量和掺加比例，水胶比，养护条件等因素的影响外，还与骨料的特性有密切相关。骨料的尺寸、级配、形状、表面形貌、吸水率、矿物组成等对界面过渡区的性能具有非常重要的影响。此外，由于浆体与骨料的弹性模量和线膨胀系数等的不同，使界面过渡区成为混凝土中应力最为集中的区域，因此浆体—骨料界面的特性及其抵抗外力变形的能力在很大程度上决定着混凝土的力学性能和耐久性能。

四、机制砂混凝土的宏观性能

混凝土宏观性能（抗压强度、氯离子渗透、冻融循环、干燥收缩）的差异都是其微观结构不同的体现。机制砂在相同的颗粒级配及粉料组成下，不规则的颗粒形状对混凝土的坍落度及抗氯离子渗透性能基本没有影响；抗压强度主要与其界面过渡区的结构有关，而孔结构及孔径分布则对混凝土的耐久性和体积稳定性有着显著的影响。

混凝土在冻融循环和干燥收缩中都是内部水的形态发生变化、发生迁移从而对宏观的结构产生影响，其存在于混凝土内部的孔隙中，在冻融循环中，孔隙中的水由于低温结冰发生体积膨胀，从而改变了孔隙的大小，由其是较大的孔隙，在冻融循环中内部的水更容易结冰产生体积膨胀，在内部产生裂纹从而破坏宏观结构；而在干燥收缩过程中，也正是这部分孔隙中的水迁移到混凝土表面挥发，造成内部应力的改变，从而引起混凝土的宏观收缩，也会在内部产生裂缝破坏宏观结构。

五、混凝土裂缝成因

裂缝对混凝土来讲是绝对有害的，目前在国内是技术难点；高强度等级混凝土比低强度等级混凝土更容易开裂，对推广应用形成阻碍。混凝土裂缝主要是由混凝土体积收缩导致的，其主要是以干燥收缩为主，混凝土原材料对收缩有直接影响，如何有效控制混凝土收缩问题，应立足原材料问题。

混凝土收缩包括：化学收缩（自收缩）、干燥收缩、塑性收缩以及温度收缩，其中自收缩和干燥收缩是混凝土发生收缩变形的主要方式。干燥收缩是指混凝土处于湿度较低环境时，混凝土内部水泥毛细孔和胶凝孔失去水分导致的干燥收缩；普遍认为，混凝土处于干燥环境时，内部孔结构因温度升高失去水分，毛细孔和胶凝孔失去水分后，无法填补空隙，为维持平衡状态，产生向内的拉力，引发体积减小，产生干缩现象。化学收缩是在水泥水化过程中反应后水化产物的绝对体积小于水化前水泥和水的绝对体积；高标号混凝土和普通混凝土相比较，一般自收缩值较大，原因在于高标号混凝土水胶比较低，水泥用量大，早期水化速率较快，内部毛细孔和胶凝孔失水速率增加，自收缩变大。

混凝土水胶比越小其干燥收缩率也越小，即混凝土干燥收缩率随水胶比增加而增加。主要原因在于：水胶比大小决定了混凝土浆体的可蒸发水量，以及可迁移至表面的水量。混凝土干燥收缩形成原因在于其内部毛细孔可胶凝孔中水分的散失，使混凝土内部产生拉应力，从而引起体积收缩。水胶比越小，混凝土孔隙率越小，细孔含量较大，毛细孔越小其本身维持水分的能力越强，从而失水率越小，混凝土干燥收缩也越小。随着混凝土龄期的增长，一方面，水化反应越发充分，混凝土内部可散失水分随之减少，且空隙尺寸不断细化，可压缩空间减小，另一方面混凝土逐渐形成骨架，弹性模量增大，抵抗收缩能力越强，表现为混凝土干燥收缩在前期发展较快，后期发展逐渐减缓。混凝土水胶比越小其干燥收缩率也越小；反之，干燥收缩率随水胶比增加而增加，且其收缩大小和密实程度有直接关系。因此，减小混凝土的体积收缩变形，控制由约束产生的收缩应力水平，是防止混凝土出现早期裂缝的措施。

混凝土新拌合物在水化过程中会消耗水泥和水生成水化产物，其水化产物的体积小于被消耗水泥和水体积的总和，会使毛细空隙压力增大；随着内部平均孔径的不断减小，收缩开裂就会越发明显。其次，水泥加水发生水化反应，释放大量水化热，使混凝土内部温度升高发生膨胀；当水泥的水化反应减缓的时候，内部温度降低而产生收缩变形，收缩应力使混凝土出现裂缝。混凝土的配合比及外加剂的掺入也加大了混凝土产生裂缝的趋势，水胶比低使混凝土中的自由水分减少，混凝土析水速率大大降低，表面水分迅速蒸发 而得不到及时补充，导致塑性收缩加大，抗开裂能力变差。减水剂的分散作用，释放出大量絮凝结构中的游离水，加速了水泥的水化，给水分的消耗及蒸发创造条件。混凝土内部的失水使集料间或与界面结构的连接处存在空隙，造成毛细孔内水产生表面张力，导致混凝土产生体积收缩，出现裂缝。

混凝土具有热胀冷缩和湿胀干缩的特性，是热的不良导体，在外界环境中混凝土内外温差和湿度变化较大时，使混凝土结构产生湿度梯度与温度梯度，导致表面与内部产生膨胀或收缩不一致。因此，由内外约束产生的差异就导致了混凝土表面出现收缩裂缝，而且环境中湿度、温度的周期性变化也对混凝土收缩开裂有着极大的影响。混凝土结构在使用期间，处处受到约束，即使没有外力的情况下，其内部的钢筋及温差也会对混凝土起着约束的作用而产生裂缝。

        ▲ 混凝土收缩开裂趋势分析 ▲

混凝土结构耐久性和裂缝的关系、裂缝产生的根本原因可以通过下图所示进行分析。

        ▲ 混凝土早期开裂原因分析 ▲

混凝土的早期开裂主要源于水泥的水化热温升，降低水化热才是有效地防止混凝土出现早期开裂措施。水泥水化热的放热速率取决于水泥各矿物成分，其中 C3A 水化热最大，其次是 C3S；C3A 和 C3S 含量高的水泥水化热较大，发热速率快，其混凝土的早期强度较高。水化放热与水胶比和水泥用量有着直接的关系。水胶比较低时，水泥用量大，C3A 和 C3S  含量大，则混凝土水化时初始放热量大，内部温升快；随着水化的继续进行，最初的充水空间被固体水化物所填充，水泥石内没有足够的空间提供给接下来的水化反应所生成的水化物，水化反应停止。由此表明，胶凝材料早期的水化热使混凝土内部温度升高，造成内部膨胀、外部收缩而产生拉应力，当拉应力不断发展超过抗拉强度时混凝土表面产生裂缝。

六、展望

通过对机制砂混凝土中机制砂质量指标的限制、微观结构和宏观性能及裂缝成因的综述，一方面分析混凝土的损伤机理，深入地对机制砂混凝土因温度应力造成的损伤进行阐述；另一方面从混凝土的耐久性能分析，进一步探讨机制砂混凝土的早期收缩变形、约束程度及裂缝对耐久性的影响。

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