1.1 隨著天然砂石資源約束趨緊和環境保護日益增強，機制砂逐漸成為混凝土骨架的關鍵原料。目前，機制砂生產已由簡單分散的人工或半機械的作坊逐步轉變為標準化規模化的工廠，但機制砂制造業仍面臨著質量保障能力弱、產業結構不合理、綠色發展水平低、局部供求不平衡等突出問題，需要突破關鍵技術，以機制砂的顆粒整形、級配調整、節能降耗、綜合利用等為重點，提高工藝裝備的自動化、機械化程度，推廣使用變頻、智能控制等綜合節能減排技術。

1.2 機制砂與傳統天然河砂相比，主要在 0.075mm 以下粉料含量、粉料組成、顆粒礦物組成、顆粒級配及顆粒形狀等方面存在一定的差別，且由于生產原石本身的特性及制砂流程和所用機械的不同，各砂石廠生產出的機制砂在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“機制砂顆粒形狀較差、表面粗糙、粉料含量較大”的結論，其不規則的顆粒形狀、粗糙的表面、較大的粉料含量被誤認為是其性能上的缺點，也一直是業內技術人員關注的重點。

2.1 把機制砂納入國家標準《建筑用砂》（GB/T 14684）,其粉料含量就一直是評判機制砂質量的重要指標，標準中把 0.075mm 以下的顆粒直接稱為 “石粉”，其含量即為“石粉含量”,并根據機制砂的 MB 值（以 MB 值 1.4g/kg 來劃分）來劃分不同類別（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類） 機制砂粉料含量的限值。

2.2 機制砂中的泥粉（MB 值）“泥粉顆粒”與石粉顆粒的粒徑都小于 0.075mm，作為粉料存在于機制砂中，但它們的結構和性質卻大不相同，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構，與石粉相比，層狀結構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，且其吸水性和濕脹干縮性對混凝土拌合物工作性能有很大的影響。

2.3 目前，國家的標準采用亞甲藍 MB 值的測定來判斷機制砂中粘土顆粒的吸附能力，亞甲藍的分子結構如圖 1-2 所示，亞甲藍分子帶有一定量的正電荷。當粘土礦物遇水時，其中的Al3+與水作用形成膠體，根據擴散雙電層理論，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，粘土顆粒較強的吸附性能以及表面所帶的負電與石粉相比泥粉（即粘土顆粒）更容易吸附亞甲藍溶液。

2.4 機制砂通過巖石破碎得到，生產過程中在節理面開裂，其顆粒形狀不規則、有棱角，且針片狀含量較高，其表面粗糙度主要是由生產機制砂母巖的特性、形成機理以及生產過程中所使用的破碎機械等因素共同決定；機制砂顆粒的圓度反映了其形狀的棱角性，長寬比則反映了針片性，會增加拌合物的流動阻力，不規則的顆粒形狀也會使其與漿體的粘結力發生變化，改變界面過渡區的結構。在硬化混凝土中，機制砂與水泥漿體直接粘結在一起，其表面的粗糙程度直接影響與水泥漿體的粘結，粉料含量的變化導致其顆粒級配隨之發生改變，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處（界面過渡區）所構成的復合材料。其微觀結構對混凝土的力學性能、體積穩定性及耐久性有著顯著的影響。界面過渡區有 3 大特點：低密度或高孔隙率，呈優先取向的Ca(OH)2 晶體，微裂縫。界面過渡區的性質除了受水泥用量、品種和性能，摻合料種類、質量和摻加比例，水膠比，養護條件等因素的影響外，還與骨料的特性有密切相關。骨料的尺寸、級配、形狀、表面形貌、吸水率、礦物組成等對界面過渡區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等的不同，使界面過渡區成為混凝土中應力最為集中的區域，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性能和耐久性能。

4.1 混凝土宏觀性能（抗壓強度、氯離子滲透、凍融循環、干燥收縮）的差異都是其微觀結構不同的體現。機制砂在相同的顆粒級配及粉料組成下，不規則的顆粒形狀對混凝土的坍落度及抗氯離子滲透性能基本沒有影響；抗壓強度主要與其界面過渡區的結構有關，而孔結構及孔徑分布則對混凝土的耐久性和體積穩定性有著顯著的影響。

4.2 混凝土在凍融循環和干燥收縮中都是內部水的形態發生變化、發生遷移從而對宏觀的結構產生影響，其存在于混凝土內部的孔隙中，在凍融循環中，孔隙中的水由于低溫結冰發生體積膨脹，從而改變了孔隙的大小，由其是較大的孔隙，在凍融循環中內部的水更容易結冰產生體積膨脹，在內部產生裂紋從而破壞宏觀結構；而在干燥收縮過程中，也正是這部分孔隙中的水遷移到混凝土表面揮發，造成內部應力的改變，從而引起混凝土的宏觀收縮，也會在內部產生裂縫破壞宏觀結構。

5.1 裂縫對混凝土來講是絕對有害的，目前在國內是技術難點；高強度等級混凝土比低強度等級混凝土更容易開裂，對推廣應用形成阻礙。混凝土裂縫主要是由混凝土體積收縮導致的，其主要是以干燥收縮為主，混凝土原材料對收縮有直接影響，如何有效控制混凝土收縮問題，應立足原材料問題。

5.2 混凝土收縮包括：化學收縮（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境時，混凝土內部水泥毛細孔和膠凝孔失去水分導致的干燥收縮；普遍認為，混凝土處于干燥環境時，內部孔結構因溫度升高失去水分，毛細孔和膠凝孔失去水分后，無法填補空隙，為維持平衡狀態，產生向內的拉力，引發體積減小，產生干縮現象。化學收縮是在水泥水化過程中反應后水化產物的絕對體積小于水化前水泥和水的絕對體積；高標號混凝土和普通混凝土相比較，一般自收縮值較大，原因在于高標號混凝土水膠比較低，水泥用量大，早期水化速率較快，內部毛細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部毛細孔可膠凝孔中水分的散失，使混凝土內部產生拉應力，從而引起體積收縮。水膠比越小，混凝土孔隙率越小，細孔含量較大，毛細孔越小其本身維持水分的能力越強，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，一方面，水化反應越發充分，混凝土內部可散失水分隨之減少，且空隙尺寸不斷細化，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，表現為混凝土干燥收縮在前期發展較快，后期發展逐漸減緩。混凝土水膠比越小其干燥收縮率也越小；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程度有直接關系。因此，減小混凝土的體積收縮變形，控制由約束產生的收縮應力水平，是防止混凝土出現早期裂縫的措施。

5.4 混凝土新拌合物在水化過程中會消耗水泥和水生成水化產物，其水化產物的體積小于被消耗水泥和水體積的總和，會使毛細空隙壓力增大；隨著內部平均孔徑的不斷減小，收縮開裂就會越發明顯。其次，水泥加水發生水化反應，釋放大量水化熱，使混凝土內部溫度升高發生膨脹；當水泥的水化反應減緩的時候，內部溫度降低而產生收縮變形，收縮應力使混凝土出現裂縫。混凝土的配合比及外加劑的摻入也加大了混凝土產生裂縫的趨勢，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 而得不到及時補充，導致塑性收縮加大，抗開裂能力變差。減水劑的分散作用，釋放出大量絮凝結構中的游離水，加速了水泥的水化，給水分的消耗及蒸發創造條件。混凝土內部的失水使集料間或與界面結構的連接處存在空隙，造成毛細孔內水產生表面張力，導致混凝土產生體積收縮，出現裂縫。

5.5 混凝土具有熱脹冷縮和濕脹干縮的特性，是熱的不良導體，在外界環境中混凝土內外溫差和濕度變化較大時，使混凝土結構產生濕度梯度與溫度梯度，導致表面與內部產生膨脹或收縮不一致。因此，由內外約束產生的差異就導致了混凝土表面出現收縮裂縫，而且環境中濕度、溫度的周期性變化也對混凝土收縮開裂有著極大的影響。混凝土結構在使用期間，處處受到約束，即使沒有外力的情況下，其內部的鋼筋及溫差也會對混凝土起著約束的作用而產生裂縫。

▲ 混凝土收縮開裂趨勢分析 ▲

混凝土結構耐久性和裂縫的關系、裂縫產生的根本原因可以通過下圖所示進行分析。

▲ 混凝土早期開裂原因分析 ▲

5.6 混凝土的早期開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早期開裂措施。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，發熱速率快，其混凝土的早期強度較高。水化放熱與水膠比和水泥用量有著直接的關系。水膠比較低時，水泥用量大，C3A 和 C3S 含量大，則混凝土水化時初始放熱量大，內部溫升快；隨著水化的繼續進行，最初的充水空間被固體水化物所填充，水泥石內沒有足夠的空間提供給接下來的水化反應所生成的水化物，水化反應停止。由此表明，膠凝材料早期的水化熱使混凝土內部溫度升高，造成內部膨脹、外部收縮而產生拉應力，當拉應力不斷發展超過抗拉強度時混凝土表面產生裂縫。

通過對機制砂混凝土中機制砂質量指標的限制、微觀結構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理，深入地對機制砂混凝土因溫度應力造成的損傷進行闡述；另一方面從混凝土的耐久性能分析，進一步探討機制砂混凝土的早期收縮變形、約束程度及裂縫對耐久性的影響。

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