高性能混凝土是以耐久性為主要設(shè)計指標，在大幅度提高常規(guī)混凝土性能的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的高技術(shù)混凝土。作為一種重要的綠色建材，高性能混凝土的推廣應(yīng)用既是實現(xiàn)混凝土行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求，也是推動建材行業(yè)實現(xiàn)碳達峰和碳中和目標的有效舉措。 骨料是在混凝土中起骨架、填充和穩(wěn)定體積作用的巖石顆粒等粒狀松散材料，也常被稱作集料、砂石料。骨料約占混凝土體積的70%～80%，是影響混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵因素，甚至在很大程度上決定著能否穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格的混凝土。骨料按照來源可分為天然骨料和機制骨料，按照粒徑大小可分為粗骨料（石）和細骨料（砂）。長期以來，我國絕大部分地區(qū)混凝土生產(chǎn)主要使用天然骨料，但隨著天然骨料資源逐漸減少和環(huán)境保護力度日益增強，機制骨料已經(jīng)取代天然骨料成為建設(shè)市場最主要的骨料來源，并占到建設(shè)用骨料的70%左右。
但從整體上看，由于機制骨料的級配調(diào)整、顆粒整形等制備技術(shù)水平不高等原因，許多砂石企業(yè)生產(chǎn)的機制骨料質(zhì)量較差，尤其是存在著粒形不好、級配不良、石粉含量波動大等突出問題。這些低品質(zhì)的機制骨料，即使用于常規(guī)混凝土也大多需要搭配天然骨料，更難以滿足高性能混凝土的要求。加強對機制骨料品質(zhì)不高這個制約高性能混凝土發(fā)展應(yīng)用的瓶頸問題的研究，已經(jīng)成為非常必要又十分緊迫的任務(wù)。 目前關(guān)于機制骨料的研究，主要集中在常規(guī)混凝土用機制砂的性質(zhì)和對混凝土性能的影響方面，而有關(guān)高性能混凝土用機制骨料的系統(tǒng)研究則并不多見。筆者擬對高性能混凝土用機制骨料需滿足的主要品質(zhì)進行分析，并從機制骨料制備技術(shù)方面探討影響機制骨料品質(zhì)的主要因素，從而為有針對性地提高機制骨料制備技術(shù)、改善機制骨料品質(zhì)，進而推動高性能混凝土用機制骨料行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、緩解高性能混凝土用骨料供需矛盾提供一定的參考。
1　高性能混凝土用機制骨料主要品質(zhì)要求
高性能混凝土在宏觀上是由水泥石、骨料和界面過渡區(qū)組成的非勻質(zhì)復(fù)合多孔材料，耐久性是其核心性能，工作性是目前急需提升且與骨料品質(zhì)關(guān)系密切的特性。骨料在高性能混凝土中發(fā)揮著骨架支撐和承受外力、穩(wěn)定體積和抑制變形、調(diào)控密度和溫度變化等作用，對高性能混凝土的耐久性能、工作性能和力學(xué)性能都具有重要影響，是混凝土技術(shù)的兩大核心問題之一。 機制骨料的顆粒粒形、顆粒級配、細度模數(shù)、石粉含量和有害物質(zhì)含量、堅固性、壓碎指標等，都會對高性能混凝土性能產(chǎn)生不同程度的影響，而其中尤以顆粒粒形和顆粒級配最為重要。許多研究成果也表明，細度模數(shù)和石粉含量也對高性能混凝土耐久性、工作性等性能具有重要影響，而有害物質(zhì)含量、堅固性、壓碎指標等主要通過篩選合適的母巖加以控制，且其合理性通常能夠得到保證。因此，要生產(chǎn)出符合高性能混凝土要求的機制骨料，就應(yīng)該保證其具有良好的粒形、合理的級配、適宜的細度模數(shù)和適當(dāng)?shù)氖酆俊?
1.1　良好的粒形
粒形是影響高性能混凝土工作性、耐久性、強度的重要因素。較好的粒形是接近球形或立方體，較差的粒形是針、片狀。通常是以針、片狀顆粒含量來衡量機制骨料粒形的好壞。 針、片狀顆粒含量過多會帶來很多的危害： 1）增大骨料之間的空隙率，降低混凝土密實度，進而降低其耐久性。王浩等發(fā)現(xiàn)粗骨料針、片狀顆粒的質(zhì)量分數(shù)超過10%，會明顯增加硬化混凝土28d電通量；當(dāng)針、片狀顆粒的質(zhì)量分數(shù)從0增加到15%時，混凝土電通量增長17.6%。 2）增大骨料比表面積和空隙率，需要更多的水泥漿體進行填充和包裹，增加單位體積用水量和膠凝材料用量，造成對混凝土性能的一系列不利影響。 3）增加混凝土拌合物流動阻力，降低其工作性、可泵性，甚至導(dǎo)致在泵送時發(fā)生堵管。韓宏偉發(fā)現(xiàn)粗骨料針、片狀顆粒的質(zhì)量分數(shù)增加會降低混凝土拌合物坍落度和坍落擴展度，尤其當(dāng)針、片狀顆粒的質(zhì)量分數(shù)超過15%時表現(xiàn)非常明顯。 4）降低骨料與水泥漿的黏結(jié)能力，降低混凝土強度。廉慧珍等認為在外力作用下，針、片狀顆粒會因應(yīng)力集中、彎曲應(yīng)力過大而提前斷裂，降低混凝土強度。一般認為混凝土抗壓強度越高，骨料中片狀顆粒的脆性越容易表現(xiàn)出來，對混凝土抗壓強度的影響也越明顯。 一些學(xué)者認為，除針、片狀顆粒之外，不規(guī)則顆粒也會對混凝土性能產(chǎn)生不良影響。宋少民等發(fā)現(xiàn)當(dāng)不規(guī)則顆粒的質(zhì)量分數(shù)大于30%時，混凝土坍落度降低15%，氯離子擴散系數(shù)快速增大；當(dāng)不規(guī)則顆粒的質(zhì)量分數(shù)大于40%時，混凝土強度降低15%。因此，JG/T568-2019和GB/T14685—2011相比，新增了對粗骨料中不規(guī)則顆粒含量的規(guī)定。 實際生產(chǎn)中針、片狀顆粒和不規(guī)則顆粒的存在是不可避免的，只要保證其含量在一定范圍內(nèi)便可忽略其對混凝土性能的不利影響，如毛軍和潘琨等認為粗骨料中針、片狀顆粒的質(zhì)量分數(shù)不超過15%時對混凝土性能無明顯影響。但這些研究成果多是針對常規(guī)混凝土而言，并不適合對骨料粒形更為敏感的高性能混凝土，如王博洋等發(fā)現(xiàn)針、片狀顆粒的質(zhì)量分數(shù)分別在2%和4%以上時，會導(dǎo)致C50和C40高性能混凝土強度明顯下降。因此，今后很有必要加強對針、片狀顆粒和不規(guī)則顆粒含量對高性能混凝土性能的影響研究。
1.2　合理的級配
級配幾乎對混凝土的所有性能都有影響。良好的級配不僅應(yīng)該是連續(xù)的，而且還應(yīng)該使骨料之間的空隙率小、骨料比表面積小且有適量的細骨料，以減小膠凝材料用量和單位體積用水量，提高混凝土密實度，改善混凝土性能。 粗骨料級配往往不如細骨料級配那樣受到人們的重視，但實際上粗骨料級配是影響骨料空隙率的重要因素。宋少民等認為，由于粗骨料級配和粒形不好，導(dǎo)致我國市售粗骨料空隙率高，進而導(dǎo)致混凝土的膠凝材料用量、用水量遠高于西方國家，也嚴重影響了混凝土質(zhì)量。艾長發(fā)等認為細骨料顆粒級配和顆粒間連續(xù)程度是決定工作性的關(guān)鍵因素，且4.75mm～1.18mm和1.18mm～0.15mm部分分別是混凝土泌水性和保水性、黏聚性的主要影響因素；4.75mm～1.18mm部分含量和顆粒間組成比例是影響混凝土強度的主要因素。通過模型預(yù)測和試驗研究，發(fā)現(xiàn)骨料級配對混凝土彈性模量具有顯著影響。 由于骨料級配的重要作用和高性能混凝土對骨料的更高要求，JG/T568-2019和GB/T14685-2011，GB/T14684-2011等標準相比，大幅提高了對粗細骨料級配的要求，特別是將細骨料的顆粒級配改為用更科學(xué)合理的分級篩余量表示，擴大了－0.15mm顆粒篩余量范圍，且新增了對篩底篩余量的限制。 值得指出的是，細骨料中含有較多的石子特別是粒徑較大的石子時也會損害混凝土性能，但JG/T568-2019僅規(guī)定了4.75mm分級篩余量不超過5%，并未規(guī)定＋4.75mm顆粒的最大粒徑。在實際應(yīng)用當(dāng)中，可限制細骨料中所含石子最大粒徑不超過9.5mm，以避免細骨料中混入過大石子對高性能混凝土性能造成較大損害。
1.3　適宜的細度模數(shù)
細度模數(shù)是衡量細骨料整體粗細程度的指標。在級配符合要求的情況下，細骨料的細度模數(shù)大、粗顆粒含量高，有利于提高混凝土拌合物流動性，但也會降低其黏聚性和保水性。研究了用細度模數(shù)分別為2.4，2.6，2.92和3的石灰?guī)r細骨料制備的混凝土的性能之后，發(fā)現(xiàn)細度模數(shù)為2.78時混凝土抗壓強度最大，且細度模數(shù)較高的混凝土拌合物工作性相對較好。但若細度模數(shù)過大，會造成細骨料中粗顆粒過多、細顆粒過少、級配不合理甚至某些粒級“斷檔”，從而增加混凝土空隙率和填充所需的漿體用量，降低混凝土的工作性和耐久性。對于高性能混凝土用機制骨料而言，較為理想的細度模數(shù)是2.3～3.2。
1.4　適當(dāng)?shù)氖酆?
石粉是區(qū)分天然砂和機制砂的重要標志。適量的石粉具有潤滑、填充和保水作用：彌補機制骨料表面粗糙的缺點，減少骨料之間的摩擦，提高混凝土拌和物的工作性；填充空隙，改善級配，提高混凝土密實度、強度和耐久性；石粉比表面積大、吸水性強，能增加混凝土拌合物稠度和黏聚性，改善離析、泌水。但當(dāng)石粉含量過大時，混凝土變得干稠，成型時漿體難以拌合均勻，且水泥石或界面過渡區(qū)中會出現(xiàn)游離態(tài)石粉，降低骨料與水泥石的黏結(jié)能力，加之石粉過多意味著粗顆粒較少，骨架作用降低，級配也不合理，還會降低水泥漿強度，從而降低混凝土密實度、強度、工作性、耐久性等性能。通常情況下，混凝土強度等級不同，最佳石粉含量也不同，且混凝土強度等級越大，其石粉含量的合理范圍越小。 以上研究均是基于常規(guī)混凝土展開，但對高性能混凝土而言，由于其中摻加有大量的礦物摻合料，因而石粉的潤滑、填充、保水作用并不明顯，加上高性能混凝土水膠比很低，又極易受到減水劑影響，而石粉及其中可能混雜的泥土都對水、減水劑具有很強的吸附性，故高性能混凝土比常規(guī)混凝土對石粉含量更為敏感。因此，JG/T568-2019在規(guī)定石粉含量時不僅考慮了石粉亞甲藍值，也將石粉流動度比考慮在內(nèi)。此外，由于GB/T14684-2011中有關(guān)石粉含量的規(guī)定過于苛刻，難以被砂石企業(yè)執(zhí)行，或為滿足石粉含量要求而采用水洗等辦法，造成細顆粒流失、級配不合理等問題，JG/T568-2019允許的石粉含量有所增大。
2　高性能混凝土用機制骨料品質(zhì)主要影響因素
目前市售機制骨料總體上品質(zhì)較差，顆粒粒形不好、針片狀顆粒含量高；級配不良、多呈現(xiàn)“兩頭大中間小”的“啞鈴型”而非較為理想的“橄欖型”；細度模數(shù)偏大、普遍都在3.4以上；石粉的質(zhì)量分數(shù)過高，甚至達到20%以上等問題較為普遍。造成機制骨料品質(zhì)不高的原因眾多，如行業(yè)標準規(guī)范、人們思想認識等，但最關(guān)鍵的還是母巖特性、生產(chǎn)工藝、加工設(shè)備等機制骨料制備技術(shù)較為落后。
2.1　母巖特性
高性能混凝土用機制骨料絕大部分是以巖石為原料。不同類型的巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，在受到外力作用時，會形成不同的顆粒形狀，如大理巖和凝灰?guī)r相比，其顆粒形狀更容易受到破碎機類型的影響。目前僅關(guān)于石灰?guī)r的研究相對較多。從已有的研究結(jié)果來看，研究者大多認為用石灰?guī)r制備的機制骨料粒形相對較好，如謝華兵認為用花崗巖制備的細骨料棱角多、粒形差，用石灰?guī)r制備的則相對較好；周鴻煜等認為石灰?guī)r制備的細骨料粒形好于花崗巖，花崗巖好于玄武巖。但也有不同的研究結(jié)論，如王立華等比較了用灰?guī)r、花崗巖、砂巖所制備的機制砂的粒形特征，發(fā)現(xiàn)砂巖機制砂較為渾圓、粒形較好，花崗巖機制砂較為扁平、片狀顆粒較多，而灰?guī)r機制砂較為狹長、針狀顆粒較多。 此外，不同類型的巖石強度不同，強度低的巖石被破碎時易產(chǎn)生細顆粒和較多石粉。如石灰?guī)r強度較低，容易出現(xiàn)過粉碎現(xiàn)象，石粉含量往往偏高。可見，在我國砂石企業(yè)應(yīng)用最多的石灰?guī)r，也并不是非常理想的原料，導(dǎo)致所制備的機制骨料容易出現(xiàn)粒形不好、石粉含量高等問題。 總體來看，目前有關(guān)母巖特性的研究，尤其是不同巖性是如何影響機制骨料粒形等品質(zhì)的機理研究非常匱乏。今后應(yīng)加強對砂石企業(yè)應(yīng)用較多的石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、凝灰?guī)r等的巖性研究，特別注意加強機理分析，以更好指導(dǎo)砂石企業(yè)選取最合適的巖石作為制備機制骨料的母巖。
2.2　生產(chǎn)工藝
在實際生產(chǎn)中，很多砂石企業(yè)僅進行兩次破碎一次篩分。如貴州市場上的機制砂大多采用“兩次破碎一次篩分”的生產(chǎn)工藝，缺乏對粒形的控制。湖北某新投產(chǎn)的500萬t/a骨料生產(chǎn)線最大給料粒徑800mm，產(chǎn)品包括兩種粒級細骨料和三種粒級粗骨料，也僅用兩次破碎、一次篩分。由于工藝設(shè)置不合理，很容易因為缺乏整形而導(dǎo)致骨料粒形不好，也容易因為破碎不夠而導(dǎo)致骨料細度模數(shù)偏大，以及因為篩分過少不能及時分離合格產(chǎn)品，從而出現(xiàn)過粉碎和石粉含量偏高現(xiàn)象。也有較多砂石企業(yè)將－5mm顆粒整體銷售，而不進行整形和篩分分級，也不篩除其中所含的石粉，也就很難保證骨料的粒形、級配和石粉含量符合要求。 此外，一些生產(chǎn)工藝也有其固有弊端。如濕法制砂在水洗過程中會造成細顆粒大量流失，惡化顆粒級配，使細度模數(shù)偏大；干法制砂很容易產(chǎn)生過多的石粉。 因此，既要按照母巖特性和骨料品質(zhì)要求配置必要的破碎、篩分和整形工序，也要加強對新工藝的研究和應(yīng)用，如參考選礦廠、燒結(jié)廠中已經(jīng)非常成熟的工藝，設(shè)置預(yù)先篩分及時分離合格產(chǎn)品減少過粉碎；研究有效去除泥土等雜質(zhì)的工藝方法；產(chǎn)品按單粒粒級或較小粒級范圍存放、銷售；各粒級骨料產(chǎn)品由商混站等用方按需混合、攪拌均勻，減少運輸過程中造成的離析、分層。
2.3　加工設(shè)備
破碎設(shè)備是骨料生產(chǎn)線的核心設(shè)備。不同類型破碎機的產(chǎn)品有著不同的品質(zhì)，如從粒形角度來看，立軸式?jīng)_擊破碎機產(chǎn)品優(yōu)于反擊式破碎機，圓錐式破碎機、旋回式破碎機優(yōu)于顎式破碎機，立軸沖擊式破碎機優(yōu)于圓錐式破碎機。但立軸式?jīng)_擊破碎機雖然在產(chǎn)品整形方面具有顯著優(yōu)勢，卻容易導(dǎo)致產(chǎn)品細度模數(shù)大、“啞鈴型”甚至間斷級配，而且由于價格昂貴、場地要求高等原因，并不是砂石企業(yè)的首選破碎設(shè)備。 這些設(shè)備也都有一定的適用范圍，如“石打石”立軸式?jīng)_擊破碎機對礦石含水率和泥土含量要求苛刻，“石打鐵”立軸式?jīng)_擊破碎機不適合高硬度礦石。如果不能根據(jù)礦石性質(zhì)、工藝流程、設(shè)備適用范圍等合理配置相應(yīng)設(shè)備，以及在生產(chǎn)中不能保證設(shè)備正常運行所需條件、不注重設(shè)備維護保養(yǎng)，將會導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)棱角尖銳、針片狀顆粒含量高和級配、細度模數(shù)不好等問題。 因此，要配置符合礦石性質(zhì)的加工設(shè)備，注重設(shè)備保養(yǎng)維護；還應(yīng)積極研發(fā)新型設(shè)備，特別是提高設(shè)備智能化、信息化水平；并圍繞級配調(diào)整、顆粒整形等關(guān)鍵指標，注重研究引進化工、礦物加工等行業(yè)相關(guān)設(shè)備，如可研究（半）礫磨機等設(shè)備用于骨料選擇性破碎、整形的可行性。
3　結(jié)語
隨著各種重大工程、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和促進碳達峰、碳中和系列政策的實施，作為綠色低碳建筑材料的高性能混凝土必會迎來更為廣闊的發(fā)展空間，高性能混凝土用機制骨料也必將在建設(shè)用骨料市場扮演更為重要的角色。各有關(guān)方面應(yīng)該齊心協(xié)力，用全局、長遠眼光看待骨料品質(zhì)和成本投入的關(guān)系，以骨料顆粒粒形、顆粒級配、細度模數(shù)、石粉含量等品質(zhì)為重點，嚴把原料使用關(guān)、改進生產(chǎn)工藝、研發(fā)新型設(shè)備、加強機理研究，努力提高機制骨料制備技術(shù)水平，促進機制骨料和高性能混凝土行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。