高性能混凝土是以耐久性為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，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(shí)現(xiàn)混凝土行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求，也是推動(dòng)建材行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)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(jī)制骨料，按照粒徑大小可分為粗骨料（石）和細(xì)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(hù)力度日益增強(qiáng)，機(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)大等突出問題。這些低品質(zhì)的機(jī)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(qiáng)對機(jī)制骨料品質(zhì)不高這個(gè)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(jī)制骨料的研究，主要集中在常規(guī)混凝土用機(jī)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(jī)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(jī)制骨料需滿足的主要品質(zhì)進(jìn)行分析，并從機(jī)制骨料制備技術(shù)方面探討影響機(jī)制骨料品質(zhì)的主要因素，從而為有針對性地提高機(jī)制骨料制備技術(shù)、改善機(jī)制骨料品質(zhì)，進(jìn)而推動(dòng)高性能混凝土用機(jī)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(jī)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(jī)制骨料的顆粒粒形、顆粒級配、細(xì)度模數(shù)、石粉含量和有害物質(zhì)含量、堅(jiān)固性、壓碎指標(biāo)等，都會(huì)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(xì)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(jiān)固性、壓碎指標(biāo)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(jī)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(xì)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(qiáng)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(jī)制骨料粒形的好壞。
針、片狀顆粒含量過多會(huì)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(shí)度，進(jìn)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?jǐn)?shù)超過10%，會(huì)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?jǐn)?shù)從0增加到15%時(shí)，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(jìn)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(dòng)阻力，降低其工作性、可泵性，甚至導(dǎo)致在泵送時(shí)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?jǐn)?shù)增加會(huì)降低混凝土拌合物坍落度和坍落擴(kuò)展度，尤其當(dāng)針、片狀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過15%時(shí)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(qiáng)度。廉慧珍等認(rèn)為在外力作用下，針、片狀顆粒會(huì)因應(yīng)力集中、彎曲應(yīng)力過大而提前斷裂，降低混凝土強(qiáng)度。一般認(rèn)為混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的影響也越明顯。
一些學(xué)者認(rèn)為，除針、片狀顆粒之外，不規(guī)則顆粒也會(huì)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?jǐn)?shù)大于30%時(shí)，混凝土坍落度降低15%，氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速增大；當(dāng)不規(guī)則顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%時(shí)，混凝土強(qiáng)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(shí)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(rèn)為粗骨料中針、片狀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過15%時(shí)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?jǐn)?shù)分別在2%和4%以上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致C50和C40高性能混凝土強(qiáng)度明顯下降。因此，今后很有必要加強(qiáng)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(xì)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(shí)度，改善混凝土性能。
粗骨料級配往往不如細(xì)骨料級配那樣受到人們的重視，但實(shí)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(rèn)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(jìn)而導(dǎo)致混凝土的膠凝材料用量、用水量遠(yuǎn)高于西方國家，也嚴(yán)重影響了混凝土質(zhì)量。艾長發(fā)等認(rèn)為細(xì)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(qiáng)度的主要因素。通過模型預(yù)測和試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)相比，大幅提高了對粗細(xì)骨料級配的要求，特別是將細(xì)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(kuò)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(xì)骨料中含有較多的石子特別是粒徑較大的石子時(shí)也會(huì)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(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可限制細(xì)骨料中所含石子最大粒徑不超過9.5mm，以避免細(xì)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(xì)度模數(shù)
細(xì)度模數(shù)是衡量細(xì)骨料整體粗細(xì)程度的指標(biāo)。在級配符合要求的情況下，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)大、粗顆粒含量高，有利于提高混凝土拌合物流動(dòng)性，但也會(huì)降低其黏聚性和保水性。研究了用細(xì)度模數(shù)分別為2.4，2.6，2.92和3的石灰?guī)r細(xì)骨料制備的混凝土的性能之后，發(fā)現(xiàn)細(xì)度模數(shù)為2.78時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最大，且細(xì)度模數(shù)較高的混凝土拌合物工作性相對較好。但若細(xì)度模數(shù)過大，會(huì)造成細(xì)骨料中粗顆粒過多、細(xì)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(jī)制骨料而言，較為理想的細(xì)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(jī)制砂的重要標(biāo)志。適量的石粉具有潤滑、填充和保水作用：彌補(bǔ)機(jī)制骨料表面粗糙的缺點(diǎn)，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(shí)度、強(qiáng)度和耐久性；石粉比表面積大、吸水性強(qiáng)，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(shí)，混凝土變得干稠，成型時(shí)漿體難以拌合均勻，且水泥石或界面過渡區(qū)中會(huì)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(huì)降低水泥漿強(qiáng)度，從而降低混凝土密實(shí)度、強(qiáng)度、工作性、耐久性等性能。通常情況下，混凝土強(qiáng)度等級不同，最佳石粉含量也不同，且混凝土強(qiáng)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(qiáng)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(shí)不僅考慮了石粉亞甲藍(lán)值，也將石粉流動(dòng)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?yàn)闈M足石粉含量要求而采用水洗等辦法，造成細(xì)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(jī)制骨料品質(zhì)主要影響因素
目前市售機(jī)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(xì)度模數(shù)偏大、普遍都在3.4以上；石粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，甚至達(dá)到20%以上等問題較為普遍。造成機(jī)制骨料品質(zhì)不高的原因眾多，如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、人們思想認(rèn)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(jī)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(jī)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(shí)，會(huì)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(jī)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(rèn)為用石灰?guī)r制備的機(jī)制骨料粒形相對較好，如謝華兵認(rèn)為用花崗巖制備的細(xì)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(rèn)為石灰?guī)r制備的細(xì)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(jī)制砂的粒形特征，發(fā)現(xiàn)砂巖機(jī)制砂較為渾圓、粒形較好，花崗巖機(jī)制砂較為扁平、片狀顆粒較多，而灰?guī)r機(jī)制砂較為狹長、針狀顆粒較多。
此外，不同類型的巖石強(qiáng)度不同，強(qiáng)度低的巖石被破碎時(shí)易產(chǎn)生細(xì)顆粒和較多石粉。如石灰?guī)r強(qiáng)度較低，容易出現(xiàn)過粉碎現(xiàn)象，石粉含量往往偏高?？梢姡谖覈笆髽I(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(jī)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(jī)制骨料粒形等品質(zhì)的機(jī)理研究非常匱乏。今后應(yīng)加強(qiáng)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(qiáng)機(jī)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(jī)制骨料的母巖。
2.2 生產(chǎn)工藝
在實(shí)際生產(chǎn)中，很多砂石企業(yè)僅進(jìn)行兩次破碎一次篩分。如貴州市場上的機(jī)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(xì)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?yàn)槿狈φ味鴮?dǎo)致骨料粒形不好，也容易因?yàn)槠扑椴粔蚨鴮?dǎo)致骨料細(xì)度模數(shù)偏大，以及因?yàn)楹Y分過少不能及時(shí)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(jìn)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(huì)造成細(xì)顆粒大量流失，惡化顆粒級配，使細(xì)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(qiáng)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(shí)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(yùn)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(jī)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(jī)產(chǎn)品優(yōu)于反擊式破碎機(jī)，圓錐式破碎機(jī)、旋回式破碎機(jī)優(yōu)于顎式破碎機(jī)，立軸沖擊式破碎機(jī)優(yōu)于圓錐式破碎機(jī)。但立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)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(xì)度模數(shù)大、“啞鈴型”甚至間斷級配，而且由于價(jià)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(jī)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(jī)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(yùn)行所需條件、不注重設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，將會(huì)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(xì)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(hù)；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(biāo)，注重研究引進(jìn)化工、礦物加工等行業(yè)相關(guān)設(shè)備，如可研究（半）礫磨機(jī)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(jìn)碳達(dá)峰、碳中和系列政策的實(shí)施，作為綠色低碳建筑材料的高性能混凝土必會(huì)迎來更為廣闊的發(fā)展空間，高性能混凝土用機(jī)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(yuǎn)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(xì)度模數(shù)、石粉含量等品質(zhì)為重點(diǎn)，嚴(yán)把原料使用關(guān)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、研發(fā)新型設(shè)備、加強(qiáng)機(jī)理研究，努力提高機(jī)制骨料制備技術(shù)水平，促進(jìn)機(jī)制骨料和高性能混凝土行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
