高性能(néng)混凝土(tǔ)是以耐久性為(wèi)主要設計指标，在大幅度提高常規混凝土(tǔ)性能(néng)的基礎上(shàng)，采用現(xiàn)代混凝土(tǔ)技術制作(zuò)的高技術混凝土(tǔ)。作(zuò)為(wèi)一(yī)種重要的綠(lǜ)色建材，高性能(néng)混凝土(tǔ)的推廣應用既是實現(xiàn)混凝土(tǔ)行業高質量發展的必然要求，也(yě)是推動建材行業實現(xiàn)碳達峰和碳中和目标的有效舉措。 骨料是在混凝土(tǔ)中起骨架、填充和穩定體(tǐ)積作(zuò)用的岩石顆粒等粒狀松散材料，也(yě)常被稱作(zuò)集料、砂石料。骨料約占混凝土(tǔ)體(tǐ)積的70%～80%，是影響混凝土(tǔ)質量的關(guān)鍵因素，甚至在很大程度上(shàng)決定着能(néng)否穩定地生(shēng)産出合格的混凝土(tǔ)。骨料按照來(lái)源可分(fēn)為(wèi)天然骨料和機制骨料，按照粒徑大小可分(fēn)為(wèi)粗骨料（石）和細骨料（砂）。長期以來(lái)，我國絕大部分(fēn)地區混凝土(tǔ)生(shēng)産主要使用天然骨料，但(dàn)随着天然骨料資源逐漸減少和環境保護力度日益增強，機制骨料已經取代天然骨料成為(wèi)建設市(shì)場(chǎng)最主要的骨料來(lái)源，并占到建設用骨料的70%左右。
但(dàn)從整體(tǐ)上(shàng)看，由于機制骨料的級配調整、顆粒整形等制備技術水平不高等原因，許多砂石企業生(shēng)産的機制骨料質量較差，尤其是存在着粒形不好(hǎo)(hǎo)、級配不良、石粉含量波動大等突出問題。這(zhè)些(xiē)低(dī)品質的機制骨料，即使用于常規混凝土(tǔ)也(yě)大多需要搭配天然骨料，更難以滿足高性能(néng)混凝土(tǔ)的要求。加強對機制骨料品質不高這(zhè)個(gè)制約高性能(néng)混凝土(tǔ)發展應用的瓶頸問題的研究，已經成為(wèi)非常必要又十分(fēn)緊迫的任務(wù)。 目前關(guān)于機制骨料的研究，主要集中在常規混凝土(tǔ)用機制砂的性質和對混凝土(tǔ)性能(néng)的影響方面，而有關(guān)高性能(néng)混凝土(tǔ)用機制骨料的系統研究則并不多見。筆者拟對高性能(néng)混凝土(tǔ)用機制骨料需滿足的主要品質進行分(fēn)析，并從機制骨料制備技術方面探討(tǎo)影響機制骨料品質的主要因素，從而為(wèi)有針對性地提高機制骨料制備技術、改善機制骨料品質，進而推動高性能(néng)混凝土(tǔ)用機制骨料行業高質量發展、緩解高性能(néng)混凝土(tǔ)用骨料供需矛盾提供一(yī)定的參考。
1　高性能(néng)混凝土(tǔ)用機制骨料主要品質要求
高性能(néng)混凝土(tǔ)在宏觀上(shàng)是由水泥石、骨料和界面過渡區組成的非勻質複合多孔材料，耐久性是其核心性能(néng)，工作(zuò)性是目前急需提升且與骨料品質關(guān)系密切的特性。骨料在高性能(néng)混凝土(tǔ)中發揮着骨架支撐和承受外力、穩定體(tǐ)積和抑制變形、調控密度和溫度變化(huà)等作(zuò)用，對高性能(néng)混凝土(tǔ)的耐久性能(néng)、工作(zuò)性能(néng)和力學性能(néng)都具有重要影響，是混凝土(tǔ)技術的兩大核心問題之一(yī)。 機制骨料的顆粒粒形、顆粒級配、細度模數、石粉含量和有害物質含量、堅固性、壓碎指标等，都會對高性能(néng)混凝土(tǔ)性能(néng)産生(shēng)不同程度的影響，而其中尤以顆粒粒形和顆粒級配最為(wèi)重要。許多研究成果也(yě)表明，細度模數和石粉含量也(yě)對高性能(néng)混凝土(tǔ)耐久性、工作(zuò)性等性能(néng)具有重要影響，而有害物質含量、堅固性、壓碎指标等主要通過篩選合适的母岩加以控制，且其合理(lǐ)性通常能(néng)夠得到保證。因此，要生(shēng)産出符合高性能(néng)混凝土(tǔ)要求的機制骨料，就(jiù)應該保證其具有良好(hǎo)(hǎo)的粒形、合理(lǐ)的級配、适宜的細度模數和适當的石粉含量。
1.1　良好(hǎo)(hǎo)的粒形
粒形是影響高性能(néng)混凝土(tǔ)工作(zuò)性、耐久性、強度的重要因素。較好(hǎo)(hǎo)的粒形是接近球形或立方體(tǐ)，較差的粒形是針、片狀。通常是以針、片狀顆粒含量來(lái)衡量機制骨料粒形的好(hǎo)(hǎo)壞。 針、片狀顆粒含量過多會帶來(lái)很多的危害： 1）增大骨料之間(jiān)的空隙率，降低(dī)混凝土(tǔ)密實度，進而降低(dī)其耐久性。王浩等發現(xiàn)粗骨料針、片狀顆粒的質量分(fēn)數超過10%，會明顯增加硬化(huà)混凝土(tǔ)28d電通量；當針、片狀顆粒的質量分(fēn)數從0增加到15%時(shí)，混凝土(tǔ)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(tǐ)進行填充和包裹，增加單位體(tǐ)積用水量和膠凝材料用量，造成對混凝土(tǔ)性能(néng)的一(yī)系列不利影響。 3）增加混凝土(tǔ)拌合物流動阻力，降低(dī)其工作(zuò)性、可泵性，甚至導緻在泵送時(shí)發生(shēng)堵管。韓宏偉發現(xiàn)粗骨料針、片狀顆粒的質量分(fēn)數增加會降低(dī)混凝土(tǔ)拌合物坍落度和坍落擴展度，尤其當針、片狀顆粒的質量分(fēn)數超過15%時(shí)表現(xiàn)非常明顯。 4）降低(dī)骨料與水泥漿的黏結能(néng)力，降低(dī)混凝土(tǔ)強度。廉慧珍等認為(wèi)在外力作(zuò)用下(xià)，針、片狀顆粒會因應力集中、彎曲應力過大而提前斷裂，降低(dī)混凝土(tǔ)強度。一(yī)般認為(wèi)混凝土(tǔ)抗壓強度越高，骨料中片狀顆粒的脆性越容易表現(xiàn)出來(lái)，對混凝土(tǔ)抗壓強度的影響也(yě)越明顯。 一(yī)些(xiē)學者認為(wèi)，除針、片狀顆粒之外，不規則顆粒也(yě)會對混凝土(tǔ)性能(néng)産生(shēng)不良影響。宋少民(mín)等發現(xiàn)當不規則顆粒的質量分(fēn)數大于30%時(shí)，混凝土(tǔ)坍落度降低(dī)15%，氯離子(zǐ)擴散系數快(kuài)速增大；當不規則顆粒的質量分(fēn)數大于40%時(shí)，混凝土(tǔ)強度降低(dī)15%。因此，JG/T568-2019和GB/T14685—2011相比，新(xīn)增了(le)對粗骨料中不規則顆粒含量的規定。 實際生(shēng)産中針、片狀顆粒和不規則顆粒的存在是不可避免的，隻要保證其含量在一(yī)定範圍内便可忽略其對混凝土(tǔ)性能(néng)的不利影響，如(rú)毛軍和潘琨等認為(wèi)粗骨料中針、片狀顆粒的質量分(fēn)數不超過15%時(shí)對混凝土(tǔ)性能(néng)無明顯影響。但(dàn)這(zhè)些(xiē)研究成果多是針對常規混凝土(tǔ)而言，并不适合對骨料粒形更為(wèi)敏感的高性能(néng)混凝土(tǔ)，如(rú)王博洋等發現(xiàn)針、片狀顆粒的質量分(fēn)數分(fēn)别在2%和4%以上(shàng)時(shí)，會導緻C50和C40高性能(néng)混凝土(tǔ)強度明顯下(xià)降。因此，今後很有必要加強對針、片狀顆粒和不規則顆粒含量對高性能(néng)混凝土(tǔ)性能(néng)的影響研究。
1.2　合理(lǐ)的級配
級配幾乎對混凝土(tǔ)的所有性能(néng)都有影響。良好(hǎo)(hǎo)的級配不僅應該是連續的，而且還應該使骨料之間(jiān)的空隙率小、骨料比表面積小且有适量的細骨料，以減小膠凝材料用量和單位體(tǐ)積用水量，提高混凝土(tǔ)密實度，改善混凝土(tǔ)性能(néng)。 粗骨料級配往往不如(rú)細骨料級配那樣受到人(rén)們的重視(shì)，但(dàn)實際上(shàng)粗骨料級配是影響骨料空隙率的重要因素。宋少民(mín)等認為(wèi)，由于粗骨料級配和粒形不好(hǎo)(hǎo)，導緻我國市(shì)售粗骨料空隙率高，進而導緻混凝土(tǔ)的膠凝材料用量、用水量遠(yuǎn)高于西(xī)方國家，也(yě)嚴重影響了(le)混凝土(tǔ)質量。艾長發等認為(wèi)細骨料顆粒級配和顆粒間(jiān)連續程度是決定工作(zuò)性的關(guān)鍵因素，且4.75mm～1.18mm和1.18mm～0.15mm部分(fēn)分(fēn)别是混凝土(tǔ)泌水性和保水性、黏聚性的主要影響因素；4.75mm～1.18mm部分(fēn)含量和顆粒間(jiān)組成比例是影響混凝土(tǔ)強度的主要因素。通過模型預測和試驗研究，發現(xiàn)骨料級配對混凝土(tǔ)彈性模量具有顯著影響。 由于骨料級配的重要作(zuò)用和高性能(néng)混凝土(tǔ)對骨料的更高要求，JG/T568-2019和GB/T14685-2011，GB/T14684-2011等标準相比，大幅提高了(le)對粗細骨料級配的要求，特别是将細骨料的顆粒級配改為(wèi)用更科學合理(lǐ)的分(fēn)級篩餘量表示，擴大了(le)－0.15mm顆粒篩餘量範圍，且新(xīn)增了(le)對篩底篩餘量的限制。 值得指出的是，細骨料中含有較多的石子(zǐ)特别是粒徑較大的石子(zǐ)時(shí)也(yě)會損害混凝土(tǔ)性能(néng)，但(dàn)JG/T568-2019僅規定了(le)4.75mm分(fēn)級篩餘量不超過5%，并未規定＋4.75mm顆粒的最大粒徑。在實際應用當中，可限制細骨料中所含石子(zǐ)最大粒徑不超過9.5mm，以避免細骨料中混入過大石子(zǐ)對高性能(néng)混凝土(tǔ)性能(néng)造成較大損害。
1.3　适宜的細度模數
細度模數是衡量細骨料整體(tǐ)粗細程度的指标。在級配符合要求的情況下(xià)，細骨料的細度模數大、粗顆粒含量高，有利于提高混凝土(tǔ)拌合物流動性，但(dàn)也(yě)會降低(dī)其黏聚性和保水性。研究了(le)用細度模數分(fēn)别為(wèi)2.4，2.6，2.92和3的石灰岩細骨料制備的混凝土(tǔ)的性能(néng)之後，發現(xiàn)細度模數為(wèi)2.78時(shí)混凝土(tǔ)抗壓強度最大，且細度模數較高的混凝土(tǔ)拌合物工作(zuò)性相對較好(hǎo)(hǎo)。但(dàn)若細度模數過大，會造成細骨料中粗顆粒過多、細顆粒過少、級配不合理(lǐ)甚至某些(xiē)粒級“斷檔”，從而增加混凝土(tǔ)空隙率和填充所需的漿體(tǐ)用量，降低(dī)混凝土(tǔ)的工作(zuò)性和耐久性。對于高性能(néng)混凝土(tǔ)用機制骨料而言，較為(wèi)理(lǐ)想的細度模數是2.3～3.2。
1.4　适當的石粉含量
石粉是區分(fēn)天然砂和機制砂的重要标志。适量的石粉具有潤滑、填充和保水作(zuò)用：彌補機制骨料表面粗糙的缺點，減少骨料之間(jiān)的摩擦，提高混凝土(tǔ)拌和物的工作(zuò)性；填充空隙，改善級配，提高混凝土(tǔ)密實度、強度和耐久性；石粉比表面積大、吸水性強，能(néng)增加混凝土(tǔ)拌合物稠度和黏聚性，改善離析、泌水。但(dàn)當石粉含量過大時(shí)，混凝土(tǔ)變得幹稠，成型時(shí)漿體(tǐ)難以拌合均勻，且水泥石或界面過渡區中會出現(xiàn)遊離态石粉，降低(dī)骨料與水泥石的黏結能(néng)力，加之石粉過多意味着粗顆粒較少，骨架作(zuò)用降低(dī)，級配也(yě)不合理(lǐ)，還會降低(dī)水泥漿強度，從而降低(dī)混凝土(tǔ)密實度、強度、工作(zuò)性、耐久性等性能(néng)。通常情況下(xià)，混凝土(tǔ)強度等級不同，最佳石粉含量也(yě)不同，且混凝土(tǔ)強度等級越大，其石粉含量的合理(lǐ)範圍越小。 以上(shàng)研究均是基于常規混凝土(tǔ)展開，但(dàn)對高性能(néng)混凝土(tǔ)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(zuò)用并不明顯，加上(shàng)高性能(néng)混凝土(tǔ)水膠比很低(dī)，又極易受到減水劑影響，而石粉及其中可能(néng)混雜的泥土(tǔ)都對水、減水劑具有很強的吸附性，故高性能(néng)混凝土(tǔ)比常規混凝土(tǔ)對石粉含量更為(wèi)敏感。因此，JG/T568-2019在規定石粉含量時(shí)不僅考慮了(le)石粉亞甲藍值，也(yě)将石粉流動度比考慮在内。此外，由于GB/T14684-2011中有關(guān)石粉含量的規定過于苛刻，難以被砂石企業執行，或為(wèi)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(lǐ)等問題，JG/T568-2019允許的石粉含量有所增大。
2　高性能(néng)混凝土(tǔ)用機制骨料品質主要影響因素
目前市(shì)售機制骨料總體(tǐ)上(shàng)品質較差，顆粒粒形不好(hǎo)(hǎo)、針片狀顆粒含量高；級配不良、多呈現(xiàn)“兩頭大中間(jiān)小”的“啞鈴型”而非較為(wèi)理(lǐ)想的“橄榄型”；細度模數偏大、普遍都在3.4以上(shàng)；石粉的質量分(fēn)數過高，甚至達到20%以上(shàng)等問題較為(wèi)普遍。造成機制骨料品質不高的原因衆多，如(rú)行業标準規範、人(rén)們思想認識等，但(dàn)最關(guān)鍵的還是母岩特性、生(shēng)産工藝、加工設備等機制骨料制備技術較為(wèi)落後。
2.1　母岩特性
高性能(néng)混凝土(tǔ)用機制骨料絕大部分(fēn)是以岩石為(wèi)原料。不同類型的岩石内部結構不同，在受到外力作(zuò)用時(shí)，會形成不同的顆粒形狀，如(rú)大理(lǐ)岩和凝灰岩相比，其顆粒形狀更容易受到破碎機類型的影響。目前僅關(guān)于石灰岩的研究相對較多。從已有的研究結果來(lái)看，研究者大多認為(wèi)用石灰岩制備的機制骨料粒形相對較好(hǎo)(hǎo)，如(rú)謝華兵認為(wèi)用花崗岩制備的細骨料棱角多、粒形差，用石灰岩制備的則相對較好(hǎo)(hǎo)；周鴻煜等認為(wèi)石灰岩制備的細骨料粒形好(hǎo)(hǎo)于花崗岩，花崗岩好(hǎo)(hǎo)于玄武岩。但(dàn)也(yě)有不同的研究結論，如(rú)王立華等比較了(le)用灰岩、花崗岩、砂岩所制備的機制砂的粒形特征，發現(xiàn)砂岩機制砂較為(wèi)渾圓、粒形較好(hǎo)(hǎo)，花崗岩機制砂較為(wèi)扁平、片狀顆粒較多，而灰岩機制砂較為(wèi)狹長、針狀顆粒較多。 此外，不同類型的岩石強度不同，強度低(dī)的岩石被破碎時(shí)易産生(shēng)細顆粒和較多石粉。如(rú)石灰岩強度較低(dī)，容易出現(xiàn)過粉碎現(xiàn)象，石粉含量往往偏高。可見，在我國砂石企業應用最多的石灰岩，也(yě)并不是非常理(lǐ)想的原料，導緻所制備的機制骨料容易出現(xiàn)粒形不好(hǎo)(hǎo)、石粉含量高等問題。 總體(tǐ)來(lái)看，目前有關(guān)母岩特性的研究，尤其是不同岩性是如(rú)何影響機制骨料粒形等品質的機理(lǐ)研究非常匮乏。今後應加強對砂石企業應用較多的石灰岩、花崗岩、玄武岩、凝灰岩等的岩性研究，特别注意加強機理(lǐ)分(fēn)析，以更好(hǎo)(hǎo)指導砂石企業選取最合适的岩石作(zuò)為(wèi)制備機制骨料的母岩。
2.2　生(shēng)産工藝
在實際生(shēng)産中，很多砂石企業僅進行兩次破碎一(yī)次篩分(fēn)。如(rú)貴州市(shì)場(chǎng)上(shàng)的機制砂大多采用“兩次破碎一(yī)次篩分(fēn)”的生(shēng)産工藝，缺乏對粒形的控制。湖北某新(xīn)投産的500萬t/a骨料生(shēng)産線最大給料粒徑800mm，産品包括兩種粒級細骨料和三種粒級粗骨料，也(yě)僅用兩次破碎、一(yī)次篩分(fēn)。由于工藝設置不合理(lǐ)，很容易因為(wèi)缺乏整形而導緻骨料粒形不好(hǎo)(hǎo)，也(yě)容易因為(wèi)破碎不夠而導緻骨料細度模數偏大，以及因為(wèi)篩分(fēn)過少不能(néng)及時(shí)分(fēn)離合格産品，從而出現(xiàn)過粉碎和石粉含量偏高現(xiàn)象。也(yě)有較多砂石企業将－5mm顆粒整體(tǐ)銷售，而不進行整形和篩分(fēn)分(fēn)級，也(yě)不篩除其中所含的石粉，也(yě)就(jiù)很難保證骨料的粒形、級配和石粉含量符合要求。 此外，一(yī)些(xiē)生(shēng)産工藝也(yě)有其固有弊端。如(rú)濕法制砂在水洗過程中會造成細顆粒大量流失，惡化(huà)顆粒級配，使細度模數偏大；幹法制砂很容易産生(shēng)過多的石粉。 因此，既要按照母岩特性和骨料品質要求配置必要的破碎、篩分(fēn)和整形工序，也(yě)要加強對新(xīn)工藝的研究和應用，如(rú)參考選礦廠、燒結廠中已經非常成熟的工藝，設置預先篩分(fēn)及時(shí)分(fēn)離合格産品減少過粉碎；研究有效去除泥土(tǔ)等雜質的工藝方法；産品按單粒粒級或較小粒級範圍存放(fàng)、銷售；各粒級骨料産品由商(shāng)混站(zhàn)等用方按需混合、攪拌均勻，減少運輸過程中造成的離析、分(fēn)層。
2.3　加工設備
破碎設備是骨料生(shēng)産線的核心設備。不同類型破碎機的産品有着不同的品質，如(rú)從粒形角度來(lái)看，立軸式沖擊破碎機産品優于反擊式破碎機，圓錐式破碎機、旋回式破碎機優于颚式破碎機，立軸沖擊式破碎機優于圓錐式破碎機。但(dàn)立軸式沖擊破碎機雖然在産品整形方面具有顯著優勢，卻容易導緻産品細度模數大、“啞鈴型”甚至間(jiān)斷級配，而且由于價格昂貴、場(chǎng)地要求高等原因，并不是砂石企業的首選破碎設備。 這(zhè)些(xiē)設備也(yě)都有一(yī)定的适用範圍，如(rú)“石打石”立軸式沖擊破碎機對礦石含水率和泥土(tǔ)含量要求苛刻，“石打鐵”立軸式沖擊破碎機不适合高硬度礦石。如(rú)果不能(néng)根據礦石性質、工藝流程、設備适用範圍等合理(lǐ)配置相應設備，以及在生(shēng)産中不能(néng)保證設備正常運行所需條件、不注重設備維護保養，将會導緻産品出現(xiàn)棱角尖銳、針片狀顆粒含量高和級配、細度模數不好(hǎo)(hǎo)等問題。 因此，要配置符合礦石性質的加工設備，注重設備保養維護；還應積極研發新(xīn)型設備，特别是提高設備智能(néng)化(huà)、信息化(huà)水平；并圍繞級配調整、顆粒整形等關(guān)鍵指标，注重研究引進化(huà)工、礦物加工等行業相關(guān)設備，如(rú)可研究（半）礫磨機等設備用于骨料選擇性破碎、整形的可行性。
3　結語
随着各種重大工程、基礎設施建設和促進碳達峰、碳中和系列政策的實施，作(zuò)為(wèi)綠(lǜ)色低(dī)碳建築材料的高性能(néng)混凝土(tǔ)必會迎來(lái)更為(wèi)廣闊的發展空間(jiān)，高性能(néng)混凝土(tǔ)用機制骨料也(yě)必将在建設用骨料市(shì)場(chǎng)扮演更為(wèi)重要的角色。各有關(guān)方面應該齊心協力，用全局、長遠(yuǎn)眼光看待骨料品質和成本投入的關(guān)系，以骨料顆粒粒形、顆粒級配、細度模數、石粉含量等品質為(wèi)重點，嚴把原料使用關(guān)、改進生(shēng)産工藝、研發新(xīn)型設備、加強機理(lǐ)研究，努力提高機制骨料制備技術水平，促進機制骨料和高性能(néng)混凝土(tǔ)行業高質量發展。