機制砂性能參數影響因素分析

周玲 岳增國 陶艷俠 胡祖堯 胡建明

摘 要：機制砂的性能參數對于混凝土制品性能有很大的影響，決定了起適用性。機制砂性能參數受很多因素影響，主要包括：加載方式、母巖特性、破碎機性能、篩分等。本文分析研究了上述各影響因素與機制砂性能參數之間的關系。根據母巖特性、生產規模、場地條件合理的選擇破碎設備和生產工藝是生產機制砂質量的保證，決定了機制砂混凝土的性能，是配置優良機制砂混凝土的保證。

關鍵詞：機制砂 性能參數 破碎機 母巖特性 加載方式

中圖分類號：TU398 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0078-02

目前，機制砂在很多建筑領域都有應用，包括：航道、大壩、公路、機場、橋梁、電力、各種工業及商業建筑、混凝土制品、砂漿制品、石膏制品等。機制砂的主要性能參數包括顆粒形狀參數、級配、細度模數以及石粉含量、含泥量、壓碎值指標等，其中機制砂顆粒形狀參數又包括針片率、棱角性、球形度、粗糙度、尺寸等指標。這些參數決定了其在混凝土中的適用性。但是，生產出的機制砂性能參數受很多因素影響，包括加載方式、破碎機類型、母巖特性、破碎比、篩分環節，本文通過對比分析研究了不同影響因素對機制砂性能參數的影響。

1 機制砂破碎機理

1.1 破碎機理

機制砂破碎機理是通過施加壓應力和剪應力引起巖石裂縫出現并擴展，當應力密度達到臨界值時裂縫出現。當壓力作用到巖石上時，與應力作用垂直的裂縫，在引力作用下裂縫閉合；應力繼續增加，微孔發生相對滑動，相對位移使微孔趾端產生拉應力，在拉應力作用下，裂縫沿著荷載方向擴展。相鄰裂縫之間的相互作用改變了應力場和原始裂縫的擴展路徑。

巖石破裂的基本模式有三種：（1）受拉破裂；（2）由于平面剪力作用引起的滑移；（3）由于平面剪力作用引起的撕裂。大多數情況下，巖石破裂是多種模式的混合。

1.2 機制砂性能參數與加載方式的關系

機制砂生產過程中石粉的產生與填料堆積狀態和加載方式有關。其中填料堆積狀態載狀態分為單顆粒、松散堆積料、密集堆積三種：單顆粒堆積狀態指僅有一顆待破碎巖石，對應于對單顆巖石進行破碎；松散堆積料狀態指，有多顆填入料，各填入料之間接觸配對數較少；密集堆積料狀態指有多顆填入料，且各填入料之間接觸緊密，接觸配對數多。

對于單顆粒狀態，其加載方式又分為軸心受壓、彎曲、劈裂等。對比不同加載方式，縱向壓力產生的石粉最多，而當加載方式產生拉應力時石粉產生最少。四點彎曲試驗產生很少的石粉，而劈裂試驗在加載裝置和巖石接觸處產生少量石粉。四點加載試驗破壞面較光滑。軸心受壓試驗產生較多的石粉，加載面越大，石粉越多。受壓試驗的破壞面上出現大量的淺橫向裂紋，破壞形態為齒形紋理，破壞面上的石粉表明粗骨料之間的存在相互磨損。

顆粒級加載狀態決定了失效模式進而決定了顆粒形狀及石粉的產生。承受線性、縱向或劈裂荷載的單顆粒其受力狀態可以歸結為點荷載，配對數較低的松散堆積料破碎模式相類似。單顆粒加載其破壞模式為模式1破壞，產生的石粉量少，破裂面平滑。與之相對應，高配對數的密集堆積料或加載面積較大的單顆粒，其破碎模式為混合破壞模式，在新產生的骨料面上存在微裂縫，同時產生大量石粉。

球形度的隨著顆粒尺寸的增大而增大，破碎比越大，球形度越小。填料在不同尺寸組分的顆粒性狀不同，破碎過程中隨著破碎比增長，顆粒變的扁平和細長，而且對于擠壓式破碎機影響較大，而沖擊式破碎機影響較小。破碎機的速度也影響顆粒形狀。

2 巖石結構與破碎模式的關系

我國幅員遼闊，用于生產機制砂的巖石資源分布廣而不均，機制砂的母巖有分布最廣泛的石灰巖以及花崗巖、砂巖、石英巖、流紋巖、玄武巖、閃長巖、片麻巖、輝綠巖、凝灰巖等多種。母巖的強度、礦物組成、巖石構造、化學成分各不相同，對機制砂破碎過程中的能耗、石粉含量、粒型有重要影響。裂縫的擴展與巖石的內部結構和巖粒的特性密切相關。

（1）密集的細粒度石灰巖，破壞時多為直線型針狀破裂，各裂紋很少相互作用，導致爆破型破裂。

（2）大理石與石灰石礦物特性相似，但是顆粒較大，因而在剪切帶產生較大尺度的宏觀裂縫，而且由于方解石顆粒的塑性變形減小了裂縫趾端的應力集中，因而裂縫擴展受阻。因而，巖粒顆粒的細度及方解石的力學性能不同導致了石灰石和大理石不同的開裂機理，很少為爆破型破裂。

（3）花崗巖由三種不同的成分組成，各成分之間存在界面。花崗巖的破碎與巖體內的微孔和裂縫有關，微孔指寬度和長度比大于1/10的孔隙，裂縫指寬度與長度比小于1/10的孔隙。裂縫比微孔危害要大，裂縫約占孔隙的15%～36%，裂縫長度約為無應力花崗巖范圍內巖粒尺寸的10%～20%，花崗巖中裂縫多出現在巖粒的邊界處，裂縫的出現多是由于內應力及溫度變化引起。各成分之間的剛度比有關。花崗巖中的云母可以起到緩沖作用，減少破碎過程中的破損。

（4）玄武巖機制砂石粉含量是石英質機制砂的兩倍[6]，而石粉產物的能耗是相同質量機制砂的10倍。

3 破碎機類型與機制砂性能參數關系

目前用于生產機制砂的破碎機種類繁多，主要分為兩大類：（1）沖擊式；（2）擠壓式。其中沖擊式破碎機將能量傳遞到顆粒上，然后顆粒將能量傳遞到腔壁或腔底消散。擠壓式破碎機原理是當顆粒被壓縮到一定程度開始破碎。

立軸沖擊破碎機是生產立方性的細、中細骨料的有效方法，但是這種破碎機，在20世紀80、90年代一度非常流行。但是此類機器往往用于破碎的最后一步，產品修型，由于前期生產中產生的骨料粒型無法令人滿意，這樣在此類機器使用過程中會產生大量尺寸小于4mm的粉末，情況嚴重還會在粗骨料表面形成石粉涂層。

棒磨機生產的機制砂級配良好，反擊式破碎機生產的機制砂級配良好但粒型較差，而沖擊式破碎機生產的機制砂級配不良但粒型較好。但是棒磨機存在產量低、運行成本高、人工勞動強度大等缺陷，不適合機制砂大規模生產。

圓錐型破碎機主要的優點是產生的廢料少，缺點是在大部分組分尺寸下粒型差。而影響粒型的主要因素是閉合邊尺寸及進料尺寸。從理論上說，各種尺寸分布的進料都可以通過圓錐破碎機破碎成立方性顆粒。但實際上，由于最大擠壓力的存在，限制了破碎過程，阻礙了顆粒立方性的進程。為了使產品的立方性極可能好，應該使進料尺寸分布廣，細骨料進料盡可能少，因為細骨料降低了料層的孔隙率進而增加了能耗降低破碎比。鄂式破碎機適用于硬質巖的破碎，但對于軟質巖及粘性巖則不適用。

4 篩分環節對機制砂性能參數的影響

篩分環節對于機制砂性能參數的影響主要體現在產品級配上。篩孔尺寸的選擇直接影響機制砂的質量和生產量篩網尺寸越大生產的機制砂細度模數越大，石粉含量越低；篩網尺寸越小生產的機制砂細度模數越小而石粉含量越大。振動篩的篩孔形狀、尺寸及篩面傾斜角大小是影響機制砂質量的關鍵參數；機制砂生產中有較大含量的石粉顆粒，且對級配要求較高，不宜選用長方形和圓形篩孔，一般采用正方形方孔篩。

5 結語

機制砂性能參數受很多因素的影響，根據母巖特性、生產規模、場地條件合理的選擇破碎設備和生產工藝是生產機制砂質量的保證，決定了機制砂混凝土的性能，是配置優良機制砂混凝土的保證。

參考文獻

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