机制砂性能参数影响因素分析

周玲 岳增国 陶艳侠 胡祖尧 胡建明

摘 要：机制砂的性能参数对于混凝土制品性能有很大的影响，决定了起适用性。机制砂性能参数受很多因素影响，主要包括：加载方式、母岩特性、破碎机性能、筛分等。本文分析研究了上述各影响因素与机制砂性能参数之间的关系。根据母岩特性、生产规模、场地条件合理的选择破碎设备和生产工艺是生产机制砂质量的保证，决定了机制砂混凝土的性能，是配置优良机制砂混凝土的保证。

关键词：机制砂 性能参数 破碎机 母岩特性 加载方式

中图分类号：TU398 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（c）-0078-02

目前，机制砂在很多建筑领域都有应用，包括：航道、大坝、公路、机场、桥梁、电力、各种工业及商业建筑、混凝土制品、砂浆制品、石膏制品等。机制砂的主要性能参数包括颗粒形状参数、级配、细度模数以及石粉含量、含泥量、压碎值指标等，其中机制砂颗粒形状参数又包括针片率、棱角性、球形度、粗糙度、尺寸等指标。这些参数决定了其在混凝土中的适用性。但是，生产出的机制砂性能参数受很多因素影响，包括加载方式、破碎机类型、母岩特性、破碎比、筛分环节，本文通过对比分析研究了不同影响因素对机制砂性能参数的影响。

1 机制砂破碎机理

1.1 破碎机理

机制砂破碎机理是通过施加压应力和剪应力引起岩石裂缝出现并扩展，当应力密度达到临界值时裂缝出现。当压力作用到岩石上时，与应力作用垂直的裂缝，在引力作用下裂缝闭合；应力继续增加，微孔发生相对滑动，相对位移使微孔趾端产生拉应力，在拉应力作用下，裂缝沿着荷载方向扩展。相邻裂缝之间的相互作用改变了应力场和原始裂缝的扩展路径。

岩石破裂的基本模式有三种：（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。大多数情况下，岩石破裂是多种模式的混合。

1.2 机制砂性能参数与加载方式的关系

机制砂生产过程中石粉的产生与填料堆积状态和加载方式有关。其中填料堆积状态载状态分为单颗粒、松散堆积料、密集堆积三种：单颗粒堆积状态指仅有一颗待破碎岩石，对应于对单颗岩石进行破碎；松散堆积料状态指，有多颗填入料，各填入料之间接触配对数较少；密集堆积料状态指有多颗填入料，且各填入料之间接触紧密，接触配对数多。

对于单颗粒状态，其加载方式又分為轴心受压、弯曲、劈裂等。对比不同加载方式，纵向压力产生的石粉最多，而当加载方式产生拉应力时石粉产生最少。四点弯曲试验产生很少的石粉，而劈裂试验在加载装置和岩石接触处产生少量石粉。四点加载试验破坏面较光滑。轴心受压试验产生较多的石粉，加载面越大，石粉越多。受压试验的破坏面上出现大量的浅横向裂纹，破坏形态为齿形纹理，破坏面上的石粉表明粗骨料之间的存在相互磨损。

颗粒级加载状态决定了失效模式进而决定了颗粒形状及石粉的产生。承受线性、纵向或劈裂荷载的单颗粒其受力状态可以归结为点荷载，配对数较低的松散堆积料破碎模式相类似。单颗粒加载其破坏模式为模式1破坏，产生的石粉量少，破裂面平滑。与之相对应，高配对数的密集堆积料或加载面积较大的单颗粒，其破碎模式为混合破坏模式，在新产生的骨料面上存在微裂缝，同时产生大量石粉。

球形度的随着颗粒尺寸的增大而增大，破碎比越大，球形度越小。填料在不同尺寸组分的颗粒性状不同，破碎过程中随着破碎比增长，颗粒变的扁平和细长，而且对于挤压式破碎机影响较大，而冲击式破碎机影响较小。破碎机的速度也影响颗粒形状。

2 岩石结构与破碎模式的关系

我国幅员辽阔，用于生产机制砂的岩石资源分布广而不均，机制砂的母岩有分布最广泛的石灰岩以及花岗岩、砂岩、石英岩、流纹岩、玄武岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、凝灰岩等多种。母岩的强度、矿物组成、岩石构造、化学成分各不相同，对机制砂破碎过程中的能耗、石粉含量、粒型有重要影响。裂缝的扩展与岩石的内部结构和岩粒的特性密切相关。

（1）密集的细粒度石灰岩，破坏时多为直线型针状破裂，各裂纹很少相互作用，导致爆破型破裂。

（2）大理石与石灰石矿物特性相似，但是颗粒较大，因而在剪切带产生较大尺度的宏观裂缝，而且由于方解石颗粒的塑性变形减小了裂缝趾端的应力集中，因而裂缝扩展受阻。因而，岩粒颗粒的细度及方解石的力学性能不同导致了石灰石和大理石不同的开裂机理，很少为爆破型破裂。

（3）花岗岩由三种不同的成分组成，各成分之间存在界面。花岗岩的破碎与岩体内的微孔和裂缝有关，微孔指宽度和长度比大于1/10的孔隙，裂缝指宽度与长度比小于1/10的孔隙。裂缝比微孔危害要大，裂缝约占孔隙的15%～36%，裂缝长度约为无应力花岗岩范围内岩粒尺寸的10%～20%，花岗岩中裂缝多出现在岩粒的边界处，裂缝的出现多是由于内应力及温度变化引起。各成分之间的刚度比有关。花岗岩中的云母可以起到缓冲作用，减少破碎过程中的破损。

（4）玄武岩机制砂石粉含量是石英质机制砂的两倍[6]，而石粉产物的能耗是相同质量机制砂的10倍。

3 破碎机类型与机制砂性能参数关系

目前用于生产机制砂的破碎机种类繁多，主要分为两大类：（1）冲击式；（2）挤压式。其中冲击式破碎机将能量传递到颗粒上，然后颗粒将能量传递到腔壁或腔底消散。挤压式破碎机原理是当颗粒被压缩到一定程度开始破碎。

立轴冲击破碎机是生产立方性的细、中细骨料的有效方法，但是这种破碎机，在20世纪80、90年代一度非常流行。但是此类机器往往用于破碎的最后一步，产品修型，由于前期生产中产生的骨料粒型无法令人满意，这样在此类机器使用过程中会产生大量尺寸小于4mm的粉末，情况严重还会在粗骨料表面形成石粉涂层。

棒磨机生产的机制砂级配良好，反击式破碎机生产的机制砂级配良好但粒型较差，而冲击式破碎机生产的机制砂级配不良但粒型较好。但是棒磨机存在产量低、运行成本高、人工劳动强度大等缺陷，不适合机制砂大规模生产。

圆锥型破碎机主要的优点是产生的废料少，缺点是在大部分组分尺寸下粒型差。而影响粒型的主要因素是闭合边尺寸及进料尺寸。从理论上说，各种尺寸分布的进料都可以通过圆锥破碎机破碎成立方性颗粒。但实际上，由于最大挤压力的存在，限制了破碎过程，阻碍了颗粒立方性的进程。为了使产品的立方性极可能好，应该使进料尺寸分布广，细骨料进料尽可能少，因为细骨料降低了料层的孔隙率进而增加了能耗降低破碎比。鄂式破碎机适用于硬质岩的破碎，但对于软质岩及粘性岩则不适用。

4 筛分环节对机制砂性能参数的影响

筛分环节对于机制砂性能参数的影响主要体现在产品级配上。筛孔尺寸的选择直接影响机制砂的质量和生产量筛网尺寸越大生产的机制砂细度模数越大，石粉含量越低；筛网尺寸越小生产的机制砂细度模数越小而石粉含量越大。振动筛的筛孔形状、尺寸及筛面倾斜角大小是影响机制砂质量的关键参数；机制砂生产中有较大含量的石粉颗粒，且对级配要求较高，不宜选用长方形和圆形筛孔，一般采用正方形方孔筛。

5 结语

机制砂性能参数受很多因素的影响，根据母岩特性、生产规模、场地条件合理的选择破碎设备和生产工艺是生产机制砂质量的保证，决定了机制砂混凝土的性能，是配置优良机制砂混凝土的保证。

参考文献

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