機制砂細度模數對C50梁變形性能的研究

張坤球 姚青云 唐雙美

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

機制砂細度模數對C50梁變形性能的研究

張坤球 姚青云 唐雙美

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

利用不同細度模數的機制砂配制C50梁混凝土，對比研究機制砂不同細度模數對砂漿及C50梁混凝土的工作性能、力學性能和收縮性能的影響規律。研究表明：機制砂細度模數在2.8～3.2時，混凝土的工作性較好；機制砂細度模數為3.0時，混凝土力學性能最優；機制砂細度模數越小，混凝土的收縮越小。機制砂細度模數宜控制在3.0，C50梁混凝土的綜合性能最佳。

機制砂；細度模數；C50梁混凝土；變形性能

隨著我國基礎設施建設的迅速發展，作為建筑主要原材料之一的河砂資源日漸枯竭，很多劣質低的砂被用于建設工程中，嚴重影響工程質量，機制砂為替代河砂作為細集料的最佳選擇，亟待加強機制砂應用技術的研究[1,2]。機制砂在我國工程的應用已經開始逐步由云貴、湘鄂西部地區發展到東部的沿海地區，國內對機制砂的研究也越來越深入[3]。目前機制砂應用于中低強度混凝土已開始被工程界所接受，但在重大工程較高強度的混凝土中很少應用。因此，面對緊缺的河砂資源現狀，推廣機制砂的應用顯得尤為重要。

本文通過分析不同級配的機制砂砂漿的工作性能、力學性能和收縮性能，探究不同級配機制砂的特性；針對C50梁混凝土，研究不同細度模數的機制砂對C50梁混凝土的工作性能、力學性能和變形性能的影響規律，選定C50梁混凝土機制砂的最佳細度模數范圍。

1 原材料與方法

1.1試驗原材料

水泥為廣西魚峰水泥股份有限公司生產的 PⅡ42.5硅酸鹽水泥，比表面積330m2/kg，標準稠度用水量24.4%，7d和28d抗壓強度分別為30.0MPa和54.4MPa。粉煤灰為廣西華天能環保科技開發有限公司生產的Ⅰ級粉煤灰，密度2.235g/cm3，細度2.16%，需水量比95%，燒失量2.0%。礦粉為武漢武新新型建材有限公司生產的S95級礦粉，比表面積400m2/kg，流動度比96%，燒失量1.9%，28d活性指數105%。粗集料選用某項目部自產的5～25mm連續級配碎石，堆積密度 1550kg/m3，壓碎值 4.2%。外加劑為馬貝聚羧酸減水劑，減水率為35.5%。

試驗研究不同細度模數的機制砂對混凝土性能的影響規律，所用的某項目部自產的機制砂，對比試驗所用河砂為廣西合浦縣張黃鎮油灘砂場河砂，河砂與機制砂性能指標分別如表1和表2所示。

表1　河砂的物理性能指標

表2　機制砂的物理性能指標

1.2試驗過程及方法

以河砂和不同級配的機制砂分別配制水泥砂漿，研究不同顆粒級配機制砂對水泥砂漿的工作性能、力學性能和變形性能的影響，對比研究不同粉煤灰和礦粉摻量對水泥砂漿收縮變形性能的影響規律。

以河砂配制工作性良好的C50梁混凝土，并在此配合比基礎上利用不同細度模數的機制砂取代河砂，研究其對 C50梁混凝土的工作性能、力學性能、變形性能的影響。試驗通過調整外加劑摻量和砂率來使混凝土拌合物達到相同或相近的工作性能。

砂漿的工作性能測試按《建筑砂漿基本性能試驗方法》（JGJ/T 70-2009）進行，砂漿干縮率測試依據《水泥膠砂干縮試驗方法》(JC/T603-2004)進行，其有效長度L（mm）為扣除試件兩端釘頭埋入長度后的值；混凝土收縮率測試按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GBT50082-2009）進行。

1.3顯微硬度測試原理

選擇一定的載荷，把顯微硬度儀壓頭壓入試件表面并保持一定的時間，卸去載荷，試樣表面壓出一個底面為正方形的正四棱錐壓痕，測量其兩條對角線的長度平均值d（如圖2所示），計算壓痕面積 F，然后再計算顯微硬度值 HV。壓痕面積F由（1）式計算：

其中，θ為壓頭與材料表面的接觸角(θ=68°)，d為對角線的長度平均值。

顯微硬度HV可由（2）式計算：

其中，P為載荷。

圖1　顯微硬度儀壓頭形狀

圖2　顯微硬度測點

根據圖 2中所示的測試點分布在試件的拋光面上進行顯微硬度測試，測試步長為10μm。

2 試驗結果及分析

2.1不同級配機制砂對水泥砂漿性能的影響

2.1.1工作性

利用河砂和不同級配的機制砂對比研究水泥砂漿的性能，并摻不同粉煤灰和礦粉研究水泥砂漿的變形抑制作用，試驗配合比及工作性如表 3所示，H-0為河砂水泥砂漿配合比，J-1～J-12為機制砂水泥砂漿配合比，其中J1～J4為不同顆粒級配的機制砂砂漿配合比，J-5～J-8為單摻粉煤灰和礦粉的機制砂砂漿配合比，J-9～J-12為復摻粉煤灰和礦粉的機制砂砂漿配合比。

表3　砂漿試驗配合比

對比H-0和J-1可知，機制砂與河砂在配合比和級配相同情況下，機制砂的砂漿流動性較差。對比J-1～J4可知，在配合比不變的情況下，隨著機制砂細顆粒組分的增加，機制砂的砂漿流動性增大。機制砂細顆粒組分越大，砂漿在富漿條件下，砂子比表面積增大，漿體稠度變大，砂漿的粘聚性相應增強，砂漿的流動性增大[4]。

對比J-1、J-5、J-6可知，隨著粉煤灰摻量的增加，機制砂的砂漿流動性增大。對比J-1、J-7、J-8可知，隨著礦粉摻量的增加，機制砂的砂漿流動性減小。復摻粉煤灰與礦粉，對應機制砂砂漿的工作性略有降低，并且礦粉的摻入比例越高，砂漿工作性越差。

2.1.2力學性能

從圖 3（a）可看出，在相同配合比和級配情況下，機制砂砂漿各齡期（7d、28d）的抗壓強度優于河砂混凝土，尤其對早期強度（7d）機制砂與河砂砂漿相比優勢明顯。機制砂較強的棱角性增加了混合材料之間的嵌擠力，機制砂粗糙的表面增加了界面粘結力，使得抗壓強度較大。

對比圖3（b）中的J-1～J-4可以看出，機制砂的級配不完整，砂漿的抗壓強度不同程度降低。機制砂級配越完整，顆粒級配和細度模數的協調性越強，使機制砂顆粒之間更能填充密實，骨架的整體空隙變小，大小顆粒之間的機械咬合處變多，抗壓強度增大。

圖3　各組河砂和機制砂砂漿試樣的抗壓強度試驗結果

圖3（c）和圖3（d）表明，摻入粉煤灰和礦粉使機制砂砂漿早期（7d）的抗壓強度隨之降低，且隨著摻量的增大，早期壓強度越低，后期（28d）砂漿強度影響不大。

2.1.3收縮性能

各組砂漿試樣的干縮率試驗結果如圖 2所示，同級配的機制砂和河砂砂漿試驗的收縮率對比結果如圖 2（a）所示，不同級配機制砂試樣的收縮率對比結果如圖2（b）所示，摻粉煤灰和礦粉抑制收縮的有效性試驗結果如圖2（c）和（d）所示。

圖4　各組河砂和機制砂砂漿試樣的干縮率試驗結果

從圖 4可看出，機制砂砂漿的收縮率均比河砂砂漿的收縮率小。對比圖4（b）中的J-1～J-4可以看出機制砂級配不完整，砂漿的收縮率有不同程度的增大。機制砂級配越完整，機制砂顆粒填充更密實，空隙率小，收縮率越小。圖 4（c）和圖4（d）表明摻入分別一定量的粉煤灰和礦粉可以明顯降低砂漿的收縮率，當粉煤灰和礦粉復摻時（J-9～J-12），收縮抑制效果更明顯。

粉煤灰和礦粉的密度比水泥小，在進行等質量取代時，摻入粉煤灰和礦粉的砂漿具有更高的漿體率，而粉煤灰的摻入能改善膠凝體系內部的堆積效應，礦粉多棱角的顆粒與水泥顆粒間的螯合作用也對改善膠凝體系內部的堆積效應也具有積極的作用，同時二者的二次水化反應降低了砂漿的的收縮，具有更好的體積穩定性。

2.2不同細度機制砂對C50梁混凝土性能的影響

2.2.1工作性

不同細度模數對C50梁海工混凝土性能影響研究的試驗配合比如表 4所示，機制砂細度模數對海工混凝土工作性能的影響試驗結果如表 5所示。機制砂的細度模數越大則需提高砂率同時增大外加劑摻量來使混凝土拌合物達到相同或相近的工作性能。其中HS為河砂混凝土，JZS-1～JZS-4為不同細度機制砂混凝土。

表4　細度模數對C50箱梁混凝土性能影響試驗配合比

表5　細度模數對機制砂C50箱梁混凝土工作性的影響

由表5可知，當機制砂細度模數為2.8時，拌合物干澀粘稠；隨著機制砂細度模數的增加，拌合物的坍落度逐漸增加，且外觀良好，具有良好的粘聚性；當機制砂細度模數進一步增加到3.2時，拌合物的坍落度呈下降趨勢，當機制砂細度模數達到3.4時，出現輕微離析。配制C50梁海工混凝土時，機制砂細度模數在2.8～3.2時工作性較好。

2.2.2力學性能

各齡期不同細度模數對機制砂混凝土抗壓強度的影響結果如圖5所示。

圖5　不同細度模數機制砂對各齡期C50箱梁混凝土抗壓強度的影響

由圖 5可見，機制砂海工混凝土的抗壓強度均比同齡期的河砂混凝土高，機制砂的細度模數對C50箱梁混凝土早期強度（4d、7d）的影響并不明顯，而后期強度（28d、56d）則隨細度模數的增加先增大后降低，存在一個最佳的機制砂細度模數值3.0。

圖6　河砂和機制砂的界面過渡區形貌

對HZ和JZS-1兩組試驗配合比所成型的制作光片進行顯微硬度測試，對比分析河砂混凝土和機制砂混凝土的界面過渡區和顯微硬度性能特征，河砂混凝土（HZ）和機制砂混凝土（JZS-1）的界面過渡區形貌如圖6所示。

由圖 7可知，機制砂混凝土的機制砂界面過渡區比河砂混凝土的河砂界面過渡區窄，河砂表面形貌相對于機制砂而言更加的光滑，機制砂表面更加粗糙，機制砂粗糙的表面為C-S-H凝膠的粘結提供了良好的界面，因此機制砂在界面過渡區細骨料與C-S-H凝膠的結合更為緊密，提高了界面過渡區的粘結強度，使得機制砂混凝土的抗壓強度比河砂混凝土更高。

圖7　河砂和機制砂的界面過渡區顯微硬度測試

河砂和機制砂界面過渡區的顯微硬度測試結果如圖 7所示。從圖7可知，機制砂界面過渡區的C-S-H凝膠的顯微硬度值比河砂的高，而隨著距骨料距離的增加，C-S-H凝膠的顯微硬度也相應地升高。

2.2.3收縮性能

圖8　不同細度模數機制砂對C50箱梁混凝土收縮率的影響

各齡期不同細度模數機制砂對混凝土收縮形變的影響結果如圖8所示。總體上來看，不同細度模數機制砂C50箱梁混凝土體積收縮率均小于河砂海工混凝土體積收縮率。細度模數2.8～3.4的機制砂配制機制砂C50梁海工混凝土時，均有較好的體積穩定性。細度模數越小，體積穩定性越好。

2.3分析與討論

混凝土拌合物的工作性與漿體性質、骨料性質以及漿體與骨料的相對體積含量有關，當其他條件保持不變，機制砂的性質對拌合物的工作性存在重要影響。砂的細度模數反映其組成顆粒的整體粗細程度，影響骨料顆粒的比表面積和骨架體系的空隙率。

合適的骨料比表面積和較低的骨架體系的堆積空隙率，需要填充空隙和包裹骨料表面的漿體數量就少，相同條件下骨料表面有更多的漿體，潤滑作用增強。細度模數適中的機制砂，有利于改善拌合物的工作性，細度模數過小，吸附外加劑較多，導致混凝土工作性嚴重降低，而細度模數較大時，粗顆粒較多，漿體不足以填充顆粒空隙和包裹顆粒表面，混凝土有離析的趨勢。細度模數適中的機制砂，具有足夠粗顆粒形成骨架結構，又有足夠的細顆粒填充骨架空隙，骨架體系的空隙率低，抗壓強度越大[5]。

機制砂表面棱角多，顆粒表面摩擦力較大，通過調整機制砂的級配和增加細顆粒組分，降低細度模數，可以明顯改善機制砂的工作性能，提高抗壓強度，可以彌補機制砂形狀不良引起的混凝土工作性較差的缺點[6]。

機制砂中含有一定的石粉，適當含量的石粉填充到細集料中，使得混凝土更為密實，從而提高混凝土的體積穩定性，因此不同細度模數機制砂混凝土收縮較河砂混凝土小。而隨著機制砂細度模數的增加，粗顆粒比例增加，出現離析的趨勢，漿骨粘結性不好，界面孔隙增多，因而收縮大，體積穩定性逐漸下降。

3 結論

（1）機制砂的細度模數對C50箱梁混凝土早期強度（4d、7d）的影響并不明顯，而后期強度（28d、56d）則隨細度模數的增加先增大后降低，存在一個最佳的機制砂細度模數值3.0。同時機制砂混凝土的抗壓強度均比同齡期的河砂混凝土高。

（2）對于細度模數2.8～3.4的機制砂配制機制砂C50梁混凝土時，細度模數越小，機制砂中的石粉含量越高，對混凝土的填充密實作用更明顯，體積穩定性更好。不同細度模數機制砂C50箱梁混凝土體積收縮率均小于河砂混凝土體積收縮率。

（3）機制砂與河砂在配合比和級配相同情況下，機制砂的砂漿流動性相對較差。對比相同配比的機制砂流動度，隨著機制砂細顆粒組分的增加（細度模數降低），機制砂的砂漿流動性增大。隨著粉煤灰摻量的增加，機制砂的砂漿流動性增大。隨著礦粉摻量的增加，機制砂的砂漿流動性減小。

[1] 徐文冰.機制砂特性對 C50管片混凝土性能的影響[J].混凝土世界,2013,(2):77-82.

[2] 劉運華.機制砂細度模數對水泥基材料流動性和強度的影響研究[J].商品混凝土,2010,(7):54-56.

[3] 劉慈軍.機制砂石粉和泥粉含量對C50箱梁混凝土性能的影響[J].鐵道建筑,2013,(10):132-135.

[4] 朱柯.機制砂對砂漿性能影響研究[J].四川建材,2012,(4): 33-35.

[5] QUIROGA P N,FOWLERDW.The effect of aggregates characteristics on the performance of Portland cement concrete[D].Austin :The University of Texas,2001.

[6] 蔣正武.礦物摻合料對機制砂砂漿性能的影響[J].粉煤灰綜合利用,2006,(5):17-19.

Influence of the fineness modulus of machine-made sand on deformation performance of C50 girder

Applying different fineness modulus of machine-made sand in C50 girder concrete to comparative study the influence of different fineness modulus of machine-made sand in C50 girder concrete on work performance, mechanical properties and shrinkage properties. Research shows that: when the fineness modulus of machine-made sand is 2.8 to 3.2, concrete works better; When the fineness modulus of machine-made sand arrives 3.0, the mechanical properties of concrete is the best；The fineness modulus of machinemade sand is smaller, the less the shrinkage of concrete .The fineness modulus of machine-made sand should be controlled at 3.0,at which the comprehensive performance of C50 girder concrete is the best.

Machine-made sand; fineness modulus; C50 girder concrete; deformation properties

U443.3

A

1008-1151(2015)06-0020-05

2015-05-12

張坤球（1968－），男，廣西路建工程集團有限公司高級工程師，從事公路工程施工技術開發和管理工作。