機制砂細度模數對水泥基材料工作性和強度的影響

■鐘 波 ■同濟大學材料科學與工程學院，上海 200092

我國天然河砂資源分布不均、數量有限，多年基礎建設使得作為原材料之一的天然河砂供應已無法完全滿足需求，全國多個省市局部地區(qū)無砂可用。山砂、海砂越來越多作為河砂的替代品，但山砂資源有限、含泥量大，難以長期滿足大規(guī)模生產和質量控制需要;海砂氯離子含量高，凈化工藝復雜，制備成本高，應用范圍受到嚴格限制;而機制砂來源廣泛、制備工藝簡單，受到混凝土行業(yè)的高度關注［1-2］。

隨著國家和地方對河砂“禁采”、“限采”政策的實施，混凝土行業(yè)采用機制砂替代天然河砂制備混凝土將成為必然趨勢。由于機制砂混凝土本身在力學性能、收縮與抗裂性以及耐久性能方面，能夠達到甚至超過天然砂混凝土的水平，已經廣泛應用于國家大型混凝土工程，比如三峽工程大壩及圍堰、黃河小浪底工程大壩、渝懷鐵路金洞隧道、旗號嶺隧道等［3］。因此使用機制砂在更多領域更大規(guī)模上更廣泛地區(qū)應用將成為必然趨勢。

目前國內企業(yè)生產的機制砂表面粗糙，級配不完全合理，細度模數偏大。多數企業(yè)為減少機械磨損，降低生產成本，生產的機制砂細度模數多為3.1 以上(粗砂)，而配制混凝土細度模數最好是2.5～3.0 范圍。另外，機制砂的級配區(qū)最好為II 區(qū)，各級篩余一定要符合標準要求，但有的企業(yè)根本不認識或重視此指標，使機制砂的優(yōu)勢無法體現，在人們對機制砂認識的初級階段，機制砂企業(yè)自己給自己造成了阻力。本文針對江西本地砂源，與贛江河砂對比，研究機制砂細度模數對水泥砂漿工作性和混凝土工作性及強度的影響規(guī)律，為本地區(qū)機制砂的生產和應用提供技術支撐。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

水泥:江西海螺水泥股份有限公司生產的P·O42.5 級水泥，比表面積為378m2/kg;粉煤灰:江西某電廠二級粉煤灰，45μm 篩余18.6%，需水量比為100%，密度是2.52kg/m3;礦粉:新余鋼鐵廠冶煉生鐵時排放的粒化高爐礦渣，密度為2.86g/cm3，比表面積430m2/kg，28d 活性指數97%，流動度比100%;粗骨料:試驗用粗集料是高安5～31.5mm連續(xù)級配碎石，表觀密度為2710kg/m3，堆積密度為1560kg/m3，空隙率為42.5%，壓碎值為7.6%;細骨料:河砂為贛江中砂，細度模數2.6，機制砂為萍鄉(xiāng)和樂平的兩廠家生產，均為碎石破碎篩分而成，其中萍鄉(xiāng)機制砂為花崗巖機制砂，編號為PX，樂平機制砂為石灰?guī)r機制砂，編號為LP，細度模數2.9，針片狀含量6.0%，細骨料的主要性能指標見表1;外加劑:江西迪特公司生產的聚羧酸系緩凝高效減水劑，減水劑含固量為7.50%，摻量1.8%時減水率20%。

表1 細骨料的主要性能指標

1.2 試驗方法

(1)試驗配合比見表2。

表2 機制砂混凝土配合比

(2)機制砂砂漿工作性按照《混凝土外加劑應用規(guī)范》(GB 50119-2013)國家標準執(zhí)行。

(3)機制砂混凝土工作性的測定方法。按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080-2002)規(guī)定的坍落度法測試混凝土拌合物的工作性。

(4)機制砂混凝土力學性能的測定方法。試件尺寸采用150mm 的立方體試件，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)進行測試。

2 試驗結果與分析

不同于天然砂適合泵送混凝土的的細度模數為2.3～3.0，機制砂普遍較粗，選取細度模數2.6～3.5 進行相關試驗分析。試驗選用萍鄉(xiāng)機制砂PX1-PX8，細度模數從3.5～2.5，試驗過程中除機制砂細度模數變化外，其余各參數(石粉含量、針片狀含量)大致相同，研究細度模數對水泥砂漿和混凝土流動性、強度的影響。

2.1 機制砂細度模數對砂漿工作性的影響

參照GB50119-2013《混凝土外加劑應用技術規(guī)程》中的混凝土外加劑相容性快速試驗方法，在C30、C60 混凝土原有配合比的基礎上，降低0.02 的水膠比，去除粗骨料，配制成水泥砂漿，研究不同細度模數機制砂對水泥砂漿擴展度的影響，試驗結果見表3 和圖1、圖2。

表3 不同細度模數機制砂對水泥砂漿擴展度的影響

圖1 細度模數對S30 砂漿擴展度的影響

圖2 細度模數對S60 砂漿擴展度的影響

從表3 和圖1、圖2 可以看出，隨著細度模數的減小，S30 和S60 砂漿的初始、30min、60min 擴展度均呈現先增大后降低的趨勢。這是因為細度模數大時，粗骨料多，砂漿易表現出輕微離析、泌水、骨料堆積等現象，因此擴展度相對小;當細度模數較小時，細顆粒較多，粒徑較小的顆粒比例較大，顆粒表面吸附的水增加，從而使?jié){體流動性變差;細度模數增加至一定程度，大小不同顆粒互相搭配，相互填充空隙，顆粒表面吸附的水量適中，顆粒堆積效應能起到減少空隙，使體系中有更多的自由水，因而漿體拌合物流動性增加。總體來說，細度模數對機制砂砂漿的擴展度影響不大，細度模數在2.8～3.0 范圍內，砂漿擴展度較好。另外可以看出，S30 砂漿和S60 砂漿的30min 擴展度＞60min 擴展度＞初始擴展度。這和天然砂的規(guī)律是一致的。

2.2 機制砂細度模數對C30 混凝土工作性和強度的影響

研究機制砂細度模數在3.5～2.6 時，不同細度模數機制砂對C30混凝土性能的影響，按照C30 混凝土設計配合比進行試配，試驗結果見表4 和圖3、圖4。

表4 不同細度模數機制砂對C30 混凝土性能的影響

從表4 和圖3 可以看出，隨著細度模數的減小，C30 混凝土的坍落度和擴展度均先增大后降低，混凝土泌水率先降低后小幅度增長，當細度模數在2.8～3.0 時，混凝土拌合物外觀良好，具有良好的粘聚性，泌水率較低，混凝土工作性能最好。當細度模數大于3.0 時，機制砂中的粗顆粒較多，細顆粒較少，混凝土有點離析，粘聚性一般，泌水率略大，整體工作性能一般;而細度模數低于2.8 時，機制砂中細顆粒多，骨料比表面積增大，需要更多的漿體來包裹，此時混凝土的流動性略差，拌合物略粘，泌水率較低，混凝土工作性能也一般。

圖3 細度模數對混凝土工作性能的影響

圖4 細度模數對混凝土強度的影響

從表4 和圖4 可以看出，混凝土各齡期抗壓強度均隨著細度模數的減小而呈現先小幅度增大后小幅度降低的規(guī)律，總體增減幅度不大。當細度模數在2.8～3.0 時，混凝土抗壓強度較高。此時機制砂的顆粒級配良好，粗顆粒與細顆粒比例較好，骨料顆粒空隙率小，混凝土的抗壓強度高。

2.3 機制砂細度模數對C60 混凝土工作性和強度的影響

研究機制砂細度模數在3.5～2.6 時，不同細度模數機制砂對C60混凝土性能的影響，按照C60 混凝土設計配合比進行試配，試驗結果見表5 和圖5、圖6。

表5 不同細度模數機制砂對C60 混凝土性能的影響

從表5 和圖5、圖6 可以看出，隨著細度模數的減小，C60 混凝土的坍落度和擴展度均先增大后降低，混凝土7d、28d 抗壓強度也是先增大后降低，總體來說，細度模數對坍落度、擴展度和各齡期抗壓強度的影響不大，細度模數在2.8～3.0 時，混凝土性能最好。

圖5 細度模數對混凝土工作性能的影響

圖6 細度模數對混凝土強度的影響

3 結論

(1)研究表明細度模數僅是表征砂的粗細程度的宏觀指標，無法反映顆粒級配的真實情況，不能作為判斷砂品質好壞的衡量指標，顆粒級配是反映機制砂基本屬性最內在的因素。在確定砂的顆粒級配滿足GB/T 14684-2011《建設用砂》2 區(qū)機制砂級配要求外，建議控制機制砂細度模數在2.8～3.0 左右。

(2)總體來說，細度模數對C60 混凝土性能的影響與對C30 混凝土性能的影響規(guī)律相當，但整體影響不大，最佳細度模數均在2.8～3.0。

［1］余良君.混合砂代替天然中砂在混凝土中的應用研究［J］.福建建材，2006(4):18-19.

［2］王稷良.機制砂特性對混凝土性能的影響及機理研究［D］.武漢理工大學博士學位論文，2008.

［3］陳炳祥，王震.長大隧道遠距離泵送機制砂混凝土施工技術研究［J］.現代隧道技術，2014，41(3):22-26.