多種機制砂的砂漿性能研究

王 熙 程貞樺 李少偉

(福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350108)

0 引言

砂漿是土木工程建設必須的建筑材料，砂是其重要組成部分。當前，天然砂已因過度開采面臨短缺問題，為此，我國許多地方對河砂的開采進行限制。2020年，福建省國土廳發布了機制砂發展五年計劃，要求全省在年底前達到5000萬m3機制砂的生產能力[1]。由專業破碎設備破碎巖石得到的機制砂，將逐步代替天然砂。機制砂與天然砂相比，具有棱角更尖銳、不規則形狀顆粒含量高的特點[2]，導致機制砂與天然砂的砂漿性能有所不同。

國內已有很多機制砂的砂漿性能和砂漿抗凍機理方面的研究。陰小琴[3]提出，機制砂石粉含量在10%左右時，砂漿性能最佳；孫星海等[4]研究了機制砂的形貌和巖性對砂漿性能的影響；周新文等[5]提出，機制砂顆粒的不規則形貌，能夠增加砂漿的表觀粘度和硬化后的屈服應力。但以上研究側重于機制砂的某些特征，未對機制砂砂漿在抗凍性能試驗中的一些特殊現象做深入討論。

本文以天然砂作為對照組，以多種不同產地的機制砂為試驗組，分別將這些砂制成相同配合比、相同原材料的水泥砂漿，研究不同機制砂對砂漿的和易性、強度和抗凍性能的影響，重點討論了吸水率和試塊干重對抗凍性能的影響，為工程應用提供更多參考。

1 原材料

水泥為同一批生產的P·Ⅰ42.5基準水泥。

砂為南方路基集團使用相同破碎設備得到的8種機制砂和采自福州的天然砂，機制砂的原料來自8個產地，分別為：荊門、鄭州、江西、泉州、海口、瀏陽、柳州、山西。9種砂的外觀分別如圖1～圖9所示。

圖1 福州天然砂 圖2 荊門機制砂 圖3 鄭州機制砂

圖4 江西機制砂 圖5 泉州機制砂 圖6 海口機制砂

圖7 瀏陽機制砂 圖8 柳州機制砂 圖9 山西機制砂

使用標準《建設用砂》(GB/T14684-2011)的方法對砂的顆粒級配進行檢測，分計篩余結果如表1所示，級配區屬、細度模數、規格如表2所示，從表2可以看出，海口機制砂、瀏陽機制砂的規格分別為粗砂和細砂，其余7種砂的規格都是中砂。

表1 9種砂的分計篩余

表2 9種砂的級配區屬、細度模數、規格

從表1可以看出，和天然砂相比，機制砂中粒徑大于1.18 mm和小于0.3 mm顆粒更多，其級配呈現出“兩頭大、中間小”的特點。

2 試驗方法

按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)測定砂漿的強度、水泥膠砂流動度，按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70-2009)測定砂漿的吸水率、保水率、抗凍性能。試驗配合比如表3所示。

表3 配合比(質量比)

3 結果和討論

3.1 機制砂級配對砂漿和易性的影響

9種機制砂的砂漿拌合物的水泥膠砂流動度、吸水率、保水率、試塊干重(標養到第28 d后，105℃烘干2 d后稱重)分別如圖10～圖13所示。

圖10 水泥膠砂流動度

圖11 吸水率

圖12 保水率

圖13 試塊干重

由表2看出，作為所有試驗的對照組的福州天然砂的級配屬于2區，規格為中砂，其級配和規格都較為常見，其拌合物的水泥膠砂流動度較低、略干稠、保水率較高，其成型的試塊干重也較低，放映出其試塊孔隙較多，密實程度較差。由此可知，對照組天然砂相比多數試驗組機制砂，有更大的需水量，這是由于對照組天然砂的細顆粒和粗顆粒相對機制砂更少，其粒徑分布表現為“兩頭小、中間大”，其級配雖然符合2區要求，但實際上難以做到密集堆積。江西機制砂的拌合物的水泥凈漿流動度最低、最為干稠、保水率最高，反映出江西機制砂的石粉含量過大，引起其需水量過大，其成型的試塊的干重最低、吸水率最高，反映出其孔隙最多，密實程度最差。山西機制砂的砂漿試塊吸水率最低、干重最高，反映出其孔隙最少，密實程度最好。這是由于山西機制砂的(0～0.15)mm范圍內的顆粒最多，更多的細顆粒可以發揮填充效應[6]，使孔隙減少。由于荊門、瀏陽、泉州、鄭州的機制砂的級配互相之間較為接近，都屬于或接近標準GB/T 14684-2011中的2區砂，其級配較合理且細度模數大小適中，因此其拌合物的水泥膠砂流動度較大、保水率和吸水率適中，可推測其孔隙規模較為合適、密實程度適中。

從以上和易性結果可以看出，荊門、瀏陽、泉州、鄭州的機制砂的砂漿的和易性能在九種機制砂的砂漿中相對較好，這4種機制砂的細度模數在2.2～2.7的范圍內，細度模數大小適中意味著砂的級配合理的可能性較大，級配合理使砂能較密集地堆積，利于降低漿集比和需水量。

3.2 砂漿強度

由圖14～圖15得出，福州的天然砂和江西的機制砂所拌合的砂漿抗壓強度和抗折強度較低，山西的機制砂拌合的砂漿抗壓強度和抗折強度最高，荊門、鄭州、泉州、柳州的機制砂拌合的砂漿抗折強度較高，荊門、泉州、柳州的機制砂拌合的砂漿抗壓強度較高。

圖14 抗折強度

圖15 抗壓強度

可以看出，強度和吸水率負相關，與和易性、試塊干重都正相關。

3.3 吸水率和試塊干重對砂漿抗凍性能的影響

在凍融循環的過程中，有4種因素同時起作用：a.因為試塊密實程度較差，其孔隙較多，固體骨架強度較低，水受凍結冰的膨脹壓力直接破壞了固體骨架；b.試塊過于密實，試塊孔隙中的水受凍結冰發生體積膨脹，擠壓周圍未結冰的水，使后者通過氣孔之間的毛細孔道向周圍氣孔遷移。但由于試塊過于密實，氣孔之間缺少毛細孔道，水遷移時流動阻力過大，體現為膨脹壓力。當膨脹壓力超過固體骨架的承受能力時，產生較多微裂縫；c.砂漿的密實程度適中，氣孔之間有規模適中的毛細孔道，使內部水分在受結冰擠壓時，容易向周圍氣孔遷移，遷移時流動阻力小，作用于固體骨架的膨脹壓力較小[7]，試塊適中的密實程度也使固體骨架的強度能夠抵抗作用于其上的壓力，較少產生微裂縫；d.凍融循環的試驗環境使試塊受到比標養更好的養護：當試件在水中融化時，大量水因毛細作用進入試塊內部，使試塊深處的水化反應有了更加適宜的反應條件；當試件在空氣中凍結時，孔隙中還存在著大量未結冰的水，這些水為未結冰的原因有兩個：

(1)孔隙中的水作為溶劑溶解了大量離子，導致熔點降低；

(2)試塊孔隙中的部分水在結冰膨脹時受到約束，只有其中的一部分結成冰，另一部分形成過冷狀態。這些未結冰的水仍然維持著水化反應繼續進行。

試塊的密實程度和固體骨架強度與因素a、b、c中哪種因素起作用息息相關，密實程度和吸水率有很大的相關性：吸水率越大，試塊內部的溝通各個氣孔的毛細孔道越多；固體骨架強度和試塊干重有很大的相關性：試塊干重越重，固體骨架強度越高。從圖11和圖13可知，江西機制砂的砂漿試塊吸水率最高、干重最低，因此在其凍融循環過程中，因素a起絕對主導作用。由圖16可知，從凍融50次～100次期間，試塊質量迅速下降，此時試塊完全破壞，如圖18所示；福州機制砂的砂漿試塊吸水率適中、但干重較低，因此因素a起主導作用；柳州、泉州、荊門、鄭州、瀏陽、海口的機制砂的砂漿試塊吸水率適中、干重適中或較大，因此因素d起主導作用或因素d、c的作用大致相當。從圖17可知，此時試驗組的抗壓強度超過對照組。從圖19可知，此時試塊表面有產生裂紋，但是表面剝蝕輕微；山西的機制砂的砂漿試塊吸水率最小、干重最大，因此因素b起主導作用，此時微裂縫隨著凍融次數增加逐漸產生、擴展并形成彼此相通的裂紋網絡，進而加速試塊的表面剝蝕[8]，這種現象見于圖20。從圖16可以看到，山西機制砂砂漿試塊質量隨著凍融次數增加有緩慢下降趨勢。從圖17也能看到山西機制砂砂漿試塊的試驗組的抗壓強度顯著小于對照組。

圖16 試塊在凍融循環過程中質量的變化

圖17 凍融循環后試驗組的試塊抗壓強度

圖18 江西機制砂的砂漿試塊(試驗組) 圖19 吸水率適中的砂漿試塊(試驗組) 圖20 山西機制砂的砂漿試塊(試驗組)

砂漿抗凍性能的試驗需要頻繁地制冷、抽水，消耗大量電能，耗時也較長。通過檢測試塊干重和吸水率這兩個參數，能較好地推測砂漿抗凍性能，節省下凍融循環的大量能耗，符合當下發展綠色經濟的時代大勢。

4 結論

(1)本文使用的天然砂的細顆粒和粗顆粒的含量較本文使用的機制砂更少，導致前者級配稍差，使得前者的需水量相比后者更大。

(2)機制砂的細度模數在2.2～2.7范圍內時，砂漿的和易性較好，成型后較為密實。

(3)機制砂含石粉過多會增加需水量，導致砂漿干稠、難以成型，成型后不密實，硬化后吸水率大、孔隙多、強度低。

(4)砂漿試塊的吸水率和干重，分別體現了試塊的毛細孔道規模和固體骨架強度，這兩個因素共同影響了凍融循環時試塊內部液相的行為，決定了試塊抗凍性能的好壞。