建筑用砂對膠砂性能增強效果的影響研究

楊瑞環 謝正奮

（廣東省梅州市質量計量監督檢測所）

0 前言

我國大多數地區，建筑用砂都是天然砂。隨著基本建設的日益發展，不少地區出現優質天然砂資源逐步減少、甚至無天然砂的情況[1]。建筑用砂供需矛盾日漸突出，導致天然砂市場供應不足，且天然砂的質量越來越差，出現含泥量大、質量不穩定等問題，給混凝土的配合比設計、質量和成本控制等工作帶來諸多難題。因此積極解決建筑用砂問題，對混凝土企業十分重要。

建筑用砂通常包括機制砂、石英砂和河砂。機制砂是通過制砂機和其它附屬設備加工而成的砂子，成品更加規則，可以根據不同工藝要求加工成不同規則和大小的砂子，其物理化學性質與母巖性質相同[2]，對膠砂性能的影響有利有弊。石英砂是石英石經破碎加工而成的石英顆粒。石英石是一種非金屬礦物質，是一種堅硬、耐磨、化學性能穩定的硅酸鹽礦物，其主要礦物成分是SiO2[3-5]。河砂[6-7]是河水中自然石經河水的沖擊和侵蝕而形成的有一定質量標準的建筑材料。

本試驗通過對9 組水泥膠砂和1 組標準水泥膠砂進行強度試驗，試驗結果采用正交試驗[8]分析法來分析建筑用砂種類、摻量對水泥膠砂強度增強效果的影響。

1 試驗

1.1 試驗原料

⑴水泥：P·O42.5R，密度為3.17㎏/m3。性能指標均符合GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》標準。

⑵機制砂：細度模數Mx=2.7，石粉含量Q=3.5%，顆粒級配見表1。

⑶石英砂：40～200 目，顆粒級配見表1。

⑷河砂：細度模數Mx=2.9，含泥量Q=2.5%，顆粒級配見表1。

表1 建筑用砂顆粒級配

⑸標準砂：中國ISO 標準砂。

⑹水：普通自來水。

1.2 配合比設計

為全面考察建筑用砂對水泥膠砂強度增強效果的影響，本試驗的試驗結果采用正交試驗分析法進行分析。本試驗考慮2 種因素：①建筑用砂的種類：機制砂、石英砂和河砂三個水平；②建筑用砂的摻量：建筑用砂取代標準砂的25%、50%和75%三個水平。試驗方案及結果見表2。

表2 水泥膠砂強度的試驗方案及結果

1.3 性能測試

測試方法：采用40mm×40mm×160mm 成型試件，豎直放在20℃±1℃水中養護28d，在300kN 抗壓抗折一體機上進行抗壓強度的測試。

2 結果及分析

2.1 強度測試值

試驗測得10 組水泥膠砂的強度值如表2 所示。

2.2 試驗結果分析

石英砂有明顯的降低作用，而河砂則影響不大。當建筑用砂摻量為25%、50%和75%時，水泥膠砂1d 強度的平均值比純標準砂時分別提高-3.3%、-7.3%和-12.4%；水泥膠砂3d 強度的平均值比純標準砂時分別提高0.9%、-3.7%和-8.6%；水泥膠砂7d 強度的平均值比純標準砂時分別提高-3.0%、-11.6%和-17.8%。說明建筑用砂取代量越大，對水泥膠砂強度的增強效果影響越大。

利用正交試驗直觀分析法分析各因素對水泥膠砂強度增強效果的影響，該影響主要通過極差值的大小進行判斷。極差就是平均效果中的最大值與最小值之差，極差越大，表明該因素對試驗指標的影響越大。直觀分析計算結果見表3。表3 中Kˉ1、Kˉ2和Kˉ3表示各因素取水平1、2、3 時對應的試驗結果之和的平均值。

表3 正交試驗結果的直觀分析

2.3 影響因素水平分析及討論

由表2 和表3 可以看出，各因素對水泥膠砂各齡期強度增強效果的影響程度是一致的，均為建筑用砂種類＞建筑用砂摻量。表3 中當機制砂、石英砂和河砂分別取代標準砂時，水泥膠砂1d 強度的平均值比純標準砂時分別提高11.6%、-29.7%和-4.9%；水泥膠砂3d 強度的平均值比純標準砂時分別提高16.7%、-29.7%和1.5%；水泥膠砂7d 強度的平均值比純標準砂時分別提高3.7%、-35.0%和-1.2%。說明三種建筑用砂中，機制砂對水泥膠砂強度有明顯的增強作用，尤其是早期強度；

根據表2 和表3 中樣品的強度結果值，做強度隨建筑用砂種類變化曲線圖1，強度隨建筑用砂摻量變化曲線圖2。

由圖1 看出，水泥膠砂強度隨著建筑用砂種類的不同而不同。其中機制砂的膠砂強度最高，相比于標準砂，有增強效果。原因可能是：①機制砂由機軋石子破碎而成，外表新鮮，棱角尖銳，彼此間的咬合度高；②機制砂是屬于石灰石質，機制砂中的石粉具有活性，能夠與水泥膠凝材料發生二次水化反應，提高膠砂強度；但是由于其活性不大，故早期強度提高比較顯著。石英砂的膠砂強度明顯最低，大幅度降低了標準砂的水泥膠砂強度，原因可能是：石英砂太細，粒徑集中在600μm 以下，比表面積大，故相同質量的建筑用砂所需的用水量就顯著增加。而本試驗中的配合比相同，即用水量不變，故導致用于水泥水化產生強度的膠凝材料所需的這部分水量不夠，因而強度不能完全發揮出來，導致強度大幅度降低。河砂的膠砂強度與標準砂的相比，有略微的降低。降低的原因可能是：河砂中的含泥量需水量大，且一定程度上破壞了膠凝材料的界面，但是整體上影響不大。因此對于建筑用砂種類，其增強效果的影響為：機制砂＞河砂＞石英砂。

圖1 強度隨建筑用砂種類變化情況圖

由圖2 得出，隨著建筑用砂摻量的增加，水泥膠砂的強度呈現下降趨勢，尤其是7d 強度表現最為明顯。說明建筑用砂摻量越大，對水泥膠砂強度增強效果影響越大。原因可能是：建筑用砂的細粉、雜質較多。⑴這些因素會增加需水量，當摻入到一定量時，就會影響到水泥水化所需的用水量，導致水泥水化不完全，強度發揮不出來。當摻量越大時，這種影響越大；⑵雜質可能破壞水化產物的界面，導致界面黏性降低，從而降低強度。摻量越大，雜質越多，破壞越嚴重，從而強度越低。因此，對于建筑用砂摻量，其增強效果的影響為：25%＞50%＞75%。

3 結論

⑴在建筑用砂種類和建筑用砂摻量兩個因素中，影響水泥膠砂強度增強效果的主要因素是建筑用砂種類。

⑵本試驗中機制砂增強水泥膠砂強度，石英砂降低，而河砂影響不大。

⑶水泥膠砂強度隨著建筑用砂摻量的增加，呈現降低趨勢。

⑷機制砂對水泥膠砂的早期強度有明顯的增強作用。