機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)水泥基材料流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響研究*

劉運(yùn)華，劉江紅，曾建聰，龍廣成

（1郴州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理站 湖南郴州 423000;

2中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410075）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，作為主要建筑原材料之一的天然砂等骨料逐漸減少，甚至有些地方的天然砂資源呈現(xiàn)枯竭狀況，亟需加強(qiáng)人工機(jī)制砂的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)研究。

機(jī)制砂與天然砂相比，其表面粗糙、多棱角，為了改善其品質(zhì)，常需包含一部分粒徑較小的細(xì)顆粒（小于0.15mm顆粒），另外還需選擇合適的顆粒組成。雖然有關(guān)機(jī)制砂混凝土的相關(guān)研究已有較多報(bào)道，其在水泥砂漿、混凝土中的應(yīng)用也已有較長(zhǎng)的時(shí)間，而且在一些應(yīng)用機(jī)制砂較早的地區(qū)也出臺(tái)了機(jī)制砂及其在水泥混凝土中應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但由于機(jī)制砂技術(shù)參數(shù)的影響因素較多，包括母巖材質(zhì)、生產(chǎn)工藝設(shè)備等，特別是機(jī)制砂還具有較為顯著的地方特色，不同地區(qū)機(jī)制砂的應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀還參差不齊。因此，有必要進(jìn)一步結(jié)合地方特色，就機(jī)制砂水泥混凝土相關(guān)技術(shù)開(kāi)展研究。

湖南郴州地區(qū)具有豐富的石灰石資源，且天然砂較為缺乏，本文利用石灰石碎石生產(chǎn)過(guò)程留下的廢棄顆粒開(kāi)發(fā)出機(jī)制砂，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，適配出不同細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂，并通過(guò)試驗(yàn)研究所生產(chǎn)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)水泥砂漿、混凝土流動(dòng)性、強(qiáng)度的影響規(guī)律，為該地區(qū)機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂的適配

為研究細(xì)度模數(shù)對(duì)水泥膠砂和混凝土工作性能的影響，采用方孔篩，將生產(chǎn)得到的機(jī)制砂分級(jí)過(guò)篩，得到單一粒徑的砂子，按照建筑用砂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14684-2001）中的要求，編制相應(yīng)的MATLAB程序，由程序控制選用不同細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂時(shí)各單一粒徑砂子的比例。同時(shí)，本文總結(jié)對(duì)比分析不同學(xué)者對(duì)機(jī)制砂中石粉含量的控制要求，將小于0.15mm粒徑的細(xì)粉定義為石粉，統(tǒng)一調(diào)配各細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂中石粉含量均為6%。通過(guò)MATLAB程序控制，分別得到細(xì)度模數(shù)為2.1、2.5、2.9、3.2、3.6時(shí)的各級(jí)配粒徑比例，如表1所示。

2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2.1 原材料

采用郴州良田鎮(zhèn)玉山牌P.O 42.5水泥和P.C 32.5硅酸鹽水泥，其中水泥膠砂使用P.O 42.5水泥，配制C30混凝土?xí)r用P.C 32.5普通水泥。石灰石碎石作為粗骨料，由郴州市中大新型建材廠生產(chǎn)，粒徑為5～31.5mm連續(xù)級(jí)配碎石。機(jī)制砂由郴州市中大新型建材廠生產(chǎn)，由石灰石巖尾礦破碎而成，其單粒級(jí)顆粒的壓碎指標(biāo)如表2所示。拌合物為自來(lái)水。

表2 機(jī)制砂單粒級(jí)的壓碎指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了水泥砂漿和混凝土兩系列配比，砂漿按照水泥膠砂試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，試驗(yàn)配比如表3和表4所示。

表3 水泥膠砂配合比 g

表4 機(jī)制砂混凝土配合比 kg/m3

水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)試采用跳桌試驗(yàn)方法，抗折、抗壓強(qiáng)度按GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》規(guī)定的方法進(jìn)行，試件尺寸為40mm×40mm×160mm。新拌混凝土的工作性能通過(guò)測(cè)試坍落度、觀察粘聚性等分析；混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，采用150mm×150mm×150mm試件。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 細(xì)度模數(shù)對(duì)膠砂工作性能的影響

機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)水泥膠砂工作性能影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，從表5中的結(jié)果可以看出，在所調(diào)查范圍內(nèi)，隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的增大，水泥膠砂流動(dòng)度呈現(xiàn)先增加后又減少的趨勢(shì)變化，拌合物外觀粘聚性也是呈現(xiàn)由差變好再變差的趨勢(shì)。其中當(dāng)細(xì)度模數(shù)為2.1時(shí)，拌合物顯干澀，難以成型，流動(dòng)性差；細(xì)度模數(shù)為2.5和3.6時(shí)，砂漿拌合物流動(dòng)性有所好轉(zhuǎn)；細(xì)度模數(shù)為2.9和3.2時(shí)，水泥膠砂流動(dòng)度同標(biāo)準(zhǔn)砂相當(dāng)。這主要原因是當(dāng)細(xì)度模數(shù)較低時(shí)，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(dòng)性變差；細(xì)度模數(shù)增加至一定程度，大小不同顆?；ハ啻钆洌嗷ヌ畛淇障?，顆粒表面吸附的水量適中，顆粒堆積效應(yīng)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(dòng)性增加。

表5 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)水泥膠砂工作性能的影響

3.2 細(xì)度模數(shù)對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響

圖1是用五種細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂制作成的水泥膠砂不同齡期時(shí)的抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。從圖1中的結(jié)果可知，就抗折強(qiáng)度而言，在所制作的6組試件中，采用標(biāo)準(zhǔn)砂制作的砂漿試件在各齡期下的抗折強(qiáng)度最小，隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的增加，砂漿試件的抗折、抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)增加至2.9以后，砂漿抗折強(qiáng)度隨機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)增大而不再顯著增加；對(duì)于抗壓強(qiáng)度，細(xì)度模數(shù)為2.1的機(jī)制砂砂漿強(qiáng)度值最低，細(xì)度模數(shù)為2.5的機(jī)制砂砂漿與標(biāo)準(zhǔn)砂砂漿強(qiáng)度值基本相似，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)增加，對(duì)應(yīng)砂漿抗壓強(qiáng)度值進(jìn)一步呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。分析其原因表明，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)較小時(shí)，從表1中可知，其顆粒主要由0.3～0.6mm的細(xì)顆粒組成；隨著其細(xì)度模數(shù)增加，大于0.6mm的顆粒含量增加，砂在砂漿體系中骨架作用增強(qiáng)，骨料相互之間的機(jī)械咬合力較大。砂漿工作性和強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在2.9～3.2之間，其制作的砂漿性能最優(yōu)。

3.3 細(xì)度模數(shù)對(duì)混凝土工作性的影響

以C30混凝土為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了不同細(xì)度模數(shù)的混凝土，試驗(yàn)過(guò)程中除機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)變化外，其余各參數(shù)均保持不變，試驗(yàn)所得5組不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂混凝土的工作性結(jié)果如表6所示，試驗(yàn)測(cè)試了拌合物的坍落度，并觀察了拌合物的粘聚性、保水性等。

從表6中的結(jié)果可知，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.1時(shí)，拌合物幾乎無(wú)坍落度，拌合物顯干澀、流動(dòng)性極差；隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的增加，拌合物的坍落度逐漸增加，當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在2.9～3.2時(shí)，拌合物的坍落度最大，且拌合物外觀良好，具有良好的粘聚性；而機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)進(jìn)一步增加，拌合物的坍落度呈下降趨勢(shì)。顯然，混凝土拌合物的工作性與漿體性質(zhì)、骨料性質(zhì)以及漿體與骨料的相對(duì)體積含量有關(guān)，當(dāng)其他條件保持不變，細(xì)骨料（砂子）的性質(zhì)對(duì)拌合物的工作性存在重要影響，砂子細(xì)度模數(shù)反映其組成顆粒的整體粗細(xì)程度，影響骨料顆粒的比表面積和骨架體系的堆積空隙率。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(shù)量就少，相同條件下骨料表面有更多的漿體，潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，對(duì)于機(jī)制砂而言，其表面棱角多，表面摩擦力較大，細(xì)度模數(shù)適中的機(jī)制砂，越有利于改善拌合物的工作性。

表6 細(xì)度模數(shù)對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能的影響

3.4 細(xì)度模數(shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂配制的混凝土的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

從圖2中的結(jié)果可知，在試驗(yàn)所測(cè)范圍內(nèi)，不同細(xì)度模數(shù)的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化呈現(xiàn)一致的增加趨勢(shì)；然而，采用不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂配制的混凝土，其抗壓強(qiáng)度值并不相同，細(xì)度模數(shù)最小的機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度最低，隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)增加，所配制的混凝土的抗壓強(qiáng)度值也隨之有一定程度的增大，這與砂漿試件呈現(xiàn)相似的規(guī)律。

4 結(jié)論

為解決一些地區(qū)建筑原材料日益短缺的難題，促進(jìn)機(jī)制砂在混凝土中應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，論文對(duì)湖南郴州地區(qū)石灰石開(kāi)采過(guò)程中廢棄的尾屑加工制備成機(jī)制砂，基于機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)水泥砂漿、混凝土工作性和強(qiáng)度的影響試驗(yàn)研究，可得到如下結(jié)論：

（1）機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)水泥砂漿、混凝土的工作性和強(qiáng)度均存在顯著的影響，隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的適當(dāng)增加，膠砂、混凝土的工作性和強(qiáng)度均得到不同程度的提高。采用合適細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂制作水泥膠砂，其膠砂流動(dòng)度和膠砂試件的抗壓、抗折強(qiáng)度可與標(biāo)準(zhǔn)砂膠砂試件的相媲美。

（2）為了使得水泥砂漿、混凝土具有良好的工作性和合適的力學(xué)強(qiáng)度，機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)宜選擇在2.9～3.2之間。

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[2]王稷良，周明凱，李北星等. 機(jī)制砂中石粉對(duì)混凝土耐久性的影響研究[J].工業(yè)建筑，2007，37（12）：109-112

[3]Michael Schmidt, Carsten Geisenhanslke. 高性能和自密實(shí)混凝土中細(xì)顆粒的最佳組成[J].商品混凝土, 2005,(4):62-70