機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)水泥基材料工作性和強(qiáng)度的影響

■鐘 波 ■同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092

我國(guó)天然河砂資源分布不均、數(shù)量有限，多年基礎(chǔ)建設(shè)使得作為原材料之一的天然河砂供應(yīng)已無(wú)法完全滿足需求，全國(guó)多個(gè)省市局部地區(qū)無(wú)砂可用。山砂、海砂越來(lái)越多作為河砂的替代品，但山砂資源有限、含泥量大，難以長(zhǎng)期滿足大規(guī)模生產(chǎn)和質(zhì)量控制需要;海砂氯離子含量高，凈化工藝復(fù)雜，制備成本高，應(yīng)用范圍受到嚴(yán)格限制;而機(jī)制砂來(lái)源廣泛、制備工藝簡(jiǎn)單，受到混凝土行業(yè)的高度關(guān)注［1-2］。

隨著國(guó)家和地方對(duì)河砂“禁采”、“限采”政策的實(shí)施，混凝土行業(yè)采用機(jī)制砂替代天然河砂制備混凝土將成為必然趨勢(shì)。由于機(jī)制砂混凝土本身在力學(xué)性能、收縮與抗裂性以及耐久性能方面，能夠達(dá)到甚至超過天然砂混凝土的水平，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)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(hào)嶺隧道等［3］。因此使用機(jī)制砂在更多領(lǐng)域更大規(guī)模上更廣泛地區(qū)應(yīng)用將成為必然趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)制砂表面粗糙，級(jí)配不完全合理，細(xì)度模數(shù)偏大。多數(shù)企業(yè)為減少機(jī)械磨損，降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)多為3.1 以上(粗砂)，而配制混凝土細(xì)度模數(shù)最好是2.5～3.0 范圍。另外，機(jī)制砂的級(jí)配區(qū)最好為II 區(qū)，各級(jí)篩余一定要符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但有的企業(yè)根本不認(rèn)識(shí)或重視此指標(biāo)，使機(jī)制砂的優(yōu)勢(shì)無(wú)法體現(xiàn)，在人們對(duì)機(jī)制砂認(rèn)識(shí)的初級(jí)階段，機(jī)制砂企業(yè)自己給自己造成了阻力。本文針對(duì)江西本地砂源，與贛江河砂對(duì)比，研究機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)水泥砂漿工作性和混凝土工作性及強(qiáng)度的影響規(guī)律，為本地區(qū)機(jī)制砂的生產(chǎn)和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥:江西海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 級(jí)水泥，比表面積為378m2/kg;粉煤灰:江西某電廠二級(jí)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(shí)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(shù)97%，流動(dòng)度比100%;粗骨料:試驗(yàn)用粗集料是高安5～31.5mm連續(xù)級(jí)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(xì)骨料:河砂為贛江中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，機(jī)制砂為萍鄉(xiāng)和樂平的兩廠家生產(chǎn)，均為碎石破碎篩分而成，其中萍鄉(xiāng)機(jī)制砂為花崗巖機(jī)制砂，編號(hào)為PX，樂平機(jī)制砂為石灰?guī)r機(jī)制砂，編號(hào)為L(zhǎng)P，細(xì)度模數(shù)2.9，針片狀含量6.0%，細(xì)骨料的主要性能指標(biāo)見表1;外加劑:江西迪特公司生產(chǎn)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(shí)減水率20%。

表1 細(xì)骨料的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)配合比見表2。

表2 機(jī)制砂混凝土配合比

(2)機(jī)制砂砂漿工作性按照《混凝土外加劑應(yīng)用規(guī)范》(GB 50119-2013)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

(3)機(jī)制砂混凝土工作性的測(cè)定方法。按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080-2002)規(guī)定的坍落度法測(cè)試混凝土拌合物的工作性。

(4)機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的測(cè)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(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同于天然砂適合泵送混凝土的的細(xì)度模數(shù)為2.3～3.0，機(jī)制砂普遍較粗，選取細(xì)度模數(shù)2.6～3.5 進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)分析。試驗(yàn)選用萍鄉(xiāng)機(jī)制砂PX1-PX8，細(xì)度模數(shù)從3.5～2.5，試驗(yàn)過程中除機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)變化外，其余各參數(shù)(石粉含量、針片狀含量)大致相同，研究細(xì)度模數(shù)對(duì)水泥砂漿和混凝土流動(dòng)性、強(qiáng)度的影響。

2.1 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)砂漿工作性的影響

參照GB50119-2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的混凝土外加劑相容性快速試驗(yàn)方法，在C30、C60 混凝土原有配合比的基礎(chǔ)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(xì)度模數(shù)機(jī)制砂對(duì)水泥砂漿擴(kuò)展度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表3 和圖1、圖2。

表3 不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂對(duì)水泥砂漿擴(kuò)展度的影響

圖1 細(xì)度模數(shù)對(duì)S30 砂漿擴(kuò)展度的影響

圖2 細(xì)度模數(shù)對(duì)S60 砂漿擴(kuò)展度的影響

從表3 和圖1、圖2 可以看出，隨著細(xì)度模數(shù)的減小，S30 和S60 砂漿的初始、30min、60min 擴(kuò)展度均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)榧?xì)度模數(shù)大時(shí)，粗骨料多，砂漿易表現(xiàn)出輕微離析、泌水、骨料堆積等現(xiàn)象，因此擴(kuò)展度相對(duì)小;當(dāng)細(xì)度模數(shù)較小時(shí)，細(xì)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(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?，相互填充空隙，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?？傮w來(lái)說，細(xì)度模數(shù)對(duì)機(jī)制砂砂漿的擴(kuò)展度影響不大，細(xì)度模數(shù)在2.8～3.0 范圍內(nèi)，砂漿擴(kuò)展度較好。另外可以看出，S30 砂漿和S60 砂漿的30min 擴(kuò)展度＞60min 擴(kuò)展度＞初始擴(kuò)展度。這和天然砂的規(guī)律是一致的。

2.2 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)C30 混凝土工作性和強(qiáng)度的影響

研究機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在3.5～2.6 時(shí)，不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂對(duì)C30混凝土性能的影響，按照C30 混凝土設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行試配，試驗(yàn)結(jié)果見表4 和圖3、圖4。

表4 不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂對(duì)C30 混凝土性能的影響

從表4 和圖3 可以看出，隨著細(xì)度模數(shù)的減小，C30 混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均先增大后降低，混凝土泌水率先降低后小幅度增長(zhǎng)，當(dāng)細(xì)度模數(shù)在2.8～3.0 時(shí)，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(dāng)細(xì)度模數(shù)大于3.0 時(shí)，機(jī)制砂中的粗顆粒較多，細(xì)顆粒較少，混凝土有點(diǎn)離析，粘聚性一般，泌水率略大，整體工作性能一般;而細(xì)度模數(shù)低于2.8 時(shí)，機(jī)制砂中細(xì)顆粒多，骨料比表面積增大，需要更多的漿體來(lái)包裹，此時(shí)混凝土的流動(dòng)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(xì)度模數(shù)對(duì)混凝土工作性能的影響

圖4 細(xì)度模數(shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

從表4 和圖4 可以看出，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度均隨著細(xì)度模數(shù)的減小而呈現(xiàn)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(dāng)細(xì)度模數(shù)在2.8～3.0 時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度較高。此時(shí)機(jī)制砂的顆粒級(jí)配良好，粗顆粒與細(xì)顆粒比例較好，骨料顆?？障堵市?，混凝土的抗壓強(qiáng)度高。

2.3 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對(duì)C60 混凝土工作性和強(qiáng)度的影響

研究機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在3.5～2.6 時(shí)，不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂對(duì)C60混凝土性能的影響，按照C60 混凝土設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行試配，試驗(yàn)結(jié)果見表5 和圖5、圖6。

表5 不同細(xì)度模數(shù)機(jī)制砂對(duì)C60 混凝土性能的影響

從表5 和圖5、圖6 可以看出，隨著細(xì)度模數(shù)的減小，C60 混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均先增大后降低，混凝土7d、28d 抗壓強(qiáng)度也是先增大后降低，總體來(lái)說，細(xì)度模數(shù)對(duì)坍落度、擴(kuò)展度和各齡期抗壓強(qiáng)度的影響不大，細(xì)度模數(shù)在2.8～3.0 時(shí)，混凝土性能最好。

圖5 細(xì)度模數(shù)對(duì)混凝土工作性能的影響

圖6 細(xì)度模數(shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

(1)研究表明細(xì)度模數(shù)僅是表征砂的粗細(xì)程度的宏觀指標(biāo)，無(wú)法反映顆粒級(jí)配的真實(shí)情況，不能作為判斷砂品質(zhì)好壞的衡量指標(biāo)，顆粒級(jí)配是反映機(jī)制砂基本屬性最內(nèi)在的因素。在確定砂的顆粒級(jí)配滿足GB/T 14684-2011《建設(shè)用砂》2 區(qū)機(jī)制砂級(jí)配要求外，建議控制機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在2.8～3.0 左右。

(2)總體來(lái)說，細(xì)度模數(shù)對(duì)C60 混凝土性能的影響與對(duì)C30 混凝土性能的影響規(guī)律相當(dāng)，但整體影響不大，最佳細(xì)度模數(shù)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(yīng)用研究［J］.福建建材，2006(4):18-19.

［2］王稷良.機(jī)制砂特性對(duì)混凝土性能的影響及機(jī)理研究［D］.武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

［3］陳炳祥，王震.長(zhǎng)大隧道遠(yuǎn)距離泵送機(jī)制砂混凝土施工技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，41(3):22-26.