機(jī)制砂質(zhì)量及機(jī)制砂混凝土性能研究

張水，曹輝，陳焰，喻進(jìn)輝，袁慶蓮

（湖南省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410011）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，建設(shè)工程用砂量逐年遞增。天然砂作為地方性資源，分布不均勻且短時(shí)間內(nèi)不可再生，長期無序地開采已導(dǎo)致天然砂資源接近枯竭。為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，國家出臺(tái)了禁采或限采天然砂的法規(guī)，使得建設(shè)工程用砂供需矛盾更加突出，嚴(yán)重制約了建設(shè)工程的持續(xù)發(fā)展，尋找天然砂之外的砂資源已迫在眉睫[1－4]。機(jī)制砂是將開采的巖石經(jīng)機(jī)械破碎、篩分而制成的人工砂，其生產(chǎn)和應(yīng)用可以緩解因天然砂資源不足而出現(xiàn)的問題[5－6]。當(dāng)前，因天然砂資源短缺和價(jià)格上漲，機(jī)制砂的生產(chǎn)和應(yīng)用得到了較快發(fā)展，然而機(jī)制砂的質(zhì)量不但與母材的巖性有關(guān)，還與機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝有關(guān)，不同的破碎、篩分和除粉工藝對(duì)機(jī)制砂的粒形、級(jí)配、石粉含量等有重要影響，也直接造成了機(jī)制砂質(zhì)量良莠不齊，阻礙了機(jī)制砂在混凝土中的廣泛應(yīng)用[7]。根據(jù)對(duì)53家企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)制砂進(jìn)行的取樣檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，研究了天然砂、機(jī)制砂和混合砂對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其3 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為26.5 MPa和49.9 MPa；粗骨料：采用粒徑范圍5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石；粉煤灰：采用F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，其需水量比為103%，強(qiáng)度活性指數(shù)為78%；礦粉：采用礦粉S95，其7 d、28 d活性指數(shù)分別為70%和102%；細(xì)骨料：采用天然中砂TS1、天然特細(xì)砂TS2、機(jī)制砂（碎屑）JS1、機(jī)制砂（整形）JS2、機(jī)制砂 （碎屑）JS3、機(jī)制砂JS4以及混合砂HS1、HS2、HS3；水：自來水。按照 GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表1～3。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》對(duì)天然砂、機(jī)制砂的性能進(jìn)行檢測(cè)；依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》成型、養(yǎng)護(hù)混凝土試塊，對(duì)硬化混凝土的力學(xué)性能、抗水滲透性、抗氯離子滲透性和收縮性能進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，在膠凝材料和水用量、砂率不變的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)減水劑用量使混凝土拌合物的坍落度控制在（200±10）mm，研究天然砂、機(jī)制砂和混合砂對(duì)混凝土性能的影響，混凝土配合比見表4。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 機(jī)制砂性能檢測(cè)結(jié)果與分析

機(jī)制砂質(zhì)量是機(jī)制砂應(yīng)用與推廣的基礎(chǔ)，而高品質(zhì)機(jī)制砂是配制高性能機(jī)制砂混凝土的必要條件之一。為了解當(dāng)前機(jī)制砂的質(zhì)量情況，對(duì)53家企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)制砂進(jìn)行了取樣，并按照GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)機(jī)制砂質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果見圖1～4 和表 5。

圖1 煤氣氣相色譜分析結(jié)果

表1 天然砂性能檢測(cè)結(jié)果

表2 機(jī)制砂性能檢測(cè)結(jié)果

表3 混合砂性能檢測(cè)結(jié)果

表4 混凝土配合比

從圖1中可以看出，在53家企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)制砂中，有17家生產(chǎn)的機(jī)制砂級(jí)配滿足1區(qū)要求，占總數(shù)的32.1%；有14家生產(chǎn)的機(jī)制砂級(jí)配滿足2區(qū)要求，占總數(shù)的26.4%；有22家生產(chǎn)的機(jī)制砂級(jí)配不滿足要求，占總數(shù)的41.5%。

圖2 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)分布

從圖2中可以看出，在53家企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)制砂中，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)集中分布在3.2～3.3之間，占總數(shù)的45.3%，其中有15家所生產(chǎn)的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在2.7～3.0，占總數(shù)的28.3%；有37家生產(chǎn)的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在3.1～3.7，占總數(shù)的69.8%；有1家生產(chǎn)的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)高達(dá)3.8，占總數(shù)的1.9%。由此可以看出，生產(chǎn)的機(jī)制砂多為粗砂。

圖3 機(jī)制砂表觀密度分布

圖4 機(jī)制砂堆積密度分布

由圖3和圖4可知，在53家企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)制砂中，機(jī)制砂的表觀密度均大于等于2 500 kg/m3，且主要集中在2 610～2 700 kg/m3，占總數(shù)的71.7%。堆積密度主要集中在1 400～1 600 kg/m3，占總數(shù)的84.9%；出現(xiàn)了少量小于1 400 kg/m3的機(jī)制砂，占總數(shù)的7.5%。

表5 機(jī)制砂空隙率與石粉含量統(tǒng)計(jì)

從表5中可以看出，在53家企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)制砂中，有29家生產(chǎn)的機(jī)制砂空隙率不大于44%，占總數(shù)的54.7%，另外24家生產(chǎn)的機(jī)制砂空隙率不滿足GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》要求。機(jī)制砂中石粉含量均較低，僅有1家生產(chǎn)的機(jī)制砂石粉含量不滿足GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》要求。

綜上所述，在53家企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)制砂中，存在級(jí)配不理想現(xiàn)象，其中滿足1區(qū)要求的機(jī)制砂占32.1%，滿足2區(qū)要求的機(jī)制砂占26.4%；細(xì)度模數(shù)偏高，粗砂占69.8%，中砂只占28.3%；表觀密度、堆積密度、石粉含量基本滿足GB/T14684—2011《建設(shè)用砂》要求；空隙率偏高，滿足GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》要求的機(jī)制砂占43.4%。

2.2 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，在尺寸為150 mm×150 mm×150 mm試模中成型試樣，脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期，再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表4中可以看出，在水膠比相同的條件下，為滿足坍落度的要求，與天然砂混凝土相比，機(jī)制砂及混合砂混凝土需增加減水劑摻量，這主要是因?yàn)闄C(jī)制砂的多棱角性，表面比較粗糙，而天然砂顆粒的多為橢球狀，表面比較光滑，因此在相同坍落度條件下，采用機(jī)制砂或混合砂拌制混凝土需要增加用水量或減水劑摻量。從表6中可以看出，機(jī)制砂及混合砂混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度均高于天然砂混凝土抗壓強(qiáng)度，其中以整形砂與天然細(xì)砂混合配制的混凝土抗壓強(qiáng)度最高，與天然砂混凝土相比，其28 d抗壓強(qiáng)度增大了9.4%，60 d抗壓強(qiáng)度增大了10.4%，120 d抗壓強(qiáng)度增大了5.0%。采用機(jī)制砂或混合砂提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，其原因主要有：機(jī)制砂的多棱角性可增加其與水泥石的機(jī)械嚙合力，同時(shí)機(jī)制砂表面粗糙可增加其與水泥石的粘結(jié)力；機(jī)制砂中石粉具有填充作用，可改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。從表6中可以發(fā)現(xiàn)，混合砂混凝土90 d抗壓強(qiáng)度均低于其60 d抗壓強(qiáng)度，即在60～90 d之間，混合砂混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了倒縮現(xiàn)象，其原因可能是由于混合砂混凝土早期收縮較大，混凝土微裂縫增加，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降。

表6 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 混凝土耐久性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，在尺寸為175mm×185 mm×150 mm、100 mm×50 mm、100 mm×100 mm×515 mm試模中分別成型試樣，脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期。采用滲水高度法、電通量法、非接觸法分別測(cè)定混凝土的抗水滲透性能、抗氯離子滲透性能和收縮性能，試驗(yàn)結(jié)果見表7和圖5。

表7 混凝土滲水高度、電通量試驗(yàn)結(jié)果

圖5 機(jī)制砂混凝土的收縮率

由表7可知，采用天然砂、機(jī)制砂JS4配制的混凝土滲水高度均為2 mm，采用混合砂HS1、混合砂HS2和混合砂HS3配制的混凝土滲水高度分別為3 mm、2 mm、4 mm，即在本試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，采用天然砂、機(jī)制砂JS4配制的混凝土抗水滲透性能基本優(yōu)于混合砂混凝土。同時(shí)，天然砂混凝土的電通量低于混合砂混凝土的電通量，略高于機(jī)制砂混凝土，與采用混合砂HS1、混合砂HS2和混合砂HS3配制的混凝土相比，其電通量分別下降了12.8%、2.7%、19.6%；與采用機(jī)制砂JS4配制的混凝土相比，其電通量則增大了3.1%。

從圖5可以看出，混凝土在成型初期出現(xiàn)了微膨脹現(xiàn)象，其中以天然砂、混合砂HS1配制的混凝土最為明顯；隨著混凝土齡期的增加，收縮率呈增大的趨勢(shì)，其中收縮率在混凝土成型后1 d增長最快；在本試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，天然砂混凝土的收縮率總體上要小于混合砂混凝土的收縮率，略高于機(jī)制砂混凝土的收縮率，與混合砂HS1、混合砂HS2、混合砂HS3配制的混凝土相比，其56 d收縮率分別下降了18.4%、13.5%和21.4%，與機(jī)制砂JS4配制的混凝土相比，其56 d收縮率則增大了3.2%。

由表7和圖5可知，采用機(jī)制砂JS4配制混凝土，其抗水滲透性能、抗氯離子滲透性及收縮性能基本優(yōu)于天然砂混凝土，采用混合砂HS1、混合砂HS2、混合砂HS3配制的混凝土則劣于天然砂混凝土，其原因主要是：天然砂TS1和機(jī)制砂JS4為中砂，顆粒級(jí)配良好、粗細(xì)程度合適，且機(jī)制砂JS4因含有石粉，改善了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而提高了混凝土的抗水滲透性能和抗氯離子滲透性能，降低了其收縮率。機(jī)制砂JS1、機(jī)制砂JS2和機(jī)制砂JS3為粗砂，顆粒較粗且多為薄片狀，與天然特細(xì)砂混合可改善其級(jí)配，但可能還未達(dá)到理想級(jí)配，因而其抗水滲透性能、抗氯離子滲透性及收縮性能劣于天然砂混凝土。由此可知，采用機(jī)制砂配制混凝土?xí)r，應(yīng)先對(duì)機(jī)制砂性能進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于顆粒粗細(xì)程度合適、級(jí)配良好的機(jī)制砂，可代替天然砂配制混凝土；對(duì)于顆粒較粗、級(jí)配不理想的機(jī)制砂可部分取代天然砂配制混凝土。

3 結(jié)論

（1）對(duì)53家企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)制砂取樣檢測(cè)，結(jié)果表明，機(jī)制砂存在級(jí)配不理想現(xiàn)象，41.5%機(jī)制砂級(jí)配不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且細(xì)度模數(shù)和空隙率偏高，表觀密度、堆積密度、石粉含量基本滿足GB/T14684—2011《建設(shè)用砂》的要求。

（2）為滿足混凝土拌合物的流動(dòng)性能，在水膠比相同的條件下，機(jī)制砂及混合砂混凝土較天然砂混凝土需增加減水劑的摻量；在水膠比相同條件下，機(jī)制砂及混合砂混凝土的抗壓強(qiáng)度均高于天然砂混凝土。

（3）適量石粉可提高機(jī)制砂混凝土的抗水滲透、抗氯離子滲透和收縮性能；采用機(jī)制砂配制混凝土?xí)r，應(yīng)根據(jù)機(jī)制砂性能檢測(cè)結(jié)果選擇完全取代或部分取代天然砂，并通過試驗(yàn)優(yōu)化混合砂的比例。