濕法棒磨機(jī)制砂的特性及其在混凝土中的應(yīng)用

陳晉棟，祝雯，黃奕斌

（1.廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)中心有限公司，廣東廣州 510440；2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，作為不可再生資源的天然砂開(kāi)采受到限制，天然砂供應(yīng)量日趨減少。機(jī)制砂性能良好，在英國(guó)、挪威、瑞典等歐洲沿海國(guó)家以及我國(guó)西南等天然砂資源短缺區(qū)域，其應(yīng)用已經(jīng)非常成熟[1-2]，采用其生產(chǎn)的混凝土性能可滿足設(shè)計(jì)和施工要求。機(jī)制砂可有效緩解天然砂資源短缺的問(wèn)題。

我國(guó)西南地區(qū)所使用機(jī)制砂大多為干法生產(chǎn)，其最顯著的特點(diǎn)是石粉含量高。而有研究表明[3-7]，中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中，較高的石粉含量能夠彌補(bǔ)膠凝材料用量偏低引發(fā)的離析泌水問(wèn)題，可有效保證混凝土的工作性能。與西南地區(qū)不同，我國(guó)沿海地區(qū)的機(jī)制砂大多采用濕法棒磨工藝生產(chǎn)，其石粉含量通過(guò)水洗法進(jìn)行控制[7]，多數(shù)石粉隨著水流散逸，含量較干法機(jī)制砂低。而石粉含量是影響機(jī)制砂混凝土性能的關(guān)鍵指標(biāo)[1，5-6，8-9]，致使?jié)穹C(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用與干法機(jī)制砂存在差異，故有必要對(duì)濕法棒磨機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行研究。此外，沿海地區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)多處于氯離子侵蝕環(huán)境中，對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能要求較高，故而研究濕法機(jī)制砂的抗氯離子滲透性能，可為濕法機(jī)制砂在沿海區(qū)域的推廣應(yīng)用提供參考。基于此，本研究對(duì)天然砂、干法機(jī)制砂以及濕法機(jī)制砂的特性進(jìn)行對(duì)比分析，并在此基礎(chǔ)上，研究不同砂對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能以及抗氯離子滲透性能的影響，進(jìn)而提出濕法棒磨機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用原則。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：華潤(rùn)P·Ⅱ42.5R水泥，主要技術(shù)性能見(jiàn)表1。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

粗骨料：5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，主要技術(shù)性能見(jiàn)表2。

表2 粗骨料的主要技術(shù)性能

細(xì)骨料：清遠(yuǎn)產(chǎn)天然砂、清遠(yuǎn)某廠采用濕法棒磨工藝生產(chǎn)的砂巖機(jī)制砂（以下簡(jiǎn)稱濕法砂）以及廣西某廠生產(chǎn)的干法卵石機(jī)制砂（以下簡(jiǎn)稱干法砂），3種砂的細(xì)度模數(shù)分半為2.6、2.9、2.7。

粉煤灰：寧德電廠F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度（45 μm篩篩余）為18.1%，需水量比102%。

減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率26%。

水：自來(lái)水。

1.2 混凝土配合比

以C35強(qiáng)度等級(jí)混凝土為例，對(duì)比天然砂混凝土、濕法砂混凝土以及干法砂混凝土的性能。依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，固定水泥和粉煤灰用量，設(shè)定表觀密度為2345 kg/m3，通過(guò)調(diào)整砂率、水膠比和減水劑摻量使混凝土拌合物坍落度控制在（160±20）mm。表3為天然砂、濕法砂以及干法砂混凝土的配合比。

表3 試驗(yàn)混凝土的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

細(xì)骨料特性試驗(yàn)參照J(rèn)GJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，其中細(xì)骨料的顆粒形貌采用HiroxMXB-5040RZ數(shù)字顯微鏡進(jìn)行拍攝?；炷量箟簭?qiáng)度參照GB/T 50081—2019《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm?；炷涟韬衔镄阅軈⒄誈B/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試?；炷岭娡亢吐入x子擴(kuò)散系數(shù)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，試件采用φ100 mm×100 mm模具制備，脫模后浸沒(méi)于溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室的水池內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，到56 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)取出，切取中間50 mm作為電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂的特性

對(duì)天然砂、濕法砂及干法砂的級(jí)配、顆粒形貌、堆積空隙率、石粉含量/含泥量、MB值進(jìn)行測(cè)試，分析三者間的差異。

2.1.1 砂的級(jí)配

3種砂的級(jí)配曲線見(jiàn)圖1，顆粒分布見(jiàn)圖2。

圖1 3種砂的級(jí)配曲線

圖2 3種砂的顆粒分布

由圖1可見(jiàn)，濕法砂的級(jí)配良好，為混凝土常用的Ⅱ區(qū)砂；而干法砂由于0.3 mm累計(jì)篩余相對(duì)較少，不在JGJ 52—2006規(guī)定的級(jí)配范圍內(nèi)。

由圖2可見(jiàn)，天然砂在0.3～0.6 mm之間顆粒占比最高，其顆粒分布呈現(xiàn)為“中間高，兩邊低”；機(jī)制砂的顆粒分布總體符合以下規(guī)律：4.75 mm篩上顆粒占比較低，4.75 mm之下各級(jí)的篩余占比隨著篩孔尺寸減小而降低。以天然砂的顆粒分布作為參照，機(jī)制砂2.36 mm、1.18 mm篩余以及底盤占比遠(yuǎn)高于天然砂，0.60 mm、0.30 mm的篩余則遠(yuǎn)少于天然砂，機(jī)制砂的顆粒分布如文獻(xiàn)[1，7]所言為“兩邊高、中間低”。同時(shí)由圖2可知，雖然濕法砂和干法砂的制備工藝不同，但兩者的顆粒分布形態(tài)相近。

2.1.2 砂的顆粒形貌

粒徑為1.18～2.36 mm的天然砂、濕法砂及干法砂的顆粒形貌如圖3所示。

圖3 3種砂的顆粒形貌

由圖3計(jì)算可得，天然砂、濕法砂和干法砂的長(zhǎng)寬比分別為1.17、1.89和1.34，3種砂接近球形的排序?yàn)樘烊簧埃靖煞ㄉ埃緷穹ㄉ?。天然砂表面光滑、有光澤，機(jī)制砂表面則比較粗糙，棱角顯著。對(duì)比2種機(jī)制砂，濕法砂的棱角性明顯高于干法砂。3種砂的顆粒形貌存在上述差異是由其形成途徑不同所致，天然砂在水流長(zhǎng)時(shí)間的沖刷、滾動(dòng)作用下，粒形逐漸趨于球形，砂粒表面也在水流長(zhǎng)時(shí)間的作用下趨于光滑；濕法砂是天然石在棒磨機(jī)內(nèi)經(jīng)鋼棒沖擊制成，砂粒間研磨較少，導(dǎo)致其棱角顯著而表面粗糙；干法砂是天然石在立式?jīng)_擊破碎機(jī)的沖擊作用下形成，導(dǎo)致其棱角也較明顯，但其引入了整形設(shè)備，故而其粒形較濕法砂優(yōu)良。

2.1.3 砂的堆積空隙率

表4為3種砂的松散堆積空隙率和緊密堆積空隙率。

表4 3種砂的堆積空隙率

由表4可知，松散堆積空隙率順序?yàn)椋簼穹ㄉ埃咎烊簧埃靖煞ㄉ?，緊密堆積空隙率順序?yàn)椋禾烊簧埃緷穹ㄉ埃靖煞ㄉ啊８鶕?jù)3種砂的顆粒分布和形貌測(cè)試結(jié)果來(lái)看，無(wú)論是松散堆積空隙率還是緊密堆積空隙率，主觀上感覺(jué)天然砂的空隙率可能最小，但實(shí)測(cè)結(jié)果為干法砂的空隙率最小，且濕法砂、干法砂的緊密堆積空隙率均遠(yuǎn)小于天然砂。

石粉在砂的堆積過(guò)程中能夠起到潤(rùn)滑和填充作用[10]，在砂的松散堆積過(guò)程中，由于砂粒受到的壓實(shí)功較小，石粉僅起到部分潤(rùn)滑作用，而干法砂的石粉含量高，其潤(rùn)滑效應(yīng)超過(guò)了因顆粒分布和形貌形成橋接架空現(xiàn)象的效應(yīng)，故而其松散堆積空隙率小于天然砂。在緊密堆積過(guò)程中，壓實(shí)功較大，石粉能夠更多地填充在砂粒之間形成的空隙中，且石粉在堆積過(guò)程中起到了潤(rùn)滑作用，大幅度降低了棱角性顯著的機(jī)制砂顆粒之間的摩阻力，砂粒間更易堆積緊密。此外，棱角性顯著的機(jī)制砂顆粒能夠產(chǎn)生剪切作用，破壞細(xì)顆粒之間形成的團(tuán)聚效應(yīng)，使砂中細(xì)顆粒能夠均勻分散于大顆粒間形成的空隙內(nèi)，進(jìn)一步促使其緊密堆積空隙率降低。

2.1.4 砂的石粉含量和MB值

表5為3種砂的石粉含量和MB值。

表5 3種砂的石粉含量和MB值

由表5可知，干法砂的石粉含量最高，而濕法砂的石粉含量則相對(duì)較低。干法砂通過(guò)收塵系統(tǒng)控制其石粉含量，收塵過(guò)程中石粉的散失較少，而濕法砂通過(guò)螺旋式洗砂機(jī)控制其石粉含量，在洗砂過(guò)程中，多數(shù)石粉隨著水流散失，使其石粉含量較低。2種機(jī)制砂的MB值均遠(yuǎn)小于JGJ 52—2006或GB/T 14684—2011規(guī)定的限值1.4，說(shuō)明2種機(jī)制砂中膨脹性黏土礦物含量低，對(duì)其在混凝土中的應(yīng)用有利。一般干法機(jī)制砂由于料源中引入的黏土性礦物較多，導(dǎo)致其存在MB值超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，本研究使用的干法機(jī)制砂料源非傳統(tǒng)的礦山碎石，而是鵝卵石，料源比較潔凈，故其MB值相對(duì)較低。

2.2 混凝土性能

2.2.1 混凝土的工作性能（見(jiàn)表6）

表6 砂類型對(duì)混凝土工作性能的影響

由表6可知，對(duì)于表觀密度，雖然配合比設(shè)計(jì)時(shí)混凝土的理論表觀密度均設(shè)定為2345 kg/m3，但2種機(jī)制砂混凝土的實(shí)測(cè)表觀密度均大于天然砂混凝土。主要原因是在相同的插搗作用下，機(jī)制砂的緊密堆積空隙率小于天然砂，試模內(nèi)可加入的機(jī)制砂混凝土拌合物質(zhì)量更大。同時(shí)表明，機(jī)制砂的配合比設(shè)計(jì)更適宜采用絕對(duì)體積法進(jìn)行，若采用假定容重法設(shè)計(jì)機(jī)制砂配合比，則機(jī)制砂混凝土的假定表觀密度應(yīng)在相應(yīng)的天然砂混凝土基礎(chǔ)上提高20～40 kg/m3。

在拌合物坍落度均控制在（160±20）mm條件下，與天然砂混凝土相比，機(jī)制砂混凝土的水膠比需增加0.03，減水劑摻量需增加0.1%～0.2%。同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雖然機(jī)制砂混凝土的坍落度相差不大，但混凝土拌合物的粘聚性差異較大。圖4為采用不同砂拌制的混凝土拌合物的狀態(tài)。

圖4 混凝土拌合物狀態(tài)

由圖4可以看出，相同坍落度條件下，天然砂混凝土和干法砂混凝土的粘聚性好，膠凝材料能夠較好地包裹骨料；濕法砂混凝土的保水性較差，膠凝材料和骨料出現(xiàn)了分離。原因是濕法砂的堆積空隙率較大，且因表面粗糙致使砂粒比表面積增大，包裹砂粒表面和填充砂粒間空隙所需漿體量大，但濕法砂的石粉含量相對(duì)較低，導(dǎo)致濕法砂混凝土的實(shí)際漿體量無(wú)法同時(shí)滿足填充和包裹的作用，致使?jié)穹ò韬衔锏哪Σ磷枇υ龃?，為了滿足設(shè)計(jì)坍落度要求，降低顆粒之間的摩擦力，又需增加用水量和減水劑摻量，而漿體量不足以吸附如此多的水分，導(dǎo)致多余的水分釋出，使其保水性變差。

同時(shí)由表6可知，混凝土的1 h坍落度損失均小于30 mm，可滿足混凝土的運(yùn)輸要求。但與天然砂混凝土和干法砂混凝土的坍落度、擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)變化不同，濕法砂混凝土的1 h坍落度和擴(kuò)展度反而變大。原因是濕法砂混凝土的實(shí)際漿體含量相對(duì)較少，而濕法砂的棱角性最為顯著，攪拌過(guò)程中產(chǎn)生的阻力大，120 s的攪拌時(shí)間內(nèi)各種物料的混合并不充分，導(dǎo)致減水劑的減水效果未能及時(shí)發(fā)揮出來(lái)。這也表明，機(jī)制砂混凝土的攪拌時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)，以保證其工作性。

2.2.2 混凝土的力學(xué)性能（見(jiàn)表7）

表7 砂類型對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表7可知，采用天然砂、濕法砂及干法砂所制備混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度相差不大，但是2種機(jī)制砂混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度較天然砂混凝土提高8%～10%。

一般而言，混凝土所用水泥相同的情形下，水膠比是決定混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。在本研究中，機(jī)制砂混凝土的設(shè)計(jì)水膠比較天然砂混凝土大0.03，但由于機(jī)制砂表面較為粗糙、含有裂縫，且其內(nèi)含有比表面積較大的石粉，致使其吸水率大于天然砂，機(jī)制砂混凝土的實(shí)際水膠比僅稍高于天然砂混凝土，機(jī)制砂混凝土中漿體強(qiáng)度稍低于天然砂混凝土，但機(jī)制砂棱角性顯著，砂顆粒之間形成嵌鎖效應(yīng)[10-11]，有利于混凝土的強(qiáng)度，有效消除了機(jī)制砂混凝土中漿體強(qiáng)度稍低的影響，使機(jī)制砂混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度與天然砂混凝土相當(dāng)。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，機(jī)制砂吸附的水分緩慢釋放出來(lái)，能夠促進(jìn)機(jī)制砂表面尚未水化的水泥顆粒進(jìn)一步水化[12]，起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，使界面過(guò)渡區(qū)更加致密，骨料與漿體之間的結(jié)合更加緊密[2，8，10]，故而機(jī)制砂混凝土的中后期強(qiáng)度較天然砂混凝土高。

2.2.3 混凝土的抗氯離子滲透性能（見(jiàn)表8）

表8 砂類型對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

由表8可知，與天然砂混凝土相比，干法砂混凝土的56 d電通量與天然砂混凝土相差不大，濕法砂混凝土的56 d電通量較天然砂混凝土增大59%；3種混凝土中，干法砂混凝土的56 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小，濕法砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)最大。對(duì)于濕法砂混凝土，因其實(shí)際漿體量不足，拌合物保水性不佳，存在離析泌水的現(xiàn)象，導(dǎo)致硬化混凝土中形成的連通孔隙較多，進(jìn)而使得濕法砂混凝土的抗氯離子滲透性能不佳。對(duì)于干法砂混凝土，其拌合物工作性良好，成型試塊致密，水分蒸發(fā)量小，產(chǎn)生的連通孔隙率低，且機(jī)制砂與漿體間的界面過(guò)渡區(qū)致密，綜合作用使得干法砂混凝土的抗氯離子滲透性能最好。

2.3 濕法砂混凝土配合比調(diào)整

濕法砂混凝土的力學(xué)性能雖能滿足配制強(qiáng)度要求，但是其工作性和抗氯離子耐久性都相對(duì)較差，之所以出現(xiàn)上述情況，是因?yàn)橛盟枯^高和粉體量相對(duì)較少。故而在原配合比基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加膠凝材料用量、降低用水量、提高減水劑摻量。調(diào)整前后的配合比如表9所示，性能測(cè)試結(jié)果如表10所示。

表9 濕法砂混凝土調(diào)整前后的配合比

表10 配合比調(diào)整前后濕法砂混凝土的性能

由表10可以看出，配合比經(jīng)調(diào)整后，濕法砂混凝土的工作性得到明顯改善，56 d電通量較調(diào)整前減小39%，氯離子擴(kuò)散系數(shù)較調(diào)整前減小28%，抗氯離子滲透性能顯著提供，其性能與天然砂混凝土相當(dāng)。也進(jìn)一步驗(yàn)證了前述對(duì)濕法砂混凝土工作性和抗氯離子滲透性不佳的原因分析。同時(shí)說(shuō)明，濕法砂應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)時(shí)，不宜一味通過(guò)增加用水量來(lái)改善混凝土的流動(dòng)性，而應(yīng)在用水量不顯著增加的條件下，根據(jù)砂的石粉含量通過(guò)適當(dāng)增加膠凝材料用量和減水劑摻量的方式來(lái)改善濕法砂混凝土的性能，尤其是抗氯離子滲透性能。

3 結(jié)論

（1）雖然濕法機(jī)制砂和干法機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝不同，但其顆粒分布形態(tài)相較于天然砂均呈現(xiàn)為為“兩邊高、中間低”；顆粒形貌方面，濕法砂的顆粒形貌較干法砂差，且其棱角性更為顯著；濕法砂的石粉含量較干法砂低，其MB值更易得到保障；由于濕法砂的石粉含量相對(duì)較低且顆粒形貌較差，導(dǎo)致其松散堆積空隙率和緊密堆積空隙率均大于干法砂。

（2）采用假定容重法設(shè)計(jì)的機(jī)制砂混凝土實(shí)測(cè)表觀密度大于天然砂混凝土，機(jī)制砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)更宜采用絕對(duì)體積法。

（3）在配合比和坍落度相近時(shí)，濕法棒磨砂混凝土的力學(xué)性能與干法砂混凝土相近，但其工作性和抗氯離子滲透性能均較干法砂混凝土差。

（4）在濕法棒磨機(jī)制砂的應(yīng)用中，不宜一味通過(guò)增加用水量改善混凝土的流動(dòng)性，應(yīng)在用水量不顯著增加的條件下，根據(jù)機(jī)制砂的石粉含量適當(dāng)增加膠凝材料用量和減水劑摻量的方式來(lái)改善混凝土的性能。