卵石、石灰?guī)r機制砂對水泥膠砂流動度和強度影響

鄭孫博, 陳嘉健*,夏 勇, 周 敏, 楊騰宇, 舒本安

(1.佛山科學技術學院 交通與土木建筑學院,廣東 佛山 528000；2.佛山市交通科技有限公司,廣東 佛山 528000)

0 引 言

隨著我國大規(guī)模進行基礎設施建設，天然砂在很多地區(qū)已近枯竭，又因常年的亂采亂挖，造成了嚴重的自然生態(tài)破壞，與十九大報告提出的“建設美麗中國讓青山綠水變成金山銀山”相違背。在這種大背景下，中國正快速進入使用機制砂代替天然砂進行工程建設的新時期[1-2]。機制砂系巖石經(jīng)專門機械破碎篩分制成，因而有著自身的特性。與天然砂相比，機制砂具有表面粗糙多孔、有尖銳的棱角、粘結(jié)性能良好等特點[3-5]。機制砂的母巖品種、堅固性、吸水性、顆粒形狀、級配以及石粉摻量等對砂漿和混凝土性能產(chǎn)生很大影響。卵石和石灰?guī)r的質(zhì)量較好且分布廣泛，常用于制備機制砂，該機制砂已經(jīng)獲得眾多學者的持續(xù)研究。李鳳蘭等研究表明卵石機制砂的石粉摻量控制在13%以內(nèi)時可滿足混凝土拌合物的工作性能和現(xiàn)行規(guī)范對混凝土基本力學性能的要求[6]；W.G.Shen教授在研究中表明機制砂中的石粉可以提高水泥漿體包裹骨料的能力，減小孔隙，使混凝土結(jié)構(gòu)致密化[7]；湯晴教授的研究表明，隨混凝土強度等級提高，凝灰?guī)r機制砂混凝土抗壓強度明顯低于石灰?guī)r機制砂抗壓強度[8]；W.G.Shen教授在研究中表明機制砂顆粒形狀和表面紋理對機制砂混凝土性能的影響小于石粉、粘土塊含量和顆粒級配對其性能的影響[9]。

此前的研究表明，石粉摻量對機制砂性能起著十分關鍵的作用[10-13]。D.M.Malhotra研究表明機制砂石粉摻量為7%時混凝土抗壓強度優(yōu)于河砂[14]；V.L.Bonavetti研究表明在機制砂中加入10%～15%的石粉不會對混凝土的物理力學性能產(chǎn)生有害影響[15]。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗原材料

1)水泥：中國廣州石井水泥公司石井牌P.O42.5R級普通硅酸鹽水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，主要性能指標見表1。

表1 試用水泥主要性能指標Table 1 Main performance index of cement in trial

2)細骨料：佛山本地石灰?guī)r機制砂和卵石機制砂。

3)外加劑：廣東瑞安LS-JS聚羧酸高效減水劑，符合現(xiàn)行國家標準GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術規(guī)范(附條文說明)》。

4)水：自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 機制砂基本材料性能

分別按JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》[16]和GB/T 14684—2011《建筑用砂》[17]測試試驗機制砂的基本材料性能，主要包括石粉摻量、亞甲藍值(MB值)、針片狀含量、級配、空隙率及壓碎值。

1.2.2 相同石粉摻量下機制砂巖性對膠砂性能的影響

不同巖性的機制砂在表觀密度、堆積密度、細度模數(shù)、石粉摻量等物性差異較大[18]，而機制砂中石粉摻量對膠砂性能的影響最為顯著。因此試驗以兩種機制砂中最低石粉摻量值為基準，通過75 μm篩對另外一種機制砂進行篩分處理使其達到相同的石粉摻量值，對比研究機制砂石粉摻量相同的情況下，機制砂巖性對膠砂抗壓強度、抗折強度的影響。

1.2.3 不同石粉摻量對機制砂膠砂性能的影響

通過水洗及內(nèi)摻石粉的方式，將2種機制砂分別配制成石粉摻量為0%、5%、10%、15%、20%的幾種類型，研究石粉摻量對流動度(初期、0.5 h)和抗壓強度(3 d、28 d)、抗折強度(3 d、28 d)的影響。機制砂砂漿的流動度參考標準《水泥膠砂流動度測定方法》GB/T 2419—2005[19]測定，依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》[20]測試膠砂強度。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 機制砂基本材料性能

表2為試驗測得的兩種機制砂的基材材料性能。機制砂系由巖石經(jīng)破碎而獲得，與天然砂相比最大的特點就是含有大量粒徑小于75 μm的細粉顆粒(稱為石粉)。卵石的形狀多為圓形，表面光滑，質(zhì)地較硬，其主要成分為二氧化硅；而石灰?guī)r的主要成分為碳酸鹽巖，結(jié)構(gòu)較為復雜，與卵石相比較其質(zhì)地偏軟，在機器破碎過程中更易產(chǎn)生細粉。試驗測得卵石機制砂的壓碎值為8.0%，石粉摻量為4.7%，而石灰?guī)r機制砂的壓碎值為25%，石粉摻量為8.4%，符合兩種骨料的巖性結(jié)構(gòu)和形成特性。

表2 兩種機制砂的基本材料性能Table 2 Basic material properties of the two manufactured sand

MB值，表示機制砂中含泥量大小，亞甲藍試驗是確定細集料、細粉、礦粉中是否存在膨脹性粘土礦物并確定其含量的整體指標。泥粉大多為松散多孔的層狀結(jié)構(gòu)，顆粒較細且比表面積大，泥粉含量的增加測試體現(xiàn)為MB值的增大，將會大大減低砂漿的流動度，同時降低砂漿的抗折和抗壓強度[21]。試驗測得卵石機制砂的MB為1.00，石灰?guī)r機制砂的MB值為2.75，表明在含泥量指標上，卵石機制砂的品質(zhì)優(yōu)于石灰?guī)r機制砂。

圖1為兩種機制砂的級配圖。機制砂的諸多主要性能參數(shù)中，控制機制砂質(zhì)量的關鍵指標為顆粒級配，良好的級配對機制砂膠砂性能有著重要影響。當砂中粒徑較大的細骨料偏多時，砂漿會出現(xiàn)輕微的泌水和離析現(xiàn)象；當砂漿中粒徑較小的骨料占多數(shù)時，將會降低砂漿的流動性。試驗測得兩種機制砂的級配均在GB/T14684—2011《建筑用砂》[17]二區(qū)砂的顆粒級配范圍內(nèi)，二區(qū)砂的級配范圍對應圖1中的上限和下限。由于卵石機制砂的空隙率為36%略低于石灰?guī)r機制砂空隙率為39%，因而卵石機制砂的顆?；ハ嗵畛涞拿軐嵍葍?yōu)于石灰?guī)r機制砂，使得卵石機制砂級配較優(yōu)。從目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀來看，使用破碎的機器不同，機制砂常存在級配不良或超出級配范圍的情況，從有關機制砂級配如何合理控制是工程中重點關注的問題之一。

圖1 機制砂級配圖Fig.1 Grading diagram of manufactured sand

2.2 相同石粉摻量下機制砂巖性對膠砂性能的影響

最低石粉摻量為卵石機制砂的4.7%，對石灰?guī)r機制砂進行篩分處理使其達到相同的石粉摻量值，兩種機制砂膠砂強度試驗，結(jié)果如圖2、圖3。從強度結(jié)果分析，卵石機制砂砂漿的抗折強度與抗壓強度幾乎都略高于石灰?guī)r機制砂，但二者相差不大，且隨著齡期的增加增幅逐漸減小。說明不同巖性的機制砂對膠砂強度有一定的影響，由于卵石機制砂質(zhì)地較硬，且級配良好，使得砂漿結(jié)構(gòu)的骨架較完整，膠砂性能優(yōu)于石灰?guī)r機制砂。此外，試驗的石灰?guī)r機制砂石粉摻量為4.7%，相較于其原本8.4%的石粉摻量減少了44%，由于石灰?guī)r機制砂粒徑在0.3 mm以下的顆粒偏少，加之其石粉摻量的減少，不足以填充細骨料間的間隙，造成砂漿內(nèi)部孔隙較多，導致其強度低于卵石機制砂。

圖2 砂漿抗折強度Fig.2 Bending strength of mortar

圖3 砂漿抗壓強度Fig.3 Compressive strength of morta

2.3 不同石粉摻量對不同巖性機制砂膠砂性能的影響

機制砂流動度隨石粉摻量的變化情況試驗結(jié)果見圖4，從圖中可以看出隨著石粉摻量的增加，兩種機制砂的流動度都呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，這是因為砂漿中摻入石粉時，增加了砂漿中泥漿體積，有利于減少機制砂顆粒間的摩擦力，提高了砂漿的流動度；但是，當石粉摻量較高時，由于石粉顆粒表面積較大，顆粒表面覆蓋的水量較少，導致砂漿的流動度下降。

同時，圖4中結(jié)果也顯示了卵石機制砂的初期和0.5 h時的流動度均大于石灰?guī)r機制砂。這是因為卵石機制砂顆粒形狀偏圓形，有助于砂漿試樣的流動，而石灰?guī)r機制砂顆粒多棱角，不利于砂漿試樣的流動。因此，卵石機制砂砂漿試樣的流動度大于石灰石機制砂砂漿的流動度。

圖4 卵石機制砂流動度Fig.4 Flow of pebble manufactured sand

機制砂砂漿試塊的抗折強度與抗壓強度隨石粉摻量的變化情況如圖5～圖8所示。試驗表明，在3 d齡期與28 d齡期時兩種機制砂的抗折強度與抗壓強度都隨著石粉摻量的增加都出現(xiàn)了先增大后減小的情況，且均在石粉摻量為5%時抗折強度達到峰值，均在石粉摻量為10%附近時抗壓強度達到峰值。此外，卵石機制砂在3 d和28 d齡期時的抗壓強度都比石灰?guī)r機制砂的強度高，這與上文在相同石粉摻量下測試兩種機制砂的抗壓強度結(jié)果相同，而且卵石機制砂的級配優(yōu)于石灰?guī)r機制砂，故它表現(xiàn)出較優(yōu)的膠砂性能。從圖6可以看出，在28 d齡期時，石灰?guī)r機制砂的抗折強度略高于卵石機制砂，此規(guī)律和抗壓強度并不一致。該較高的28 d齡期抗折強度可能由于石灰?guī)r機制砂針片狀含量較低、表面較粗糙，從而在較長齡期抗折測試時產(chǎn)生較高的咬合力。

圖5 3 d抗折強度Fig.5 3 d bending strength

圖6 28 d抗折強度Fig.6 28 d bending strength

圖7 3 d抗壓強度Fig.7 3 d compressive strength

圖8 28 d抗壓強度Fig.8 28 d compressive strength

造成上述機制砂膠砂強度先增大后減小的機理如下：砂漿中大部分水泥參與水化發(fā)生反應產(chǎn)生具有粘性性能的水化硅酸鈣(C—S—H)凝膠，而此時只有小部分水泥顆粒被用來填充細骨料之間的空隙。隨著石粉的摻入，細骨料間孔隙主要由石粉進行填充，使得砂漿結(jié)構(gòu)的孔隙被細化，提高了砂漿內(nèi)部孔隙的密實度，同時更多的水泥可以參與到水化反應中，從而提高了膠砂強度。但隨著石粉摻量的逐漸增加，將會導致砂漿的級配變得不合理，小粒徑顆粒增加，大粒徑顆粒減少，使得機制砂的骨架結(jié)構(gòu)劣化，從而造成膠砂強度降低。

3 結(jié) 論

1)不同巖性機制砂的基本材料性能表現(xiàn)出不同的特性，因其母巖本身結(jié)構(gòu)成份不同，造成機制砂的石粉摻量、MB值、針片狀含量、級配、空隙率及壓碎值均不同。其中，不同巖性的機制砂的級配相差較大，卵石機制砂的級配優(yōu)于石灰?guī)r機制砂。

2)在石粉摻量相同的情況下，卵石機制砂砂漿的抗折強度與抗壓強度均高于石灰?guī)r機制砂砂漿，但二者相差不大，且隨著齡期的增加增幅逐漸減??；不同巖性的機制砂對膠砂強度有一定的影響，由于卵石機制砂質(zhì)地較硬，且級配良好，使得砂漿結(jié)構(gòu)的骨架較完整。

3)隨著石粉摻量的增加，兩種機制砂的流動度都呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，且卵石機制砂的初期和0.5 h時的流動度均大于石灰?guī)r機制砂。

4)卵石、石灰?guī)r機制砂的抗折強度與抗壓強度在3 d齡期與28 d齡期時都隨著石粉摻量的增加出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象，且均在石粉摻量為5%時抗折強度達到峰值，均在石粉摻量為10%附近時抗壓強度達到峰值。適當?shù)氖蹞搅坑幸嬗跈C制砂膠砂性能的提高，過量的石粉則會降低膠砂性能，不同巖性的機制砂均表現(xiàn)出此特性，其中石粉摻量在5%～10%時為最佳。

致 謝

本研究項目由建筑科學研究院和佛山市交通科技有限公司組織完成。鳴謝建筑科學研究院和佛山市交通科技有限公司對本項目的指導和支持。