石粉對(duì)機(jī)制砂砂漿干縮性能的影響

付二全，路竣杰，任中杰，王稷良

(1.內(nèi)蒙古高等級(jí)公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，呼和浩特 010020;2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

隨著河砂資源量減少，機(jī)制砂被越發(fā)廣泛地應(yīng)用到建筑領(lǐng)域。機(jī)制砂通常是由巖石通過(guò)機(jī)械破碎而制成，相較于河砂，機(jī)制砂外表為多棱角結(jié)構(gòu)，顆粒圓粒度極差。同時(shí)，在機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量石粉。國(guó)標(biāo)《建筑用砂》(GB 14684—2011)中規(guī)定機(jī)制砂中石粉含量應(yīng)不大于10%。機(jī)制砂中的石粉會(huì)改變砂漿或混凝土中漿體體積，從而影響砂漿或混凝土的體積穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)砂漿或混凝土的耐久性產(chǎn)生影響。范德科[1]等研究發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂混凝土14 d齡期以前收縮比河砂大，后期收縮兩者相差不大，機(jī)制砂收縮甚至更低。鄭怡[2]等研究表明機(jī)制砂配制的混凝土徐變及干縮均高于天然砂混凝土。李銀斌[3]等發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂混凝土抗裂性能不如天然砂混凝土并且隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高機(jī)制砂混凝土抗開(kāi)裂性能也隨之提高。Shanmugavadivu[4]等以機(jī)制砂取代天然砂作為細(xì)骨料配制混凝土，發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂中含有石粉填充了骨料之間的空隙使配制的混凝土更加密實(shí)，從而使混凝土的耐久性得到提高，但隨著機(jī)制砂的逐步取代，石粉含量的增多導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度逐漸降低及干縮的增大。王稷良[5]等研究了機(jī)制砂以及河砂對(duì)高強(qiáng)混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石粉含量﹤7%時(shí)機(jī)制砂混凝土的彈性模量接近天然河砂配制的混凝土，含石粉的機(jī)制砂混凝土的前期(≤7 d)的干縮比河砂混凝土大，后期與河砂混凝土干縮基本無(wú)差別，7%石粉含量的機(jī)制砂混凝土的徐變以及徐變系數(shù)與天然河砂混凝土最為接近。Joudi-Bahri[6]發(fā)現(xiàn)在不加入任何減水劑的情況下，在配制石灰石機(jī)制砂混凝土中加入100～130 kg/m3的石灰石粉能夠提高拌合物的密度以及力學(xué)性能，減少混凝土的泌水且對(duì)工作性以及收縮并不產(chǎn)生影響。Li[7]發(fā)現(xiàn)在石粉的摻量不超過(guò)20%時(shí)，混凝土動(dòng)態(tài)彈性模量最大降幅僅為2.9%，石粉的加入可以減少混凝土14 d前的干縮，當(dāng)摻量超過(guò)30%混凝土的長(zhǎng)期收縮增大。

綜上所述，石粉對(duì)機(jī)制砂砂漿或混凝土體積穩(wěn)定性的影響還存在一定不確定性，為了更好地探究石粉含量對(duì)不同配合比機(jī)制砂砂漿干縮性能的影響規(guī)律，將測(cè)試不同配合比砂漿的干縮率及失水率，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用PO42.5普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成及物理性能，分別見(jiàn)表1、表2。機(jī)制砂采用石灰?guī)r機(jī)制砂，其性能指標(biāo)見(jiàn)表3。石粉為石灰石粉。減水劑為高性能聚羧酸減水劑。水為純凈自來(lái)水。

表1 水泥化學(xué)組成

表2 水泥的物理性能

表3 機(jī)制砂的物理性能

1.2 方法

砂漿干縮性能，利用25 mm×25 mm×280 mm模具成型，試件成型后置于溫度為(20±3)℃，相對(duì)濕度為90%的養(yǎng)護(hù)室中，24 h后脫模。測(cè)量試件的初始長(zhǎng)度及質(zhì)量(l0、M0)，置于標(biāo)準(zhǔn)干燥條件下(溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為(60±5)%)分別養(yǎng)護(hù)1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d后測(cè)量試件的長(zhǎng)度及質(zhì)量(lt、Mt)。分別按式(1)計(jì)算水泥砂漿在t齡期的干縮率(Lt)

(1)

式中，Lt為試件的干燥收縮率；l0為試件的初始長(zhǎng)度；lt為不同養(yǎng)護(hù)齡期試件長(zhǎng)度。試件長(zhǎng)度通過(guò)比長(zhǎng)儀測(cè)定，精確度為0.001 mm。

試件的干燥失水率按式(2)計(jì)算。

(2)

式中，Si為試件干燥失水率；M0為試件的初始質(zhì)量；Mt為不同干燥齡期的試件質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 石粉對(duì)砂漿干縮性能的影響

為了探究石粉對(duì)砂漿干縮性能的影響，在不同水灰比(0.4、0.5、0.6)和不同砂灰比(1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1、3∶1)時(shí)，進(jìn)行了不同石粉含量(0、5%、10%、15%、20%)對(duì)上述性能影響的測(cè)試。

2.1.1 石粉對(duì)不同砂灰比砂漿干縮的影響

石粉對(duì)不同砂灰比砂漿干縮的影響，見(jiàn)圖1。砂漿水灰比為0.5，砂灰比的變化取1∶1、1.5∶1、2∶1、2.5∶1和3∶1。由圖1(a)可以看出，砂漿砂灰比為1∶1時(shí)，干縮隨石粉含量的增大而增大，當(dāng)石粉含量為5%、10%、15%、20%時(shí)，砂漿90 d干縮率分別為0.141%、0.143%、0.146%、0.148%，均大于空白樣的0.139%。由圖1(b)可以看出，砂漿砂灰比為1.5∶1時(shí)，干縮隨石粉含量增多逐步增大，在各個(gè)齡期均表現(xiàn)顯著。由圖1(c)可以發(fā)現(xiàn)，砂漿砂灰比為2∶1，90 d干縮率在石粉含量為5%、10%時(shí)，分別為0.097%和0.091%，低于不含石粉時(shí)的0.098%，但降幅不大；石粉含量繼續(xù)增大，干縮增大。由圖1(d)可見(jiàn)，砂漿砂灰比為2.5∶1，石粉含量為5%時(shí)，90 d干縮為0.084%略低于不含石粉時(shí)的0.086%，隨后干縮逐步增大。圖1(e)中，砂漿砂灰比為3∶1，石粉含量對(duì)90d干縮影響不大，但依然呈現(xiàn)隨石粉含量增多而增大的規(guī)律。

可以發(fā)現(xiàn)，砂漿干縮整體表現(xiàn)為隨石粉含量增多而增大。一方面，石粉含量的增多導(dǎo)致單位體積內(nèi)骨料量減少，漿體體積增多，漿骨比隨石粉含量增多而增大，進(jìn)而干縮增大；另一方面，石粉由于自身較大的比表面積，在含量較少時(shí)能夠優(yōu)化骨料的顆粒級(jí)配，但過(guò)多的石粉又吸附較多的游離水，導(dǎo)致需水量不足，拌合物中孔徑增大，干縮增大。

2.1.2 石粉對(duì)不同水灰比砂漿干縮的影響

由圖2(a)可以看出，砂漿在水灰比為0.4時(shí)，干縮率隨石粉含量增多呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。砂漿90 d干縮率在石粉含量為5%時(shí)為0.092%，低于石粉含量為0時(shí)的0.095%，石粉含量繼續(xù)增多，干縮率逐步增大且大于空白樣。由圖2(b)可以看出，砂漿在水灰比為0.5時(shí)，干縮率隨石粉含量增多也呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。砂漿90 d干縮率在石粉含量為5%、10%時(shí)，分別為0.097%、0.092%，較石粉含量為0時(shí)0.098%有所降低。石粉含量進(jìn)一步增多，干縮率增大且高于不含石粉時(shí)，90 d干縮率在石粉含量為10%時(shí)最小。由圖2(c)中可以看出，砂漿在水灰比為0.6時(shí)，干縮率隨石粉含量增加同樣呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)。砂漿在石粉含量為5%、10%、15%時(shí)，90 d干縮率分別為0.130%、0.126%、0.129%，而石粉含量為0時(shí)為0.131%，石粉的引入使砂漿干縮率減小，石粉含量繼續(xù)增多，干縮率增大。

綜上，可以看出砂漿干縮整體隨石粉含量增多呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，這是由于石粉顆粒能有效優(yōu)化砂漿中細(xì)骨料的顆粒級(jí)配，適量的石粉能夠提高砂漿拌合物的堆積密實(shí)度，填充砂漿空隙充分發(fā)揮“填充效應(yīng)”，從而細(xì)化砂漿的孔徑尺寸，抑制收縮；可以看出在水灰比為0.4、0.5、0.6時(shí)，干縮率最低時(shí)石粉含量分別為5%、10%、10%，這也說(shuō)明石粉對(duì)于砂漿收縮存在一個(gè)最佳含量。

2.2 配合比對(duì)砂漿干縮性能的影響

水灰比對(duì)砂漿干縮的影響如圖3所示。砂漿中石粉含量為5%，砂灰比為2∶1。可以看出，砂漿干縮整體隨水灰比增大而增大，且砂漿早期(≤14 d)干縮增幅較快，后期(>14 d)干縮繼續(xù)增大，但趨于平緩。水灰比為0.6時(shí)，砂漿在3 d時(shí)砂漿干縮率與其他兩組相差不大，7 d以后隨著齡期增長(zhǎng)干縮明顯較0.4、0.5水灰比時(shí)要增長(zhǎng)迅速。90 d時(shí)，砂漿水灰比為0.4，干縮率為0.092%；砂漿水灰比為0.5，干縮率為0.096%；砂漿水灰比為0.6，干縮率為0.130%。

不同水灰比砂漿失水率，如圖4所示。砂漿砂灰比為2∶1，石粉含量為5%。能夠看出，當(dāng)砂灰比一定時(shí)，砂漿失水率隨水灰比增大而增大，在高水灰比時(shí)這一現(xiàn)象表現(xiàn)得更為明顯。原因是，在固定砂灰比時(shí)，水灰比增大導(dǎo)致單位體積用水量增多，水粉比增大，使得砂漿毛細(xì)孔含量增多，導(dǎo)致孔內(nèi)水分增多從而使失水率進(jìn)一步增大。

砂漿干縮隨水灰比增大而增大的原因，主要為兩個(gè)方面：一方面隨著水灰比增大，單位體積水泥水化用水量增加，從而造成水化物填充程度降低，砂漿中毛細(xì)孔含量增多且孔間連通性增強(qiáng)。而砂漿干縮主要由于毛細(xì)孔中水分蒸發(fā)引起的毛細(xì)孔應(yīng)力從而引起的干燥，所以水灰比增大促使毛細(xì)孔間連通性增加從而引起砂漿干縮增大。另一方面，單位用水量的增多使得單位體積內(nèi)漿體量增多，同時(shí)單位體積內(nèi)起支撐作用的骨料量相對(duì)減少?gòu)亩鴮?dǎo)致砂漿干縮增大。

圖5中所示為砂灰比對(duì)砂漿干縮性能的影響。可見(jiàn)，隨著砂灰比增大，砂漿干縮越來(lái)越小；同時(shí)，在高砂灰比時(shí)，砂漿干縮隨齡期呈現(xiàn)漸變的過(guò)程，早期同齡期砂漿干縮遠(yuǎn)小于低砂灰比時(shí)，后隨齡期逐漸增大；而低砂灰比砂漿，在1～14 d期間干縮增幅最大。原因是低砂灰比時(shí)漿體體積大，導(dǎo)致早期干縮幅度較大且趨于穩(wěn)定；高砂灰比時(shí)骨料體積增大，漿體體積減少，干縮率在早期減弱，隨齡期變化而變化。

3 結(jié) 論

為研究石粉含量對(duì)不同配合比砂漿體積穩(wěn)定性的影響規(guī)律，以不同水灰比和不同砂灰比砂漿為研究基礎(chǔ)，分析了不同石粉含量對(duì)砂漿干縮率、失水率等的影響，得到以下結(jié)論：

a.不同砂灰比砂漿的干縮，隨石粉含量增多逐步增大。不同水灰比砂漿的干縮，隨石粉含量增多呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。

b.砂漿在水灰比為0.4、0.5、0.6，干縮達(dá)到最小時(shí)石粉含量分別為5%、10%、10%。

c.在石粉含量一定時(shí)，砂漿干縮隨水灰比增大而增大，隨砂灰比增大而減小。

d.砂漿受水灰比影響時(shí)，在14 d之前齡期干縮較大，后期收縮放緩；砂漿受砂灰比影響時(shí)，干縮隨齡期處于漸變過(guò)程。