機(jī)制砂及其膠砂性能試驗(yàn)研究

孫保金，張建業(yè)，顧淑英,王子儒

（1、蘇州市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限公司 蘇州 215004；2、廣東紅墻新材料股份有限公司 廣東惠州 516127）

機(jī)制砂已成為解決天然砂短缺的重要途徑之一。2019年11月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委等十部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)機(jī)制砂石行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干意見》，提出機(jī)制砂石行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)，文件提出到2025年，形成較為完善合理的機(jī)制砂石供應(yīng)保障體系，產(chǎn)品質(zhì)量符合《建設(shè)用砂：GB/T 14684—2011》［1］等有關(guān)要求。隨著機(jī)制砂生產(chǎn)工藝劑標(biāo)準(zhǔn)的日益完善，采用機(jī)制砂制備出性能優(yōu)異的混凝土，且用于實(shí)際工程的案例也越來越多［2］。然而機(jī)制砂在粒形、級配及石粉含量等方面與天然砂存在差異，使得機(jī)制砂的應(yīng)用與天然砂也存在顯著差異，因此，機(jī)制砂及機(jī)制砂應(yīng)用問題，一直是研究熱點(diǎn)［3-8］。文章對不同特性的機(jī)制砂進(jìn)行物理性能測試，采用膠砂試驗(yàn)方法，分析了4批次機(jī)制砂的膠砂流動性能、力學(xué)性能及收縮性能，為機(jī)制砂更廣泛的應(yīng)用提供相應(yīng)參考。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 原材料

水泥：華潤水泥P.O42.5；標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.5%；初凝時(shí)間162 min；終凝時(shí)間220 min；

機(jī)制砂：貴州產(chǎn)機(jī)制砂；水：符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)：JGJ63—2006》的自來水；減水劑，減縮劑：廣東紅墻新材料股份有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

⑴符合《行星式膠砂攪拌機(jī)：JC/T681—2005》標(biāo)準(zhǔn)；

⑵符合《水泥膠砂流動度測定方法：GB/T 2419—2005》要求；

⑶MASTESIZER3000干濕二合一激光粒度儀；

⑷Prisma E掃描電子顯微鏡；

⑸全自動水泥膠砂抗折抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)；

⑹砂漿收縮測定儀。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)用機(jī)制砂樣品制備

將機(jī)制砂中大于4.75 mm顆粒篩出，備用；試驗(yàn)時(shí)將機(jī)制砂攤平成圓餅形狀，進(jìn)行四分法取樣，以確保樣品均勻性。

2.2 機(jī)制砂MB值測試

進(jìn)行機(jī)制砂亞甲藍(lán)值測定時(shí)參照文獻(xiàn)［1］和劉戰(zhàn)鰲等人［9］的研究，為增加試驗(yàn)精度，試驗(yàn)時(shí)每次量取亞甲藍(lán)體積由5 mL減小為2 mL，若色暈在5 min時(shí)消失，則再滴加1 mL，直至色暈可持續(xù)5 min。

2.3 機(jī)制砂流動性能測試

進(jìn)行機(jī)制砂膠砂流動度試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)膠砂在無振動條件下的流動擴(kuò)展度大小分為2種測量方式：①流動性較好時(shí)，將截錐試模與套模置于水平放置的玻璃板上，采用1次裝填試模的方式，然后取下套模，迅速提起截錐圓模，待膠砂不流動時(shí)用卡尺測量膠砂底面相互垂直的2個(gè)方向直徑，取其平均值作為該用水量條件下的自由膠砂流動度；②無流動性或流動性較小（膠砂自由流動度小于150 mm）時(shí)，采用2次裝填試模的方式，裝填及成型過程參照文獻(xiàn)［1］，并進(jìn)行25次跳動；跳動完畢后用卡尺測量膠砂底面相互垂直的2個(gè)方向直徑，取其平均值作為該用水量條件下的振動膠砂流動度。

2.4 機(jī)制砂力學(xué)性能測試

機(jī)制砂膠砂強(qiáng)度成型試驗(yàn)時(shí)，先將機(jī)制砂與水泥進(jìn)行攪拌混合，然后加入水與外加劑，低速攪拌60 s，再高速攪拌90 s；根據(jù)膠砂流動度的大小采用無振動成型與振動成型2種方式。無振動成型時(shí)1次裝填，進(jìn)行相應(yīng)插搗刮平；振動成型時(shí)采用分為2層裝填的方式，裝填及成型過程參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）：GB/T 17671—1999》［10］；成型后的膠砂試件置于養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，24 h后拆模，拆模后的試件進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)記并置于水中進(jìn)行相應(yīng)齡期養(yǎng)護(hù)；依據(jù)文獻(xiàn)［10］進(jìn)行膠砂力學(xué)性能測試。

2.5 機(jī)制砂收縮性能測試

根據(jù)高禮雄等人［11］的研究，并參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50082—2009》，采用立式收縮儀進(jìn)行膠砂收縮測定，即將膠砂試件置于收縮測定儀中，保持試件不受其他因素干擾，進(jìn)行收縮測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 機(jī)制砂物理性能

此次試驗(yàn)時(shí)，機(jī)制砂中粒徑小于0.15 mm的顆粒稱為細(xì)粉；粒徑小于0.075 mm的顆粒稱為石粉。

表1的數(shù)據(jù)表明，機(jī)制砂3與機(jī)制砂4的MB值高于機(jī)制砂1與機(jī)制砂2，即機(jī)制砂3與機(jī)制砂4中對外加劑吸附性物質(zhì)相對較高。機(jī)制砂4的粉體含量高于機(jī)制砂3，但機(jī)制砂4中石粉占細(xì)粉的比例遠(yuǎn)低于機(jī)制砂3。機(jī)制砂2的粉體含量高于機(jī)制砂1，但2種機(jī)制砂中石粉占細(xì)粉的比例接近。由表2數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)制砂1與機(jī)制砂3中的石粉細(xì)度相近；機(jī)制砂2與機(jī)制砂4中的石粉細(xì)度相近。

表1 4種機(jī)制砂物理性能差異Tab.1 Difference of Physical Properties of Four Kinds of Manufactured Sand

表2 4種機(jī)制砂中石粉的粒徑分布Tab.2 Particle Size Distribution of Stone Powder in Four kinds of Manufactured Sand

從圖1可以看出4種機(jī)制砂的石粉為多棱角顆粒，且機(jī)制砂2與機(jī)制砂4的大顆粒相比與機(jī)制砂1與機(jī)制砂3較多。機(jī)制砂1與機(jī)制砂2顆粒表面較光滑，機(jī)制砂3和機(jī)制砂4顆粒表面粗糙，存在團(tuán)絮狀結(jié)構(gòu)。

圖1 4種機(jī)制砂石粉形貌Fig.1 Morphology of Four Kinds of Manufactured Sand Powder

3.2 機(jī)制砂膠砂流動度差異

試驗(yàn)所用膠砂配比為，水泥450 g；機(jī)制砂1 350 g；水灰比0.52；減水劑摻量3.0%；由表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在外加劑摻量相同的條件下，前2種機(jī)制砂的膠砂流動性明顯優(yōu)于后2種機(jī)制砂。這說明機(jī)制砂的MB值大于1.4后將對膠砂的流動性產(chǎn)生較大影響，即機(jī)制砂中存在對外加劑吸附性較強(qiáng)的顆粒，將引起外加劑作用效果減弱。在MB值相近的前提條件下，機(jī)制砂中細(xì)粉含量對膠砂的流動性也存在一定影響。由表3可以看出，存在較多細(xì)粉的機(jī)制砂2膠砂流動性略差于機(jī)制砂1；由表3還可以看出，機(jī)制砂3的膠砂流動性略差于機(jī)制砂4。雖然機(jī)制砂4的細(xì)粉含量相比與機(jī)制砂3較高，但石粉含量占細(xì)粉含量的比例遠(yuǎn)低于機(jī)制砂3；機(jī)制砂4的此種粒度分布引起膠砂流動性略優(yōu)于機(jī)制砂3；這說明機(jī)制砂中對膠砂流動性產(chǎn)生重要影響的顆粒以小于0.075 mm顆粒為主。同時(shí)由表2石粉中的粒徑分布數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，機(jī)制砂4的比表面積小于機(jī)制砂3，且Dv（90）的粒徑較機(jī)制砂3大，即引起外加劑吸附的石粉相對較少，由此機(jī)制砂4的振動流動度較機(jī)制砂3大。從上述分析可以得出，相比石粉細(xì)度，MB值高的機(jī)制砂對膠砂流動度影響更大。

表3 4種機(jī)制砂膠砂流動度Tab.3 Mortar Fluidity of Four kinds of Manufactured Sand

3.3 機(jī)制砂膠砂強(qiáng)度差異

試驗(yàn)所用膠砂配比為，水泥450 g；機(jī)制砂1 350 g；水灰比0.52；外加劑摻量3.0%。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)制砂1與機(jī)制砂2的膠砂強(qiáng)度略高于機(jī)制砂3與機(jī)制砂4。圖2結(jié)果表明，在抗壓強(qiáng)度方面，對于膠砂流動性大而采用無振動成型的機(jī)制砂1與機(jī)制砂2，機(jī)制砂1膠砂強(qiáng)度略高于機(jī)制砂2；對于膠砂流動性差而采用振動成型的機(jī)制砂3與機(jī)制砂4，機(jī)制砂4的早期膠砂抗壓強(qiáng)度高于機(jī)制砂3 d、28 d膠砂抗壓強(qiáng)度相差不大。圖3結(jié)果表明，在抗折強(qiáng)度方面，同類型膠砂成型方式的2種機(jī)制砂抗折強(qiáng)度相近。成型膠砂試件時(shí)，流動性好的膠砂能夠自由充填試模，且試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，較流動性差的膠砂強(qiáng)度高。對于同一成型方式的2種機(jī)砂，機(jī)制砂1與機(jī)制砂2時(shí)，在石粉含量占細(xì)粉含量百分比接近的情況下，石粉比表面積較大的機(jī)制砂1膠砂強(qiáng)度略高。機(jī)制砂3與機(jī)制砂4比較，石粉含量占細(xì)粉含量達(dá)90%以上的機(jī)制砂3膠砂的3 d、7 d強(qiáng)度略低于機(jī)制砂4 d、28 d強(qiáng)度值相差不大。

圖2 不同機(jī)制砂的膠砂抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive Strength of Mortar with Different Manufactured Sand

圖3 不同機(jī)制砂的膠砂抗折強(qiáng)度Fig.3 Flexural Strength of Mortar with Different Manufactured Sand

4 減縮劑對膠砂收縮性能的影響

機(jī)制砂對混凝土收縮性能的影響是眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)，但在此方面的研究一直存在分歧［12-14］。部分專家認(rèn)為石粉含量越多干燥收縮率越大，且隨齡期的增長，干縮率與石粉含量之間正相關(guān)；也有學(xué)者認(rèn)為干縮隨石粉含量呈現(xiàn)先增大后減少的規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn)［11］，摻入減縮劑可改善機(jī)制砂混凝土干燥收縮。本文采用膠砂試件進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證減縮劑對機(jī)制砂膠砂試件收縮性能的改善。試驗(yàn)選取細(xì)粉含量相對較高的機(jī)制砂2與機(jī)制砂4予以試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 機(jī)制砂2：減縮劑對機(jī)制砂收縮性能的影響Fig.4 Manufactured Sand 2:Effect of Shrinkage Reducing Agent on Shrinkage Properties of Manufactured Sand Mortar

圖5 機(jī)制砂4：不同摻量減縮劑時(shí)機(jī)制砂砂漿收縮性能變化曲線Fig.5 Manufactured Sand 4:Variation Curve of Shrinkage Properties of Manufactured Sand Mortar with Different Dosage of Shrinkage Reducing Agent

由圖4的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻入2%減縮劑后，機(jī)制砂2膠砂試件的收縮率降低，其中1 d、7 d、56 d收縮值降低了68%、43%、35%，即減縮劑可降低水泥膠砂試件各齡期的收縮。圖5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻入減縮劑后，機(jī)制砂4成型的膠砂試件收縮率值降低，減縮劑摻量1%時(shí)，1 d、7 d和56 d膠砂收縮值降低了56%、40%和27%；減縮劑摻量2%時(shí)，1 d、7 d和56 d膠砂收縮值降低了75%、55%和40%，隨減縮劑摻量的提高，減縮效果增加。

5 結(jié)論

⑴MB值是影響機(jī)制砂膠砂流動度的主要因素，不同機(jī)制砂砂粉微觀形貌差異較大，MB值較高的機(jī)制砂粉體顆粒表面較粗糙。

⑵不同機(jī)制砂膠砂強(qiáng)度差異較大，強(qiáng)度差異原因仍需試驗(yàn)分析。

⑶減縮劑的可降低機(jī)制砂膠砂試件的收縮率值，減縮劑摻量1%、2%時(shí)，膠砂試件56 d收縮率值分別降低約30%和40%。