機制砂級配對膠砂和混凝土性能的影響研究

蔡 雙

（1 中交一公局廈門工程有限公司；2 中交綠建（廈門）科技有限公司）

0 引言

混凝土是建筑工程的主要材料，而砂作為混凝土的主要原材，每年都需要被消耗非常多。因為河砂已經(jīng)被大量開采，造成了自然生態(tài)環(huán)境的破壞，河砂被禁止開采，此時機制砂應運而出，逐漸取代了河砂在混凝土工程的地位。機制砂是礦石經(jīng)過多次破碎之后，然后通過篩分，整形等工藝，生產(chǎn)出來的級配合理的產(chǎn)品，品質(zhì)優(yōu)良的機制砂與河砂的性能不相上下[1]。目前，機制砂已經(jīng)廣泛應用于建筑工程市場，選擇機制砂是必然趨勢。由于生產(chǎn)工藝水平，機制砂顆粒棱角較多，且在破碎過程中細粉顆粒多，致使機制砂新拌的混凝土工作性較差。其中很大原因是因為機制砂的級配較差和石粉含量高。有研究表明，一定量的石粉能夠填補在骨料的空隙中，產(chǎn)生微骨料效應[2-3]，并且國標要求在MB 小于1.4的時候，含粉量不宜小于10%，石粉應用范圍還算較大。因此，在機制砂的各項性能指標中，機制砂級配是最主要及關(guān)鍵的技術(shù)指標，直接關(guān)乎著混凝土的性能，很有必要開展不同機制砂級配的相關(guān)研究，因此，本試驗針對機制砂的級配問題，開展機制砂級配對膠砂和混凝土性能影響的研究，希望能為各地機制砂應用提供一定參考，促進機制砂的推廣與應用。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 材料

水泥選用福建龍鱗P·O42.5，密度3.03g/cm3，標準稠度用水量為29.2%；粉煤灰為泉州產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，需水量比為97%，活性指數(shù)為72%；礦粉為漳州地區(qū)S95級，需水量比為100%，活性指數(shù)為96%；細骨料為廈門地區(qū)產(chǎn)的機制砂；粗骨料為5～10mm 與10～25mm 兩種，按1∶2 比例混合使用；減水劑來自湖南中巖公司的高性能減水劑，減水率為26.8%，摻量為1%，水為生活用水。

1.2 試驗方法

⑴膠砂性能試驗：依據(jù)GB/T 17671-2021《水泥膠砂強度檢驗方法》。

⑵混凝土性能：依據(jù)GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》

2 試驗設計

2.1 級配設計

參考以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定一個合適的級配，作為的基準級配。詳細的分計篩余如表1所示。

表1 基準級配

以表1 基準級配為基礎，分別按照0%、2%、5%、8%、11%的添加量調(diào)整0～0.15mm的分計篩余，編號分別為：A-0、A-2、A-5、A-8、A-11、，分別按照4%、7%、10%、13%、16%的添加量調(diào)整0.15-0.3mm 的分計篩余，編號分別為：B-4、B-7、B-10、B-13、B-16，詳細結(jié)果如表2所示。

表2 不同級配的機制砂

2.2 膠砂配合比

膠砂配合比比如表3所示，其中，水膠比為0.35，膠砂比為0.33。試驗過程通過控制減水劑摻量，控制膠砂流動度基本一致。

2.3 混凝土配合比

試驗選擇混凝土標號為C50 的配合比，混凝土配合比如表4 所示。機制砂級配選擇A-2、A-5、A-8、B-7、B-10、B-13 等六種，試驗過程通過控制減水劑摻量，控制混凝土的流動度基本一致。

3 試驗結(jié)果

3.1 不同級配對膠砂流動性的影響

機制砂不同的級配顯著影響膠砂的流動度，試驗通過控制減水劑摻量，將膠砂流動度控制在合理的145～150mm，以滿足試件成型的狀態(tài)需求。記錄不同級配達到規(guī)定流動度所需的減水劑摻量，以此判斷機制砂級配對膠砂流動度的影響，試驗結(jié)果見表5。

表5 不同級配下減水率摻量

從表5 可以看出，機制砂不同級配下0～0.15mm、0.15～0.3mm 的含量與減水劑摻量呈正相關(guān)，分析其原因，細顆粒的比表面積比粗顆粒大，比表面積越大，需水量會越大，因此，隨著機制砂中細的顆粒越多，其需水量就越高，在相同用水量的情況下，如果要達到同樣的流動度，需要釋放更多的自由水來潤滑漿體，就需要更多的減水劑摻量。對比A-0 和A-11，減水劑的摻量從1.64%提高到4.36%，提高了1.66 倍，對比B-4 和B-16，減水劑摻量從2.20%提高到3.37%，提高了0.53倍。

3.2 不同級配對膠砂抗折強度的影響

膠砂標準養(yǎng)護后，分別檢測其7d 和28d 的抗折強度，試驗結(jié)果見表6。

表6 不同級配下膠砂抗折強度

從表6結(jié)果可以看出，膠砂抗折強度與機制砂中0-0.15mm、0.15～0.3mm 的含量呈負相關(guān)，分析其原因，隨著機制砂中細的顆粒越多，其需水量就越高，膠砂流動度一致控制在145～150mm 時，膠砂的水膠比就越高，膠砂7d、28d 抗折強度隨水膠比變大而變低。對比A-0 和A-11 的7d 抗折強度，抗折強度從9.1MPa 降低至6.8MPa，降低了25.2%，對比B-4和B-16的7d抗折強度，抗折強度從8.5MPa降低至6.6MPa，降低了22.3%。對比A-0 和A-11 的28d 抗折強度，抗折強度從12.5MPa 降低至8.9MPa，降低了28.8%，對比B-4和B-16的28d抗折強度，抗折強度從12.6MPa降低至9.5MPa，降低了24.6%。

3.3 不同級配對膠砂抗壓強度的影響

膠砂標準養(yǎng)護后，分別檢測其7d 和28d 的抗壓強度，試驗結(jié)果見表7。

表7 不同級配下膠砂抗壓強度

從表7 結(jié)果可以看出，對于7d 抗壓強度，A 組、B 組膠砂抗壓強度與機制砂中0～0.15mm、0.15～0.3mm 的含量呈負相關(guān)，對于28d抗壓強度，A組、B組膠砂抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，其中A-5組和B-10組的抗壓強度最好。分析其原因，在早期7d 齡期時，膠砂的抗壓強度很大程度取決于膠凝及骨料間的結(jié)合力，隨著細的顆粒越多，膠砂的水膠比就越高，結(jié)合力就有所下降，因此強度持續(xù)下降。28d 長齡期時，在一定范圍內(nèi)，隨著細的顆粒越多，膠砂整體體系的空隙被填充的更充分，提高了密實度，強度有所提高。超過范圍后，隨著顆粒增加，因比表面積過大而產(chǎn)生的缺陷隨之變多，此時反而對強度不利[4]。

3.4 不同級配對混凝土工作性的影響

機制砂不同的級配顯著影響混凝土的工作性，試驗通過控制減水劑摻量，將混凝土的擴展度控制在合理的450～500mm，記錄不同級配達到規(guī)定流動度所需的減水劑摻量，以此判斷機制砂級配對混凝土工作性的影響，試驗結(jié)果見表8。

表8 不同級配下減水率摻量

從表8 可以看出，機制砂不同級配下0～0.15mm、0.15～0.3mm 的含量與減水劑摻量呈正相關(guān)，與膠砂組試驗規(guī)律一致，其原因與膠砂組也一樣，都是因為細顆粒的比表面積比粗顆粒大，比表面積越大，需水量會越大，要達到同樣的擴展度就需要釋放更多的自由水來潤滑漿體，因此需要更多的減水劑摻量。對比A-2和A-8，減水劑的摻量從1.08%提高到1.45%，提高了34.2%，對比B-7 和B-13，減水劑摻量從1.18%提高到1.43%，提高了21.2%。

3.5 不同級配對混凝土劈裂抗拉強度的影響

混凝土試塊標準養(yǎng)護后，分別檢測其7d和28d的劈裂抗拉強度，試驗結(jié)果見表9。

表9 不同級配下劈裂抗拉強度

從表9 結(jié)果可以看出，不論是7d 齡期還是28d 齡期，混凝土劈裂抗拉強度與機制砂中0～0.15mm、0.15～0.3mm 的含量呈負相關(guān)，分析其原因，同膠砂組抗折強度原因一致，隨著細顆粒越多，混凝土擴展度控制在450～500mm 時，其需水量就越高，水膠比就越高，劈裂抗拉強度隨之降低。對比A 組的7d、28d 的劈裂抗拉強度，分別下降了30.8%、18.9%，對比B 組的7d、28d的劈裂抗拉強度，分別下降了37.0%、26.8%。A 組的變化率均小于B 組的變化率，這是因為顆粒越小，比表面積的變化就越大，對混凝土強度影響就越顯著。

3.6 不同級配對混凝土抗壓強度的影響

混凝土試塊標準養(yǎng)護后，分別檢測其7d和28d的抗壓強度，試驗結(jié)果見表10。

表10 不同級配下混凝土抗壓強度

從表10 結(jié)果可以看出，不論是7d 齡期，還是28d 齡期，A 組、B 組混凝土抗壓強度呈先增大后減小的變化規(guī)律，其中A-5 組和B-10 組的抗壓強度最好，與膠砂組的規(guī)律是一樣的。其原因與膠砂組也相一致，在一定范圍內(nèi)，隨著細的顆粒越多，混凝土整體體系的空隙被填充的更充分，提高了密實度，強度有所提高。超過范圍后，隨著顆粒增加，因比表面積過大而產(chǎn)生的缺陷隨之變多，此時反而對強度不利。

4 總結(jié)

⑴不論是砂漿組還是混凝土組，控制其工作性達到一致時，隨著機制砂中細顆粒的增多，所需減水劑用量增大。

⑵膠砂抗折強度、7d 抗壓強度與機制砂中細顆粒含量呈負相關(guān)，膠砂28d 抗壓強度呈先增大后減小的趨勢

⑶混凝土劈裂抗拉強度與機制砂中細顆粒含量呈負相關(guān)，混凝土抗壓強度呈先增大后減小的變化規(guī)律。