机制砂率和石粉对人工砂砂浆抗渗性能的影响

季韬，刘春苹，林旭健，梁咏宁

(福州大学土木工程学院，福建福州350116)

0 引言

在可持续发展日益受到重视的今天，土木工程领域也对材料提出了高性能的要求.在满足基本性能(强度和工作性等)的前提下，土木工程材料的耐久性越来越受到重视［1］.目前，机制砂虽然越来越广泛地应用于工程，然而针对机制砂的配合比设计在耐久性方面的考虑较少.采用目前生产工艺所生产的机制砂，针片状颗粒较多，级配分布一般集中在2.36 mm以上和0.15 mm以下，拌制混凝土时会引起用水量的增加［2］，进而导致耐久性变差，这束缚了机制砂的应用.

国内外关于人工砂砂浆的研究主要集中于机制砂中的石粉含量［3－6］、机制砂的生产工艺［7］、母岩岩性［8］等对人工砂砂浆性能(流动性、力学性能、孔隙率等)的影响.然而，对固定水粉比不变，机制砂取代率及石粉含量对人工砂砂浆抗渗性能影响的研究还未见文献报道.本研究固定水粉比不变，从以机制砂替代部分或全部天然砂、以石粉替代部分水泥入手，研究机制砂率及石粉掺量对人工砂砂浆抗渗性能的影响，为机制砂及石粉在混凝土中的应用提供基础数据.

1 试验研究

1.1 试验材料

1)水泥:福建炼石牌42.5 R普通硅酸盐水泥，表观密度3 050 kg·m－3，比表面积340 m2·kg－1.

2)细骨料:采用不同机制砂率的人工砂，机制砂率为机制砂与砂的质量比，用β表示.机制砂等质量替代天然砂，β为0%表示闽江河砂，β为100%表示机制砂.不同机制砂率的人工砂基本性能见表1，级配见图1.各组人工砂中0.075 mm以下粒径已筛出.机制砂母岩为石英岩.

表1 人工砂基本性质Tab.1 Fundamental characteristic of manufactured sand

3)石粉:粒径小于0.075 mm，表观密度为2 603 kg· m－3，比表面积为358 m2·kg－1，亚甲蓝值0.5 g·kg－1，由D/max Ultima III型全自动X射线粉末衍射仪测定的石粉主要成份为SiO2(图2).亚甲蓝的测定方法参照《公路工程集料试验规程》(JTG/E42－2005)［9］.

4)水:自来水.

图1 人工砂级配Fig.1 Gradation of manufactured sand

图2 石粉X射线衍射图谱Fig.2 X －ray diffraction mapping of limestone

1.2 试验配合比和变化参数

机制砂是指岩石经除土开采，机械破碎、筛分制成的，粒径在4.75 mm以下的岩石颗粒，但不包括软质岩，风化岩石的颗粒.混合砂是指由机制砂和天然砂混合制成的砂.人工砂是指经除土处理，机制砂、混合砂的统称［10－11］.

试验设计中，水粉比固定为0.42.水粉比为水与粉体材料的质量比，粉体材料包含水泥和石粉.配合比中1 m3砂浆各组分的质量百分比见表2.在不掺石粉时，以机制砂率β为变化参数，设计1～4组，为不同机制砂率的试验组;机制砂率取0%是指天然砂砂浆，机制砂率取100%是指机制砂砂浆，机制砂率为33.3%和66.7%为采用混合砂的人工砂砂浆.在机制砂率为66.7%时，以石粉掺量为变化参数，设计3、5～7组，为石粉掺量取0%、5%、10%及15%的试验组，这是由于目前规范规定，最大的石粉含量不超过15%［10－11］.石粉掺量为石粉与粉体材料的质量比，用βM表示.从表2可知，随着石粉掺量的增大，水泥用量减少，水灰比增大.

表2 人工砂砂浆配合比及强度Tab.2 Mix proportion and strength of manufactured sand mortar

1.3 试验内容及方法

人工砂砂浆的28 d抗压强度参照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T17671－1999)［12］进行测定.抗渗性试验采用电通量法(ASTMC1202法)，使用NEL－PEU型混凝土电通量测定仪，测试6 h通过人工砂砂浆的电通量.孔结构采用北京金埃谱科技有限公司生产的V－Sorb 2800比表面积及孔径分析仪(氮气吸附法)进行研究.

2 人工砂砂浆的试验结果

2.1 抗渗性试验

保证人工砂砂浆的耐久性，才能使机制砂在砂浆和混凝土中的应用达到高性能.抗渗性是衡量砂浆耐久性的一个重要因素，它与砂浆中的孔隙有关.通过测定试件的电通量可表征人工砂砂浆耐久性的好坏，电通量值越大，抗渗性越差，耐久性越差;电通量值越小，抗渗性越好，耐久性越好.所测得的各组人工砂砂浆电通量值Q见图3.

从图3可知，随机制砂率的增大，电通量先减小后增大，当机制砂率为66.7%时为最小，抗渗性最好.随着石粉掺量的增大，电通量先减小后增大，当石粉掺量为10%时，电通量最小，抗渗性最好.

图3 人工砂砂浆的电通量Fig.3 Electric flux of manufactured sand mortar

2.2 孔结构试验

由氮吸附法得到的孔结构试验结果见表3.大于200 nm的为多害孔，50～200 nm为有害孔，20～50 nm为少害孔，而小于20 nm则为无害孔，50 nm以上的孔对水泥基材料的抗渗性能起负面影响，50 nm以上的孔越多，水泥基材料的抗渗性越差［13］.机制砂的掺入影响了人工砂砂浆的孔径分布，随着机制砂率的增大，50 nm以上的有害孔的体积分数及平均孔径均先减小后增大，这与各组电通量变化规律一致(见图3(a)).随着石粉掺量的增大，50 nm以上的有害孔的体积分数及平均孔径均基本上呈先减小后增大的趋势，这也与各组电通量变化规律基本一致(见图3(b)).

表3 人工砂砂浆的孔径分布和平均孔径Tab.3 Pore size distribution and average pore diameter of manufactured sand mortar

3 分析与讨论

3.1 机制砂率对人工砂砂浆抗渗性能的影响

机制砂表面粗糙，有助于骨料和水泥石的粘结，提高界面粘结力，且其吸水率较高(见表1)，降低界面处的有效水灰比，界面致密.所以当机制砂率小于66.7%时，随着机制砂率的增大，抗渗性提高.

与天然砂相比，机制砂的粒径分布“两头大，中间小”，颗粒分布不连续.通过与天然砂的混合，人工砂的级配得到较大改善(见图1).机制砂率为66.7%的人工砂具有良好的级配，其50 nm以上的有害孔最少，20 nm以下的无害孔较多，平均孔径最小(见表3)，人工砂砂浆最为密实，抗渗性最优.

当机制砂率超过66.7%时，骨料级配逐渐变得不合理，人工砂孔隙体积增多(见表3)，抗渗性能下降.

3.2 石粉掺量对人工砂砂浆抗渗性能的影响

石粉表观密度小于水泥，等质量替代水泥时，粉体材料的总体积及浆体量同时增大.当石粉掺量小于10%时，石粉的掺入增加砂浆的密实度，细化了砂浆的孔径，无害孔的体积明显增多，大孔的体积减少，抗渗性增强.

当石粉掺量为10%时，50 nm以上的有害孔较少(见表3)，20 nm以下的无害孔较多，平均孔径最小(见表3)，人工砂砂浆的抗渗性最好(见图3).

当石粉掺量超过10%时，石粉的填充效应变得不明显，水灰比降低较多，水化产物减少，人工砂砂浆孔隙增多，抗渗性下降.

李北星等［3］采用石粉取代部分砂的方法设计混凝土配合比，研究认为，随着石粉含量的增加，人工砂混凝土抗渗性逐渐变差.本研究采用固定水粉比，采用石粉取代部分水泥的方法设计人工砂混凝土配合比，研究表明，当石粉掺量为10%时抗渗性最好.这些研究结果的不同是由于石粉的掺入方式及原材料的不同造成的.

3.3 对工程指导意义探讨

由表2可知，当石粉掺量为0%时，随着机制砂率的增大，人工砂砂浆的28 d抗压强度增大;当机制砂率为66.7%时，随着石粉掺量的增大，水泥用量减少，人工砂砂浆的28 d抗压强度减小.研究表明，机制砂率为66.7%、石粉掺量为10%人工砂砂浆的抗渗性最好，其28 d抗压强度与天然砂砂浆(机制砂率为0%、石粉掺量为0%)的基本相同(见表2).

机制砂率为66.7%意味着机制砂用量比天然砂多.对于山区高速公路等工程，由于天然砂缺乏、运费贵、成本高;采用隧道弃碴制成的机制砂，其经济效益显著.石粉掺量为10%时，可用于强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆，如隧道工程的二次衬砌等［11］，其用量也很大.当然，将本研究人工砂砂浆的研究成果拓展到人工砂混凝土，需要进一步开展一些研究工作.

4 结语

固定水粉比为0.42，变化机制砂率，采用掺入石粉以取代部分水泥的方法设计人工砂混凝土配合比，可得到以下结论:

1)人工砂砂浆的抗渗性优于天然砂砂浆，当机制砂率小于66.7%时，随着机制砂率的增大，人工砂砂浆50 nm以上孔隙体积和平均孔径减小，抗渗性变好.

2)当石粉的掺量小于10%时，石粉的掺入细化人工砂砂浆的孔径，减小50 nm以上孔隙体积，改善了人工砂砂浆的耐久性.

3) 随着机制砂率及石粉掺量的增大，人工砂砂浆的抗渗性先提高后降低;机制砂率为66.7%、石粉掺量为10%人工砂砂浆的抗渗性最好，且其28 d抗压强度与天然砂砂浆的基本持平.

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