机制砂细度模数对C50梁变形性能的研究

张坤球 姚青云 唐双美

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001）

机制砂细度模数对C50梁变形性能的研究

张坤球 姚青云 唐双美

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001）

利用不同细度模数的机制砂配制C50梁混凝土，对比研究机制砂不同细度模数对砂浆及C50梁混凝土的工作性能、力学性能和收缩性能的影响规律。研究表明：机制砂细度模数在2.8～3.2时，混凝土的工作性较好；机制砂细度模数为3.0时，混凝土力学性能最优；机制砂细度模数越小，混凝土的收缩越小。机制砂细度模数宜控制在3.0，C50梁混凝土的综合性能最佳。

机制砂；细度模数；C50梁混凝土；变形性能

随着我国基础设施建设的迅速发展，作为建筑主要原材料之一的河砂资源日渐枯竭，很多劣质低的砂被用于建设工程中，严重影响工程质量，机制砂为替代河砂作为细集料的最佳选择，亟待加强机制砂应用技术的研究[1,2]。机制砂在我国工程的应用已经开始逐步由云贵、湘鄂西部地区发展到东部的沿海地区，国内对机制砂的研究也越来越深入[3]。目前机制砂应用于中低强度混凝土已开始被工程界所接受，但在重大工程较高强度的混凝土中很少应用。因此，面对紧缺的河砂资源现状，推广机制砂的应用显得尤为重要。

本文通过分析不同级配的机制砂砂浆的工作性能、力学性能和收缩性能，探究不同级配机制砂的特性；针对C50梁混凝土，研究不同细度模数的机制砂对C50梁混凝土的工作性能、力学性能和变形性能的影响规律，选定C50梁混凝土机制砂的最佳细度模数范围。

1 原材料与方法

1.1试验原材料

水泥为广西鱼峰水泥股份有限公司生产的 PⅡ42.5硅酸盐水泥，比表面积330m2/kg，标准稠度用水量24.4%，7d和28d抗压强度分别为30.0MPa和54.4MPa。粉煤灰为广西华天能环保科技开发有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，密度2.235g/cm3，细度2.16%，需水量比95%，烧失量2.0%。矿粉为武汉武新新型建材有限公司生产的S95级矿粉，比表面积400m2/kg，流动度比96%，烧失量1.9%，28d活性指数105%。粗集料选用某项目部自产的5～25mm连续级配碎石，堆积密度 1550kg/m3，压碎值 4.2%。外加剂为马贝聚羧酸减水剂，减水率为35.5%。

试验研究不同细度模数的机制砂对混凝土性能的影响规律，所用的某项目部自产的机制砂，对比试验所用河砂为广西合浦县张黄镇油滩砂场河砂，河砂与机制砂性能指标分别如表1和表2所示。

表1　河砂的物理性能指标

表2　机制砂的物理性能指标

1.2试验过程及方法

以河砂和不同级配的机制砂分别配制水泥砂浆，研究不同颗粒级配机制砂对水泥砂浆的工作性能、力学性能和变形性能的影响，对比研究不同粉煤灰和矿粉掺量对水泥砂浆收缩变形性能的影响规律。

以河砂配制工作性良好的C50梁混凝土，并在此配合比基础上利用不同细度模数的机制砂取代河砂，研究其对 C50梁混凝土的工作性能、力学性能、变形性能的影响。试验通过调整外加剂掺量和砂率来使混凝土拌合物达到相同或相近的工作性能。

砂浆的工作性能测试按《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ/T 70-2009）进行，砂浆干缩率测试依据《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T603-2004)进行，其有效长度L（mm）为扣除试件两端钉头埋入长度后的值；混凝土收缩率测试按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBT50082-2009）进行。

1.3显微硬度测试原理

选择一定的载荷，把显微硬度仪压头压入试件表面并保持一定的时间，卸去载荷，试样表面压出一个底面为正方形的正四棱锥压痕，测量其两条对角线的长度平均值d（如图2所示），计算压痕面积 F，然后再计算显微硬度值 HV。压痕面积F由（1）式计算：

其中，θ为压头与材料表面的接触角(θ=68°)，d为对角线的长度平均值。

显微硬度HV可由（2）式计算：

其中，P为载荷。

图1　显微硬度仪压头形状

图2　显微硬度测点

根据图 2中所示的测试点分布在试件的抛光面上进行显微硬度测试，测试步长为10μm。

2 试验结果及分析

2.1不同级配机制砂对水泥砂浆性能的影响

2.1.1工作性

利用河砂和不同级配的机制砂对比研究水泥砂浆的性能，并掺不同粉煤灰和矿粉研究水泥砂浆的变形抑制作用，试验配合比及工作性如表 3所示，H-0为河砂水泥砂浆配合比，J-1～J-12为机制砂水泥砂浆配合比，其中J1～J4为不同颗粒级配的机制砂砂浆配合比，J-5～J-8为单掺粉煤灰和矿粉的机制砂砂浆配合比，J-9～J-12为复掺粉煤灰和矿粉的机制砂砂浆配合比。

表3　砂浆试验配合比

对比H-0和J-1可知，机制砂与河砂在配合比和级配相同情况下，机制砂的砂浆流动性较差。对比J-1～J4可知，在配合比不变的情况下，随着机制砂细颗粒组分的增加，机制砂的砂浆流动性增大。机制砂细颗粒组分越大，砂浆在富浆条件下，砂子比表面积增大，浆体稠度变大，砂浆的粘聚性相应增强，砂浆的流动性增大[4]。

对比J-1、J-5、J-6可知，随着粉煤灰掺量的增加，机制砂的砂浆流动性增大。对比J-1、J-7、J-8可知，随着矿粉掺量的增加，机制砂的砂浆流动性减小。复掺粉煤灰与矿粉，对应机制砂砂浆的工作性略有降低，并且矿粉的掺入比例越高，砂浆工作性越差。

2.1.2力学性能

从图 3（a）可看出，在相同配合比和级配情况下，机制砂砂浆各龄期（7d、28d）的抗压强度优于河砂混凝土，尤其对早期强度（7d）机制砂与河砂砂浆相比优势明显。机制砂较强的棱角性增加了混合材料之间的嵌挤力，机制砂粗糙的表面增加了界面粘结力，使得抗压强度较大。

对比图3（b）中的J-1～J-4可以看出，机制砂的级配不完整，砂浆的抗压强度不同程度降低。机制砂级配越完整，颗粒级配和细度模数的协调性越强，使机制砂颗粒之间更能填充密实，骨架的整体空隙变小，大小颗粒之间的机械咬合处变多，抗压强度增大。

图3　各组河砂和机制砂砂浆试样的抗压强度试验结果

图3（c）和图3（d）表明，掺入粉煤灰和矿粉使机制砂砂浆早期（7d）的抗压强度随之降低，且随着掺量的增大，早期压强度越低，后期（28d）砂浆强度影响不大。

2.1.3收缩性能

各组砂浆试样的干缩率试验结果如图 2所示，同级配的机制砂和河砂砂浆试验的收缩率对比结果如图 2（a）所示，不同级配机制砂试样的收缩率对比结果如图2（b）所示，掺粉煤灰和矿粉抑制收缩的有效性试验结果如图2（c）和（d）所示。

图4　各组河砂和机制砂砂浆试样的干缩率试验结果

从图 4可看出，机制砂砂浆的收缩率均比河砂砂浆的收缩率小。对比图4（b）中的J-1～J-4可以看出机制砂级配不完整，砂浆的收缩率有不同程度的增大。机制砂级配越完整，机制砂颗粒填充更密实，空隙率小，收缩率越小。图 4（c）和图4（d）表明掺入分别一定量的粉煤灰和矿粉可以明显降低砂浆的收缩率，当粉煤灰和矿粉复掺时（J-9～J-12），收缩抑制效果更明显。

粉煤灰和矿粉的密度比水泥小，在进行等质量取代时，掺入粉煤灰和矿粉的砂浆具有更高的浆体率，而粉煤灰的掺入能改善胶凝体系内部的堆积效应，矿粉多棱角的颗粒与水泥颗粒间的螯合作用也对改善胶凝体系内部的堆积效应也具有积极的作用，同时二者的二次水化反应降低了砂浆的的收缩，具有更好的体积稳定性。

2.2不同细度机制砂对C50梁混凝土性能的影响

2.2.1工作性

不同细度模数对C50梁海工混凝土性能影响研究的试验配合比如表 4所示，机制砂细度模数对海工混凝土工作性能的影响试验结果如表 5所示。机制砂的细度模数越大则需提高砂率同时增大外加剂掺量来使混凝土拌合物达到相同或相近的工作性能。其中HS为河砂混凝土，JZS-1～JZS-4为不同细度机制砂混凝土。

表4　细度模数对C50箱梁混凝土性能影响试验配合比

表5　细度模数对机制砂C50箱梁混凝土工作性的影响

由表5可知，当机制砂细度模数为2.8时，拌合物干涩粘稠；随着机制砂细度模数的增加，拌合物的坍落度逐渐增加，且外观良好，具有良好的粘聚性；当机制砂细度模数进一步增加到3.2时，拌合物的坍落度呈下降趋势，当机制砂细度模数达到3.4时，出现轻微离析。配制C50梁海工混凝土时，机制砂细度模数在2.8～3.2时工作性较好。

2.2.2力学性能

各龄期不同细度模数对机制砂混凝土抗压强度的影响结果如图5所示。

图5　不同细度模数机制砂对各龄期C50箱梁混凝土抗压强度的影响

由图 5可见，机制砂海工混凝土的抗压强度均比同龄期的河砂混凝土高，机制砂的细度模数对C50箱梁混凝土早期强度（4d、7d）的影响并不明显，而后期强度（28d、56d）则随细度模数的增加先增大后降低，存在一个最佳的机制砂细度模数值3.0。

图6　河砂和机制砂的界面过渡区形貌

对HZ和JZS-1两组试验配合比所成型的制作光片进行显微硬度测试，对比分析河砂混凝土和机制砂混凝土的界面过渡区和显微硬度性能特征，河砂混凝土（HZ）和机制砂混凝土（JZS-1）的界面过渡区形貌如图6所示。

由图 7可知，机制砂混凝土的机制砂界面过渡区比河砂混凝土的河砂界面过渡区窄，河砂表面形貌相对于机制砂而言更加的光滑，机制砂表面更加粗糙，机制砂粗糙的表面为C-S-H凝胶的粘结提供了良好的界面，因此机制砂在界面过渡区细骨料与C-S-H凝胶的结合更为紧密，提高了界面过渡区的粘结强度，使得机制砂混凝土的抗压强度比河砂混凝土更高。

图7　河砂和机制砂的界面过渡区显微硬度测试

河砂和机制砂界面过渡区的显微硬度测试结果如图 7所示。从图7可知，机制砂界面过渡区的C-S-H凝胶的显微硬度值比河砂的高，而随着距骨料距离的增加，C-S-H凝胶的显微硬度也相应地升高。

2.2.3收缩性能

图8　不同细度模数机制砂对C50箱梁混凝土收缩率的影响

各龄期不同细度模数机制砂对混凝土收缩形变的影响结果如图8所示。总体上来看，不同细度模数机制砂C50箱梁混凝土体积收缩率均小于河砂海工混凝土体积收缩率。细度模数2.8～3.4的机制砂配制机制砂C50梁海工混凝土时，均有较好的体积稳定性。细度模数越小，体积稳定性越好。

2.3分析与讨论

混凝土拌合物的工作性与浆体性质、骨料性质以及浆体与骨料的相对体积含量有关，当其他条件保持不变，机制砂的性质对拌合物的工作性存在重要影响。砂的细度模数反映其组成颗粒的整体粗细程度，影响骨料颗粒的比表面积和骨架体系的空隙率。

合适的骨料比表面积和较低的骨架体系的堆积空隙率，需要填充空隙和包裹骨料表面的浆体数量就少，相同条件下骨料表面有更多的浆体，润滑作用增强。细度模数适中的机制砂，有利于改善拌合物的工作性，细度模数过小，吸附外加剂较多，导致混凝土工作性严重降低，而细度模数较大时，粗颗粒较多，浆体不足以填充颗粒空隙和包裹颗粒表面，混凝土有离析的趋势。细度模数适中的机制砂，具有足够粗颗粒形成骨架结构，又有足够的细颗粒填充骨架空隙，骨架体系的空隙率低，抗压强度越大[5]。

机制砂表面棱角多，颗粒表面摩擦力较大，通过调整机制砂的级配和增加细颗粒组分，降低细度模数，可以明显改善机制砂的工作性能，提高抗压强度，可以弥补机制砂形状不良引起的混凝土工作性较差的缺点[6]。

机制砂中含有一定的石粉，适当含量的石粉填充到细集料中，使得混凝土更为密实，从而提高混凝土的体积稳定性，因此不同细度模数机制砂混凝土收缩较河砂混凝土小。而随着机制砂细度模数的增加，粗颗粒比例增加，出现离析的趋势，浆骨粘结性不好，界面孔隙增多，因而收缩大，体积稳定性逐渐下降。

3 结论

（1）机制砂的细度模数对C50箱梁混凝土早期强度（4d、7d）的影响并不明显，而后期强度（28d、56d）则随细度模数的增加先增大后降低，存在一个最佳的机制砂细度模数值3.0。同时机制砂混凝土的抗压强度均比同龄期的河砂混凝土高。

（2）对于细度模数2.8～3.4的机制砂配制机制砂C50梁混凝土时，细度模数越小，机制砂中的石粉含量越高，对混凝土的填充密实作用更明显，体积稳定性更好。不同细度模数机制砂C50箱梁混凝土体积收缩率均小于河砂混凝土体积收缩率。

（3）机制砂与河砂在配合比和级配相同情况下，机制砂的砂浆流动性相对较差。对比相同配比的机制砂流动度，随着机制砂细颗粒组分的增加（细度模数降低），机制砂的砂浆流动性增大。随着粉煤灰掺量的增加，机制砂的砂浆流动性增大。随着矿粉掺量的增加，机制砂的砂浆流动性减小。

[1] 徐文冰.机制砂特性对 C50管片混凝土性能的影响[J].混凝土世界,2013,(2):77-82.

[2] 刘运华.机制砂细度模数对水泥基材料流动性和强度的影响研究[J].商品混凝土,2010,(7):54-56.

[3] 刘慈军.机制砂石粉和泥粉含量对C50箱梁混凝土性能的影响[J].铁道建筑,2013,(10):132-135.

[4] 朱柯.机制砂对砂浆性能影响研究[J].四川建材,2012,(4): 33-35.

[5] QUIROGA P N,FOWLERDW.The effect of aggregates characteristics on the performance of Portland cement concrete[D].Austin :The University of Texas,2001.

[6] 蒋正武.矿物掺合料对机制砂砂浆性能的影响[J].粉煤灰综合利用,2006,(5):17-19.

Influence of the fineness modulus of machine-made sand on deformation performance of C50 girder

Applying different fineness modulus of machine-made sand in C50 girder concrete to comparative study the influence of different fineness modulus of machine-made sand in C50 girder concrete on work performance, mechanical properties and shrinkage properties. Research shows that: when the fineness modulus of machine-made sand is 2.8 to 3.2, concrete works better; When the fineness modulus of machine-made sand arrives 3.0, the mechanical properties of concrete is the best；The fineness modulus of machinemade sand is smaller, the less the shrinkage of concrete .The fineness modulus of machine-made sand should be controlled at 3.0,at which the comprehensive performance of C50 girder concrete is the best.

Machine-made sand; fineness modulus; C50 girder concrete; deformation properties

U443.3

A

1008-1151(2015)06-0020-05

2015-05-12

张坤球（1968－），男，广西路建工程集团有限公司高级工程师，从事公路工程施工技术开发和管理工作。