不同细度模数人工砂应用于混凝土的性能研究

黄劲，吕寅，张丽，李莎，王义恒

（华新混凝土骨料事业部，湖北　武汉　430073）

不同细度模数人工砂应用于混凝土的性能研究

黄劲，吕寅，张丽，李莎，王义恒

（华新混凝土骨料事业部，湖北武汉430073）

在天然砂资源日益枯竭的情况下，急需发展人工砂替代细骨料的推广应用。本试验就细度模数为 2.2、2.8 及 3.2 的三种不同规格人工砂，分别在“人工砂＋天然砂”掺配使用及单掺直接使用情况下作为细骨料，应用于混凝土中对于拌合物的工作性能影响进行试验研究，从而形成不同细度人工砂应用于混凝土中的最佳优选方案，以实现兼顾混凝土工作性能和经济性的目的。

人工砂；细度模数；工作性能；掺配比例

0　引言

出于保护生态环境的目的，目前河砂的开采日益收紧，后续河砂持续供应及价格优势将面临较大冲击，故须加紧寻求替代资源，以保障今后混凝土生产的可持续进行[1-2]。此次试验就采用人工砂替代河砂后对混凝土各项性能的影响进行研究，以探讨采用人工砂后对混凝土工作性能的改善作用及采用人工砂混凝土的可行性。在此基础上，进一步形成人工砂混凝土配合比优化调整方案，以实现兼顾混凝土工作性能和经济性的目的[3]。

1　试验原材料及试验设备

1.1试验原材料

（1）水泥 (C)：襄阳华新 P·O42.5 水泥，比表面积360m2/kg，28d 抗压强度 51.2MPa。

（2）矿粉 (BFS)：慧可 S95 级，流动度比 102%，7 天活性指数 80%，28 天活性指数 99%。

（3）粉煤灰 (FA)：襄阳天健Ⅱ级粉煤灰，细度 17.3%，需水量比 102%。

（4）人工砂 (S1)：分别选取细度模数为 2.2、2.8 及 3.2三种不同破碎规格产品，MB 值 1.25。

（5）天然砂：江砂 (S2) 细度模数为 1.7，河砂 (S3) 细度模数为 3.1。

（6）碎石 (S)：5～25mm 连续级配。

（7）外加剂 (PC)：西卡聚羧酸减水剂，含固量 19%。

1.2人工砂及天然砂筛分结果

各类砂的筛分结果见图 1～5。

图1　细度 2.2 人工砂筛分曲线

图2　细度 2.8 人工砂筛分曲线

图3　细度 3.2 人工砂筛分曲线

图4　细度 1.7 江砂筛分曲线

图5　细度 3.1 河砂筛分曲线

根据筛分结果，上述人工砂均不满足 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检测方法标准》中混凝土用砂颗粒级配区间，使用过程中宜进行颗粒级配优化。

1.3试验设备及试验方法

（1）混凝土的制备、坍落度与扩展度测定方法，均按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。成型试块在标准养护后，分别测定其 3d、7d、28d 抗压强度。

（2）混凝土力学性能试验采用英国 ELE ADRAuto-3000全自动多功能混凝土力学试验机。

2　单掺人工砂情况下的应用试验

试验就单掺人工砂作为混凝土中细集料直接使用，以探明人工砂在未经处理情况下直接使用的可行性。

由于人工砂细度模数不同，故在胶凝材料及用水量一定的情况下，通过调整砂率和外加剂掺量使混凝土得到相同的出机状态[4]。混凝土试验配合比及性能测试结果见表 1。

由表 1 试验结果可知，在混凝土出机工作状态基本一致的情况下，采用 2.8 细度模数人工砂其外加剂掺量最低，坍落度损失相对较小；A-1 组的人工砂较细，砂率不宜较大，混凝土整体级配不良，在外加剂掺量大幅高于 A-2 的情况下 1h坍落度损失亦非常明显；对于 A-3，由于人工砂细度模数达到3.2，人其颗粒级配中 600μm 以下颗粒较少，故对于骨料之间的填充效应大幅降低，应用过程中必须加大砂率，由于人工砂含泥量亦较高，其在外加剂掺量达到 2.1% 情况下仍然坍落度损失较大[5]。由力学性能试验结果可知，采用 2.8 细度模数人工砂情况下粗细骨料间的堆积效应较好，力学性能最佳。由此，在采用人工砂单掺使用情况下，应优选细度模数为 2.8的人工砂产品。

表1　单掺人工砂的混凝土试验配合比及性能

3 “人工砂+天然砂”掺配条件下的人工砂应用试验

目前湖北地区的人工砂较多为小厂生产，对于产品的技术控制往往达不到规范中的级配筛分要求，单独使用人工砂往往出现出机坍落度小、坍落度损失大的情况，故混凝土生产站点往往采用“人工砂+天然砂”的掺配方案进行细骨料的颗粒级配优化以满足使用需求[6-7]。试验就不同细度模数人工砂与天然砂掺配比例进行优化，实现最佳掺配方案选择。

3.1细度模数 2.2 人工砂掺配试验

由于该规格人工砂细度模数较小，属于细砂，为改善级配状况，其宜与细度模数较大的天然砂（河砂细度模数 3.1）掺配使用。混凝土试验配合比及性能测试结果见表 2 和图 6。

由表 2 试验可知，在砂率相同的情况下随着细骨料中天然砂掺量的提高，混凝土外加剂用量逐渐降低，B-1 中人工砂掺量最高（达到 55%），其坍落度损失最大；配合比 B-3，则由于出机状态一致的情况下其所需的外加剂掺量较小，不利于坍落度损失的控制，故其 1h 后的坍落度损失亦较大，故生产过程中应适当提高外加剂掺量以优化混凝土工作性能损失；而配合比 B-2 为较理想的级配情况对于人工砂混凝土的工作性能改善最为明显。

表2　细度模数 2.2 人工砂掺配试验

图6　配合比 B-2 工作状态

3.2细度模数 2.8 人工砂掺配试验

对于细度模数 2.8 人工砂，试验采用其与江砂掺配方式作为混合细骨料应用于混凝土，其配合比及性能测试结果见表 3 和图 7。

对于细度模数 2.8 的人工砂而言，随着江砂掺入比例的提高，混凝土中外加剂用量逐渐提高。上述试验结果表明，采用“人工砂+天然砂”砂中的江砂掺量不宜小于 40%，此主要由于人工砂中的泥、石粉含量较高，宜采取提高江砂掺量的方式来降低其在掺配细集料中的比例[8]，同时随着江砂掺量的提高，混凝土和易性大幅改善，并可通过提高外加剂掺量的措施来减小混凝土坍落度损失。

试验将配合比 C-3 中“人工砂+天然砂”方案下的混凝土骨料级配状况与理论级配分布曲线进行拟合（见图 8），可知人工砂细度模数为 2.8，江砂掺量为 45% 时，骨料整体的级配曲线最佳。

图8　骨料级配曲线拟合图

3.3细度模数 3.2 人工砂掺配试验

当人工砂细度模数达到 3.2 情况下，其宜与江砂掺配使用。混凝土试验配合比及性能测试结果见表 4 和图 9。

图9　配合比 D-3 工作状态

表 3　细度模数 2.8 人工砂掺配试验

随着江砂掺入比例的提高，混凝土外加剂掺量亦出现逐渐提高的趋势，对比配合比 D-2 与 C-3 可知，在江砂掺量一致的情况下，C-3所需的外加剂掺量较 D-3 可减少 0.13%，同时 1h 损失情况亦有所改善，即使用 2.8 人工砂的经济效益更佳；对于配合比 D-3，在大幅提高外加剂掺量使混凝土出机明显泌水的情况下混凝土 1h 坍落度损失依然十分明显，无法适应人工砂的生产应用。

4　结论

（1）人工砂颗粒级配未满足规范要求的条件下直接应用于混凝土，人工砂单掺作为混凝土细骨料的情况下，细度模数为 2.8 的人工砂产品工作性能及力学性能效果最佳。

（2）在采用“人工砂+天然砂”作为混凝土中细骨料的情况下，细度模数为 2.2 的人工砂产品宜采用“人工砂+河砂”掺配方案，细度模数为 2.8 及 3.2 的人工砂产品宜采用“人工砂+江砂”掺配方案。

（3）对于“人工砂+江砂”掺配方案，采用细度模数为2.8 人工砂产品，同时江砂掺量为细骨料 45% 时的应用效果最佳。

[1] 陈家珑，周文娟．我国人工砂的发展与问题探讨[J]．施工技术，2007,42(1): 849-852．

[2] 徐健，蔡基伟，王稷良，等．人工砂与人工砂混凝土的研究现状[J]．国外建材科技，2004,25(3): 20-24．

[3] 江京平．人工砂在高性能混凝土中的应用及技术指标探讨[J]． 新型建筑材料，2001, (5): 29-31．

[4] 刘春苹，季韬，周丰，等．机制砂取代率及石粉掺量对人工砂砂浆流动度与力学性能的影响[J]．施工技术，2014,38(11): 128-132．

[5] 王稷良．机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2008．

[6] 王立华，陈理达，詹镇峰，等．人工砂与河砂混凝土抗裂性能比较研究[J]．中国农村水利水电，2013(8): 99-102．

[7] 曹伟宏，苏庆国，游汉柱．远距离高泵程机制砂混凝土泵送施工技术[J]．铁道标准设计，2000,20(11): 16-19．

[8] 宋少民，耿雷．人工砂高性能混凝土配制技术研究[J]．建筑技术，2007,38(1): 46-48．

[通讯地址] 湖北武汉市洪山区光谷大道国际企业中心英才楼（430073）

黄劲（1981—），男，湖北武汉，硕士，工程师，主要从事混凝土配合比设计及耐久性研究。