机制砂在普通砂浆中应用试验研究

周爱军，周　红

(鲁东大学土木工程学院，烟台　264025)



机制砂在普通砂浆中应用试验研究

周爱军，周红

(鲁东大学土木工程学院，烟台264025)

本文研究了机制砂中石灰石粉含量、MB值对普通砂浆性能的影响。研究表明：一定的石灰石粉含量可提高砂浆的和易性和力学性能；MB值大小反映了机制砂中泥粉含量的高低，其对砂浆的抗压强度影响较大；当其MB值在1.4～2.0g/kg之间时，石灰石粉含量控制在12%以内，机制砂可配制各种强度等级且性能合格的砂浆。

道路工程； 机制砂； 石灰石粉； MB值； 砂浆

1　引　言

我国的土木工程用砂一直以天然砂为主，但由于过度开采天然砂存在堵塞河道、危害防洪及水利设施、毁坏耕地等问题。所以，我国从20世纪60年代起，就开始了对机制砂的研究。到了20世纪90年代，京、津、沪、渝等地都有了机制砂的生产线[1-3]。目前，我省同样面临天然砂资源匮乏、质量下降的局面[4，5]。而且有关机制砂的国标也已于2002年颁布执行。

机制砂是经机械破碎筛分而成，其颗粒尖锐粗糙且带有棱角，同时在其中不可避免地要含有一定量的石灰石粉，这是机制砂与天然砂两者最显著的区别所在[6-8]。目前，对于机制砂在混凝土中的应用已经进行了比较充足的研究，而机制砂在普通砂浆中的应用研究比较欠缺[9-11]。本文利用机制砂全部取代天然砂生产普通砂浆，针对机制砂中的石灰石粉含量(<75μm)和MB值对普通砂浆性能的影响进行了系统研究。

2　试　验

2.1试验原料

水泥：山水P·O42.5水泥，其性能指标见表1。粉煤灰：烟台电厂产Ⅱ级粉煤灰，其性能指标见表2。机制砂：来自于烟台一家制砂厂，取样后通过筛分去除>4.75mm的颗粒，细度模数为2.80，石灰石粉含量11.8%。其机制砂的性能指标见表3和表4。砂浆外加剂：砂浆增稠剂，山东省济南市常春藤化工材料有限公司产。水：饮用水。

表1　水泥的物理和力学性能

表2　粉煤灰的基本性能

表3　机制砂的筛分结果

表4　机制砂的其它物理性能

2.2试验方法

本文中砂浆搅拌、稠度试验、保水性试验、湿表观密度试验、砂浆试件制作和强度试验等试验方法均参照行业标准《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009)。

3　结果与讨论

和天然砂相比，由于岩石的矿物组成以及破碎工艺的不同，导致生产出的机制砂中粗细颗粒含量存在一定的变化，大多数机制砂≤75μm的细颗粒含量均大于10%，小于75μm的石灰石粉含量较多，机制砂和天然砂的主要区别在于粒形和石灰石粉含量差别较大，粒形可以通过生产设备的改进和生产技术的进步加以控制和完善；而国标《建筑用砂》(GB/T14684-2001)[12]中则通过石灰石粉含量限值和MB值对机制砂石灰石粉含量进行控制。

3.1机制砂中石灰石粉含量对砂浆性能的影响

首先，研究机制砂中石灰石粉含量对砂浆性能的影响。其试验方案：先将原机制砂通过75μm筛进行筛分，分为石灰石粉和纯机制砂(无石灰石粉)两部分，然后将纯机制砂和石灰石粉按不同比例混合，配制出石灰石粉含量分别为0、4%、8%、12%、16%、20%的六组机制砂；砂浆配合比中，灰砂比为1∶3，粉煤灰掺量为25%(占胶凝材料)，砂浆增稠剂掺量为0.12‰(占胶凝材料)，砂浆稠度控制在70～80mm的范围内。

3.1.1石灰石粉含量对砂浆性能的影响

石灰石粉含量对砂浆性能影响的试验结果见表5、图1～4所示。

从表5可以看出：随着石灰石粉含量的增加，其砂浆用水量逐渐增加，当石灰石粉含量增加到20%时，用水量增加了2.4%，砂浆在成型和施工时出现黏刀现象，即砂浆施工性较差。这主要是由于石灰石粉可以作为矿物掺合料，属于胶凝材料体系，随石灰石粉含量的增加，胶凝材料的总量将逐渐增多，其砂浆需水量将随着增加；当胶凝材料总量过多时，砂浆体系开始变稠，新拌砂浆粘结力增大，塑性和流动性变差，从而影响砂浆的粘聚性和施工性。

表5　石灰石粉含量对砂浆性能影响的试验结果

图1　石灰石粉含量对砂浆保水性的影响Fig.1　Influence of limestone powder content on water retention of mortar

图2　石灰石粉含量对砂浆湿表观密度的影响Fig.2　Influence of limestone powder content on wet apparent density of mortar

从图1可以看出：随着石灰石粉含量的增加，其砂浆保水性逐渐降低，且石灰石粉含量越高越明显，当石灰石粉含量增加到20%时，其砂浆保水性仅88.4%，下降了5.4%，砂浆在成型和施工时易出现泌水、分层等现象，即石灰石粉含量较多的情况下，砂浆保水性非常差。主要是由于随石灰石粉含量的增加，胶凝材料的总量将逐渐增多，砂浆单方用水量增多，但石灰石粉是惰性胶凝材料，与水泥或粉煤灰相比，其石灰石粉的活性较低、与水结合力小、分子间力低，新拌砂浆拌合物的粘度下降，保水性能较差，导致砂浆保水性降低。

从图2可以看出：随着石灰石粉含量的增加，其砂浆湿表观密度先增大后减小，当石灰石粉含量为12%时，其砂浆湿表观密度达到最大值。这是因为机制砂中含有一定量的石灰石粉时，其石灰石粉可以作为矿物掺合料，能很好地填充到浆体的空隙中，使砂浆浆体体系更为密实，浆体体积降低，湿表观密度增大；但当石灰石粉含量过多，就会占据砂浆体系中骨料的位置，并有富余胶凝材料存在，降低砂浆浆体的密实度，使浆体中各成分分布不均匀，导致砂浆湿表观密度降低。

图3　石灰石粉含量对砂浆抗折强度的影响Fig.3　Influence of limestone powder content on flexural strength of mortar

图4　石灰石粉含量对砂浆抗压强度的影响Fig.4　Influence of limestone powder content on compression strength of mortar

从图3、图4可以看出：与空白样(无石灰石粉砂浆)相比，当石灰石粉含量在0～12%之间时，随着石灰石粉掺量增加，其砂浆抗压和抗折强度稍有增加的趋势；当石灰石粉含量达12%时，其砂浆抗折和抗压强度都达到最大；当石灰石粉含量超过12%后，随着石灰石粉含量的增加，其砂浆抗折和抗压强度逐渐下降，且石灰石粉含量越高越明显。主要原因是石灰石粉中含有的游离CaO与水发生水化反应，产生膨胀和硬化，同时，石灰石粉中还含有一些活性较高的无定形氧化物Al2O3、SiO2，这些Al2O3和SiO2容易与水泥水化产物Ca(OH)2反应生产稳定的硅酸钙水化物凝胶及水化铝酸钙，促进了水泥的水化反应进行；而且，Ca(OH)2与石灰石粉中的活性SiO2反应，使Ca(OH)2的晶体粒细化，有利于砂浆界面性能的提高；此外，石灰石粉中微细颗粒还具有充填作用，使水泥浆体及界面结构更为密实，一定程度上改善了骨料与水泥浆体的界面结构。但石灰石粉含量增大到一定程度时，石灰石粉的存在会导致砂浆中粉料过多，使砂浆最佳的密实堆积状态丧失，浆体中空隙增多、颗粒分布受到影响，使砂浆浆体的密实度降低，浆体硬化后力学性能不能得到充分发挥[13]。

3.1.2相同石灰石粉含量，灰砂比对砂浆性能的影响

石灰石粉含量固定为12%，研究灰砂比对砂浆性能的影响，灰砂比分别为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6，共6组。其试验方案和试验结果见表6、图5～7所示。

表6　灰砂比对砂浆性能影响的试验结果(石灰石粉12%)

图5　灰砂比对砂浆保水性的影响Fig.5　Influence of cement-sand ratio on water retention of mortar

图6　灰砂比对砂浆抗折强度的影响Fig.6　Influence of cement-sand ratio on flexural strength of mortar

图7　灰砂比对砂浆抗压强度的影响Fig.7　Influence of cement-sand ratio on compression strength of mortar

从表6、图5～7可以看出：当石灰石粉含量固定为12%时，其砂浆保水性能变化不大(>91%)，都能满足要求，新拌砂浆拌合物无泌水、分层等现象出现；随着灰砂比的减小，砂浆单方用水量逐渐下降，砂浆抗折和抗压强度逐渐下降，符合用水量与胶凝材料之间、水灰比与强度之间的变化规律。通过分析可知：当固定石灰石粉含量，在灰砂比不同下，其砂浆胶凝材料体系中水泥、粉煤灰和石灰石粉三者之间的比例不变，砂浆胶凝材料总量、砂用量在变化，所以砂浆的单方用水量、保水性、抗折和抗压强度等性能主要随着灰砂比的变化而变化，而受石灰石粉、粉煤灰或胶凝材料等其它因素的影响较小。

3.2MB值大小对砂浆性能的影响

MB值大小反映了机制砂或混合砂中石灰石粉中石灰石粉和泥粉(黏土质)各自所占比例，泥粉混入到砂中必定对砂浆性能产生影响，《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ52-2006)中要求检测机制砂和混合砂的MB值，并对MB值进行了规定。

本节研究机制砂的MB值大小对砂浆性能的影响，不同MB值的机制砂是通过多次从机制砂石料厂取样进行筛选所得，其细度模数变化不大，都在2.30～2.70之间，并控制石灰石粉含量(包含泥粉)都保持在12%左右。其机制砂的性能指标见表7，其试验结果见表8、图8～11所示。

从表8、图8～11可以看出：随着MB值的增大，其砂浆单方用水量逐渐增多；其砂浆保水性逐渐下降，且MB值越大保水性越小；其砂浆湿表观密度逐渐下降，且MB值越大越明显；当MB值≤1.6时，随着MB值的增大，其砂浆抗折和抗压强度稍微降低，且变化不大，但当MB值>1.6时，随着MB值的增大，其砂浆抗折和抗压强度逐渐降低，变化比较明显。

表7　机制砂的性能指标(不同MB值)

表8　MB值对砂浆性能影响试验结果(胶砂比为1∶2)

图8　MB值对砂浆保水性的影响Fig.8　Influence of MB value on water retention of mortar

图9　MB值对砂浆湿表观密度的影响Fig.9　Influence of MB value on wet apparent density of mortar

主要是因为：机制砂MB值的大小反应石灰石粉中泥粉含量的高低，MB值越大，说明石灰石粉中泥粉含量越高。对砂浆用水量而言，与石灰石粉相比，泥粉的结构疏松、比表面积较大，泥粉的存在会吸附大量的自由水，导致需水量增大，泥粉含量越高越明显，即砂浆需水量随着泥粉含量的增加而增大；对砂浆保水性而言：泥粉含量增加时，其砂浆单方需水量增大，加上泥粉的粘聚力低，与水基本无反应，水在泥粉颗粒之间的自由活动度较大，导致砂浆保水性大大下降，即砂浆保水性随着泥粉含量的增加而降低；对砂浆湿表观密度而言，当泥粉含量增加时，胶凝材料(水泥、粉煤灰、石灰石粉和泥粉)总量不变，但泥粉和石灰石粉的用量改变，由于泥粉过多，砂浆需水量增加，泥粉的结构疏松，泥粉与水结合力低，导致砂浆浆体中游离水分过多、颗粒间隙较大、结构致密性变差，从而导致浆体湿表观密度下降，即砂浆湿表观密度随着泥粉的增加而下降；对砂浆抗折和抗压强度而言：胶凝材料中水泥、粉煤灰、石灰石粉和泥粉四者的水化活性不同，水泥最高，其次是粉煤灰，石灰石粉第三，其中泥粉最低，基本无活性，泥粉的存在，在砂浆浆体硬化初期吸水膨胀，会影响水泥水化，在硬化后期失水形成很多毛细孔，降低了砂浆的密实度，降低浆体与骨料之间的粘结强度，进而降低了砂浆的抗折和抗压强度，泥粉含量越高越明显，即砂浆抗折和抗压强度随着泥粉含量的增加而下降[14,15]。

图10　MB值对砂浆抗折强度的影响Fig.10　Influence of MB value on flexural strength of mortar

图11　MB值对砂浆抗压强度的影响Fig.11　Influence of MB value on compression strength of mortar

4　结　论

(1)机制砂的颗粒级配可以通过筛分后，重新搭配来控制，颗粒级配良好的机制砂配制的砂浆和易性和保水性更好，强度更高；机制砂中含有一定比例的石灰石粉能明显改善砂浆的和易性，提高硬化浆体力学性能，但其含量不易过高，否则会降低砂浆强度；

(2)随着机制砂MB值的增大，砂浆用水量增加、保水性下降、湿表观密度降低、抗折和抗压强度下降；主要是因为：泥粉的内部结构疏松、比表面积较大、吸水性高，降低砂浆的密实度；MB值在1.4～2.0g/kg之间时，石灰石粉含量控制在12%以内，可配制各种强度等级且性能合格的砂浆。

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ExperimentalStudyonApplicationofPlasteringSandinMortar

ZHOU Ai-jun，ZHOU Hong

(SchoolofCivilEngineering,LudongUniversity,Yantai264025,China)

TheinfluenceofstonepowdercontentandtheMBvalueofmanufacturedsandonordinarydry-mixedmasonrymortarisstudied.Thestudyindicatedthatpowdercontentcanimprovetheworkabilityandmechanicalpropertiesofmasonrymortar,theMBvalueofmanufacturedsandreflectsthelevelofmudpowdercontent,thecompressionstrengthofmasonrymortargreatlyinfluencedbyit,whentheMBvalueofmanufacturedsandiscontrolledbetween1.4g/kgto2.0g/kg,thepowdercontentiscontrolledat12%orless,manufacturedsandcanbeusedforthepreparationofmasonrymortarwithavarietyofstrengthandstandardperformance.

roadengineering;plasteringsand;stonepowder;MBvalue;mortar

鲁东大学学科建设经费资助

周爱军(1966-)，女，硕士，副教授.主要从事土木工程材料方面的研究.

TQ172

A

1001-1625(2016)01-0310-06