机制砂质量及机制砂混凝土性能研究

2020-03-25张水曹辉陈焰喻进辉袁庆莲

江苏建材 2020年1期

张水，曹辉，陈焰，喻进辉，袁庆莲

（湖南省建筑科学研究院有限责任公司,湖南长沙 410011）

0 引言

随着我国基础建设的快速发展，建设工程用砂量逐年递增。天然砂作为地方性资源，分布不均匀且短时间内不可再生，长期无序地开采已导致天然砂资源接近枯竭。为保护生态环境，国家出台了禁采或限采天然砂的法规，使得建设工程用砂供需矛盾更加突出，严重制约了建设工程的持续发展，寻找天然砂之外的砂资源已迫在眉睫[1－4]。机制砂是将开采的岩石经机械破碎、筛分而制成的人工砂，其生产和应用可以缓解因天然砂资源不足而出现的问题[5－6]。当前，因天然砂资源短缺和价格上涨，机制砂的生产和应用得到了较快发展，然而机制砂的质量不但与母材的岩性有关，还与机制砂的生产工艺有关，不同的破碎、筛分和除粉工艺对机制砂的粒形、级配、石粉含量等有重要影响，也直接造成了机制砂质量良莠不齐，阻碍了机制砂在混凝土中的广泛应用[7]。根据对53家企业生产的机制砂进行的取样检测和统计分析，研究了天然砂、机制砂和混合砂对混凝土力学性能和耐久性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：采用42.5级普通硅酸盐水泥，其3 d、28 d抗压强度分别为26.5 MPa和49.9 MPa；粗骨料：采用粒径范围5～25 mm连续级配碎石；粉煤灰：采用F类Ⅱ级粉煤灰，其需水量比为103%，强度活性指数为78%；矿粉：采用矿粉S95，其7 d、28 d活性指数分别为70%和102%；细骨料：采用天然中砂TS1、天然特细砂TS2、机制砂（碎屑）JS1、机制砂（整形）JS2、机制砂（碎屑）JS3、机制砂JS4以及混合砂HS1、HS2、HS3；水：自来水。按照 GB/T 14684—2011《建设用砂》对其性能进行检测，结果见表1～3。

1.2 试验方法

依据GB/T 14684—2011《建设用砂》对天然砂、机制砂的性能进行检测；依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》成型、养护混凝土试块，对硬化混凝土的力学性能、抗水渗透性、抗氯离子渗透性和收缩性能进行检测。

1.3 混凝土配合比设计

依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行混凝土配合比设计，在胶凝材料和水用量、砂率不变的基础上，通过调节减水剂用量使混凝土拌合物的坍落度控制在（200±10）mm，研究天然砂、机制砂和混合砂对混凝土性能的影响，混凝土配合比见表4。

2 试验结果与分析

2.1 机制砂性能检测结果与分析

机制砂质量是机制砂应用与推广的基础，而高品质机制砂是配制高性能机制砂混凝土的必要条件之一。为了解当前机制砂的质量情况，对53家企业生产的机制砂进行了取样，并按照GB/T 14684—2011《建设用砂》对其性能进行检测，根据检测结果对机制砂质量进行统计和分析，结果见图1～4 和表 5。

图1 煤气气相色谱分析结果

表1 天然砂性能检测结果

表2 机制砂性能检测结果

表3 混合砂性能检测结果

表4 混凝土配合比

从图1中可以看出，在53家企业生产的机制砂中，有17家生产的机制砂级配满足1区要求，占总数的32.1%；有14家生产的机制砂级配满足2区要求，占总数的26.4%；有22家生产的机制砂级配不满足要求，占总数的41.5%。

图2 机制砂细度模数分布

从图2中可以看出，在53家企业生产的机制砂中，机制砂细度模数集中分布在3.2～3.3之间，占总数的45.3%，其中有15家所生产的机制砂细度模数在2.7～3.0，占总数的28.3%；有37家生产的机制砂细度模数在3.1～3.7，占总数的69.8%；有1家生产的机制砂细度模数高达3.8，占总数的1.9%。由此可以看出，生产的机制砂多为粗砂。

图3 机制砂表观密度分布

图4 机制砂堆积密度分布

由图3和图4可知，在53家企业生产的机制砂中，机制砂的表观密度均大于等于2 500 kg/m3，且主要集中在2 610～2 700 kg/m3，占总数的71.7%。堆积密度主要集中在1 400～1 600 kg/m3，占总数的84.9%；出现了少量小于1 400 kg/m3的机制砂，占总数的7.5%。

表5 机制砂空隙率与石粉含量统计

从表5中可以看出，在53家企业生产的机制砂中，有29家生产的机制砂空隙率不大于44%，占总数的54.7%，另外24家生产的机制砂空隙率不满足GB/T 14684—2011《建设用砂》要求。机制砂中石粉含量均较低，仅有1家生产的机制砂石粉含量不满足GB/T 14684—2011《建设用砂》要求。

综上所述，在53家企业生产的机制砂中，存在级配不理想现象，其中满足1区要求的机制砂占32.1%，满足2区要求的机制砂占26.4%；细度模数偏高，粗砂占69.8%，中砂只占28.3%；表观密度、堆积密度、石粉含量基本满足GB/T14684—2011《建设用砂》要求；空隙率偏高，满足GB/T 14684—2011《建设用砂》要求的机制砂占43.4%。

2.2 混凝土力学性能试验结果与分析

依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的相关规定，在尺寸为150 mm×150 mm×150 mm试模中成型试样，脱模后标准养护至规定的龄期，再进行抗压强度试验，试验结果见表6。

从表4中可以看出，在水胶比相同的条件下，为满足坍落度的要求，与天然砂混凝土相比，机制砂及混合砂混凝土需增加减水剂掺量，这主要是因为机制砂的多棱角性，表面比较粗糙，而天然砂颗粒的多为椭球状，表面比较光滑，因此在相同坍落度条件下，采用机制砂或混合砂拌制混凝土需要增加用水量或减水剂掺量。从表6中可以看出，机制砂及混合砂混凝土各龄期的抗压强度均高于天然砂混凝土抗压强度，其中以整形砂与天然细砂混合配制的混凝土抗压强度最高，与天然砂混凝土相比，其28 d抗压强度增大了9.4%，60 d抗压强度增大了10.4%，120 d抗压强度增大了5.0%。采用机制砂或混合砂提高了混凝土的抗压强度，其原因主要有：机制砂的多棱角性可增加其与水泥石的机械啮合力，同时机制砂表面粗糙可增加其与水泥石的粘结力；机制砂中石粉具有填充作用，可改善混凝土的孔结构，使其结构更加密实。从表6中可以发现，混合砂混凝土90 d抗压强度均低于其60 d抗压强度，即在60～90 d之间，混合砂混凝土的抗压强度出现了倒缩现象，其原因可能是由于混合砂混凝土早期收缩较大，混凝土微裂缝增加，导致混凝土抗压强度下降。

表6 混凝土抗压强度试验结果

2.3 混凝土耐久性能试验结果与分析

依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的规定，在尺寸为175mm×185 mm×150 mm、100 mm×50 mm、100 mm×100 mm×515 mm试模中分别成型试样，脱模后标准养护至规定的龄期。采用渗水高度法、电通量法、非接触法分别测定混凝土的抗水渗透性能、抗氯离子渗透性能和收缩性能，试验结果见表7和图5。

表7 混凝土渗水高度、电通量试验结果

图5 机制砂混凝土的收缩率

由表7可知，采用天然砂、机制砂JS4配制的混凝土渗水高度均为2 mm，采用混合砂HS1、混合砂HS2和混合砂HS3配制的混凝土渗水高度分别为3 mm、2 mm、4 mm，即在本试验研究范围内，采用天然砂、机制砂JS4配制的混凝土抗水渗透性能基本优于混合砂混凝土。同时，天然砂混凝土的电通量低于混合砂混凝土的电通量，略高于机制砂混凝土，与采用混合砂HS1、混合砂HS2和混合砂HS3配制的混凝土相比，其电通量分别下降了12.8%、2.7%、19.6%；与采用机制砂JS4配制的混凝土相比，其电通量则增大了3.1%。

从图5可以看出，混凝土在成型初期出现了微膨胀现象，其中以天然砂、混合砂HS1配制的混凝土最为明显；随着混凝土龄期的增加，收缩率呈增大的趋势，其中收缩率在混凝土成型后1 d增长最快；在本试验研究范围内，天然砂混凝土的收缩率总体上要小于混合砂混凝土的收缩率，略高于机制砂混凝土的收缩率，与混合砂HS1、混合砂HS2、混合砂HS3配制的混凝土相比，其56 d收缩率分别下降了18.4%、13.5%和21.4%，与机制砂JS4配制的混凝土相比，其56 d收缩率则增大了3.2%。

由表7和图5可知，采用机制砂JS4配制混凝土，其抗水渗透性能、抗氯离子渗透性及收缩性能基本优于天然砂混凝土，采用混合砂HS1、混合砂HS2、混合砂HS3配制的混凝土则劣于天然砂混凝土，其原因主要是：天然砂TS1和机制砂JS4为中砂，颗粒级配良好、粗细程度合适，且机制砂JS4因含有石粉，改善了混凝土的孔隙结构，使混凝土结构更加密实，从而提高了混凝土的抗水渗透性能和抗氯离子渗透性能，降低了其收缩率。机制砂JS1、机制砂JS2和机制砂JS3为粗砂，颗粒较粗且多为薄片状，与天然特细砂混合可改善其级配，但可能还未达到理想级配，因而其抗水渗透性能、抗氯离子渗透性及收缩性能劣于天然砂混凝土。由此可知，采用机制砂配制混凝土时，应先对机制砂性能进行检测，对于颗粒粗细程度合适、级配良好的机制砂，可代替天然砂配制混凝土；对于颗粒较粗、级配不理想的机制砂可部分取代天然砂配制混凝土。