机制砂物理特性对水泥胶砂强度的影响研究

万娟霞 马岢言

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 前言

作为天然砂的理想替代产品，机制砂颗粒表面粗糙、多棱角，且大多级配不良，0.315～0.63mm级配颗粒偏少。机制砂的性能参数主要包括原石单轴抗压强度、坚固性、压碎值、空隙率、亚甲蓝值、细度模数、表观密度、级配区间、石粉含量、粉料质量指数PQI等[1-3]。目前，国内对机制砂胶砂研究较多，主要集中在矿物掺合料、聚丙烯纤维、石粉含量和机制砂种类对机制砂胶砂工作性能、力学性能、抗裂性能、耐久性的影响[4-12]。受地域气候的影响，甘肃机制砂母岩种类繁多，加之机制砂生产工艺和设备差异，导致机制砂关键物性参数波动大。因此，有必要对甘肃各机制砂生产厂家的施工工艺及机制砂进行调研，研究机制砂的物理参数对胶砂的影响。

本文调研了甘肃省19家机制砂生产厂家的生产工艺及机制砂性能指标，并成型机制砂水泥胶砂试件进行抗压抗折试验。运用相关性分析即相关指数表征机制砂各参数对水泥胶砂强度的影响程度，并运用灰色关联法研究各特征参数对机制砂胶砂强度影响的关联性，探讨影响机制砂水泥胶砂的关键因素。

1 机制砂及机制砂水泥胶砂的评价

1.1 机制砂

从调研的19家机制砂生产厂家了解到，干法生产和湿法生产普遍存在，14家为干法生产，其余5家为湿法生产。从宕口的开采岩性看，主要以岩浆岩和沉积岩为主，宕口在开采过程中土层普遍较多，使得MB值（机制砂石粉含量）显著增大。

通过试验测得各厂家机制砂的参数见表1。

表1 机制砂各参数汇总表

由于原石取样的代表性较差，使得原石单轴抗压强度偏差较大。调研的19家机制砂生产厂家中，石料厂G和石料厂R的坚固性不满足要求。压碎值均满足要求，最大为26.2%，最小为4.6%。

湿法生产的机制砂的亚甲蓝值普遍较低、石粉含量低，均符合要求。14家干法生产厂家中有7家机制砂的亚甲蓝值不合格，大于1.4，最大值为15.5。

1.2 机制砂水泥胶砂

表2为不同机制砂厂家的水泥胶砂抗折强度（3d、7d、28d）、抗压强度（3d、7d、28d）值，强度测定均在标准配比下进行，水泥为450g（P.O52.5），水为225g，砂为1350g。

表2 机制砂水泥胶砂抗压及抗折强度值

由表2可知，机制砂水泥胶砂整体抗折强度数值变化较大，最大值为10.93MPa，最小值为3.5MPa，均值为8.85MPa。大部分厂家机制砂28d抗折强度分布在8～11MPa，少部分分布在7～8MPa，可见抗折强度大部分满足水泥及混凝土使用要求。有两家抗折强度较小，分别为6.4MPa和3.5MPa。

从干湿法生产工艺来看，干法工艺生产的机制砂水泥胶砂28d抗折强度均值为8.55MPa，小于湿法工艺生产的9.80MPa。大部分厂家机制砂的28d抗折强度高于标准砂和天然砂。

机制砂水泥胶砂整体抗压强度数值变化较大，最大值为71.6MPa，最小值为18.9MPa，均值为57.8MPa。大部分厂家机制砂28d抗压强度分布在55～65MPa，少部分分布在45～55MPa，可见抗压强度大部分满足水泥及混凝土使用要求。还有两家抗抗压度较小，其值分别为43.5MPa和18.9MPa。

从干湿法生产工艺来看，干法工艺生产的机制砂水泥胶砂28d抗压强度均值为57.0MPa，小于湿法工艺生产的60.8MPa。有5家机制砂的28d抗压强度比天然砂和标准砂高，有6家基本相当，其余均小于天然砂和标准砂。

2 机制砂水泥胶砂抗折强度

2.1 抗折强度与机制砂各参数的特征分析

通过分析机制砂水泥胶砂28d抗折强度与机制砂各性能指标的相关性，得到其内在关系，见表3。

表3 机制砂各参数与28d抗折强度的相关性

由表3可知，机制砂水泥胶砂28d抗折强度与各特征参数的相关性由大到小分别为：粉料质量指数、亚甲蓝值、空隙率、石粉含量、坚固性、原石单轴抗压强度、表观密度、压碎值、细度模数。28d抗折强度的大小与粉料质量指数、亚甲蓝值、空隙率和石粉含量有密切关系，影响指数较高。

粉料质量指数PQI为石粉含量与亚甲蓝的乘积，石粉含量表征机制砂中粉料的含量，亚甲蓝值表征细粉中可利用石粉的含量，两者乘积可充分表征石粉含量和亚甲蓝值对于机制砂性能的影响，属于综合评价的指标，在较低MB值的机制砂中，可相应增加石粉含量，在较高MB值的机制砂中，需减少石粉含量，该指标能反应出机制砂粉料在水泥及水泥混凝土中的作用，相应的，其与28d抗折强度的相关性最高，为0.84。亚甲蓝值次之，相关性为0.82，意味着当石粉含量相当时，亚甲蓝值的大小直接影响机制砂水泥胶砂抗折强度大小，也就是说机制砂中细土含量对抗折强度的影响非常大，在生产过程中必须严格控制。空隙率的相关性为0.41，对抗折强度的影响指数也较高，原因是空隙率综合反映了机制砂的粒型、棱角性和级配在松散堆积下的状况，间接反映出级配和粒型对机制砂抗折强度的影响，级配优良、粒型合理的机制砂的抗折强度较高。

2.2 运用灰色关联法分析

运用灰色关联法对影响抗折强度的参数进行分析，计算其对抗折强度影响的关联系数，得到关联度，如表4所示。

由表4可知，机制砂水泥胶砂抗折强度与各特征参数的关联度较大的有粉料质量指数PQI（0.345）、亚甲蓝值（0.326）和石粉含量（0.281）。这与相关性的分析结果完全一致。可见，影响抗折强度的主要参数特征是石粉含量、亚甲蓝值和粉料质量指数。

表4 机制砂各参数关联系数及关联度汇总

3 机制砂水泥胶砂抗压强度

3.1 抗压强度与机制砂各参数的特征分析

通过分析机制砂水泥胶砂28d抗压强度与机制砂各项性能指标的相关性，得到其内在关系，见表5。

表5 机制砂各参数与28d抗压强度的相关性

由表5可知，机制砂水泥胶砂28d抗压强度与各特征参数的相关性由大到小分别为：粉料质量指数、亚甲蓝值、空隙率、石粉含量、坚固性、原石单轴抗压强度、表观密度、压碎值、细度模数。28d抗压强度的大小与粉料质量指数PQI、亚甲蓝值、空隙率和石粉含量有密切关系，影响指数较高。

3.2 运用灰色关联法分析

运用灰色关联法对影响抗压强度的参数进行分析，计算各参数对抗压强度影响的关联系数，从而得到关联度，如表6所示。

表6 机制砂各参数关联系数及关联度汇总

由表6可知，机制砂水泥胶砂抗压强度与各特征参数的关联度较大的有粉料质量指数PQI（0.339）、亚甲蓝值（0.323）和石粉含量（0.277）。这与相关性的分析结果完全一致。可见，影响抗压强度的主要参数特征是石粉含量、亚甲蓝值和粉料质量指数。

4 结论

1）不同厂家的机制砂水泥胶砂流动度、抗折强度、抗压强度数值变化较大，上下浮动大。

2）从生产工艺看，干法工艺生产的机制砂水泥胶砂流动度、抗折强度、抗压强度均值均小于湿法工艺。

3）大部分厂家机制砂28d抗折强度分布在8～11MPa，少部分分布在7～8MPa，还有两家抗折强度较小，其值分别为6.4MPa和3.5MPa。大部分厂家机制砂的28d抗折强度高于标准砂和天然砂。

4）大部分厂家机制砂28d抗压强度分布在55～65MPa，少部分分布在45～55MPa，还有两家抗抗压度较小，其值分别为43.5MPa和18.9MPa。有11家机制砂的28d抗压强度比天然砂和标准砂略高或相当，其余均小于天然砂和标准砂。

5）各参数的相关性与关联度分析结果表明，机制砂流动度、抗折强度和抗压强度的关键参数项目均为粉料质量指数PQI、亚甲蓝值和石粉含量。