机制砂及其胶砂性能试验研究

2021-11-25孙保金张建业顾淑英王子儒

广东土木与建筑 2021年11期

孙保金，张建业，顾淑英,王子儒

（1、苏州市建设工程质量检测中心有限公司苏州 215004；2、广东红墙新材料股份有限公司广东惠州 516127）

机制砂已成为解决天然砂短缺的重要途径之一。2019年11月，工业和信息化部、国家发展和改革委等十部门联合发布《关于推进机制砂石行业高质量发展的若干意见》，提出机制砂石行业高质量发展目标，文件提出到2025年，形成较为完善合理的机制砂石供应保障体系，产品质量符合《建设用砂：GB/T 14684—2011》［1］等有关要求。随着机制砂生产工艺剂标准的日益完善，采用机制砂制备出性能优异的混凝土，且用于实际工程的案例也越来越多［2］。然而机制砂在粒形、级配及石粉含量等方面与天然砂存在差异，使得机制砂的应用与天然砂也存在显著差异，因此，机制砂及机制砂应用问题，一直是研究热点［3-8］。文章对不同特性的机制砂进行物理性能测试，采用胶砂试验方法，分析了4批次机制砂的胶砂流动性能、力学性能及收缩性能，为机制砂更广泛的应用提供相应参考。

1 试验原材料及试验设备

1.1 原材料

水泥：华润水泥P.O42.5；标准稠度用水量27.5%；初凝时间162 min；终凝时间220 min；

机制砂：贵州产机制砂；水：符合《混凝土用水标准：JGJ63—2006》的自来水；减水剂，减缩剂：广东红墙新材料股份有限公司生产。

1.2 试验设备

⑴符合《行星式胶砂搅拌机：JC/T681—2005》标准；

⑵符合《水泥胶砂流动度测定方法：GB/T 2419—2005》要求；

⑶MASTESIZER3000干湿二合一激光粒度仪；

⑷Prisma E扫描电子显微镜；

⑸全自动水泥胶砂抗折抗压强度试验机；

⑹砂浆收缩测定仪。

2 试验方法

2.1 试验用机制砂样品制备

将机制砂中大于4.75 mm颗粒筛出，备用；试验时将机制砂摊平成圆饼形状，进行四分法取样，以确保样品均匀性。

2.2 机制砂MB值测试

进行机制砂亚甲蓝值测定时参照文献［1］和刘战鳌等人［9］的研究，为增加试验精度，试验时每次量取亚甲蓝体积由5 mL减小为2 mL，若色晕在5 min时消失，则再滴加1 mL，直至色晕可持续5 min。

2.3 机制砂流动性能测试

进行机制砂胶砂流动度试验时，根据胶砂在无振动条件下的流动扩展度大小分为2种测量方式：①流动性较好时，将截锥试模与套模置于水平放置的玻璃板上，采用1次装填试模的方式，然后取下套模，迅速提起截锥圆模，待胶砂不流动时用卡尺测量胶砂底面相互垂直的2个方向直径，取其平均值作为该用水量条件下的自由胶砂流动度；②无流动性或流动性较小（胶砂自由流动度小于150 mm）时，采用2次装填试模的方式，装填及成型过程参照文献［1］，并进行25次跳动；跳动完毕后用卡尺测量胶砂底面相互垂直的2个方向直径，取其平均值作为该用水量条件下的振动胶砂流动度。

2.4 机制砂力学性能测试

机制砂胶砂强度成型试验时，先将机制砂与水泥进行搅拌混合，然后加入水与外加剂，低速搅拌60 s，再高速搅拌90 s；根据胶砂流动度的大小采用无振动成型与振动成型2种方式。无振动成型时1次装填，进行相应插捣刮平；振动成型时采用分为2层装填的方式，装填及成型过程参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）：GB/T 17671—1999》［10］；成型后的胶砂试件置于养护箱中进行养护，24 h后拆模，拆模后的试件进行相应标记并置于水中进行相应龄期养护；依据文献［10］进行胶砂力学性能测试。

2.5 机制砂收缩性能测试

根据高礼雄等人［11］的研究，并参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准：GB/T 50082—2009》，采用立式收缩仪进行胶砂收缩测定，即将胶砂试件置于收缩测定仪中，保持试件不受其他因素干扰，进行收缩测试。

3 试验结果

3.1 机制砂物理性能

此次试验时，机制砂中粒径小于0.15 mm的颗粒称为细粉；粒径小于0.075 mm的颗粒称为石粉。

表1的数据表明，机制砂3与机制砂4的MB值高于机制砂1与机制砂2，即机制砂3与机制砂4中对外加剂吸附性物质相对较高。机制砂4的粉体含量高于机制砂3，但机制砂4中石粉占细粉的比例远低于机制砂3。机制砂2的粉体含量高于机制砂1，但2种机制砂中石粉占细粉的比例接近。由表2数据可以看出，机制砂1与机制砂3中的石粉细度相近；机制砂2与机制砂4中的石粉细度相近。

表1 4种机制砂物理性能差异Tab.1 Difference of Physical Properties of Four Kinds of Manufactured Sand

表2 4种机制砂中石粉的粒径分布Tab.2 Particle Size Distribution of Stone Powder in Four kinds of Manufactured Sand

从图1可以看出4种机制砂的石粉为多棱角颗粒，且机制砂2与机制砂4的大颗粒相比与机制砂1与机制砂3较多。机制砂1与机制砂2颗粒表面较光滑，机制砂3和机制砂4颗粒表面粗糙，存在团絮状结构。

图1 4种机制砂石粉形貌Fig.1 Morphology of Four Kinds of Manufactured Sand Powder

3.2 机制砂胶砂流动度差异

试验所用胶砂配比为，水泥450 g；机制砂1 350 g；水灰比0.52；减水剂掺量3.0%；由表3试验结果可以看出，在外加剂掺量相同的条件下，前2种机制砂的胶砂流动性明显优于后2种机制砂。这说明机制砂的MB值大于1.4后将对胶砂的流动性产生较大影响，即机制砂中存在对外加剂吸附性较强的颗粒，将引起外加剂作用效果减弱。在MB值相近的前提条件下，机制砂中细粉含量对胶砂的流动性也存在一定影响。由表3可以看出，存在较多细粉的机制砂2胶砂流动性略差于机制砂1；由表3还可以看出，机制砂3的胶砂流动性略差于机制砂4。虽然机制砂4的细粉含量相比与机制砂3较高，但石粉含量占细粉含量的比例远低于机制砂3；机制砂4的此种粒度分布引起胶砂流动性略优于机制砂3；这说明机制砂中对胶砂流动性产生重要影响的颗粒以小于0.075 mm颗粒为主。同时由表2石粉中的粒径分布数据结果可以看出，机制砂4的比表面积小于机制砂3，且Dv（90）的粒径较机制砂3大，即引起外加剂吸附的石粉相对较少，由此机制砂4的振动流动度较机制砂3大。从上述分析可以得出，相比石粉细度，MB值高的机制砂对胶砂流动度影响更大。

表3 4种机制砂胶砂流动度Tab.3 Mortar Fluidity of Four kinds of Manufactured Sand

3.3 机制砂胶砂强度差异

试验所用胶砂配比为，水泥450 g；机制砂1 350 g；水灰比0.52；外加剂掺量3.0%。试验结果表明，机制砂1与机制砂2的胶砂强度略高于机制砂3与机制砂4。图2结果表明，在抗压强度方面，对于胶砂流动性大而采用无振动成型的机制砂1与机制砂2，机制砂1胶砂强度略高于机制砂2；对于胶砂流动性差而采用振动成型的机制砂3与机制砂4，机制砂4的早期胶砂抗压强度高于机制砂3 d、28 d胶砂抗压强度相差不大。图3结果表明，在抗折强度方面，同类型胶砂成型方式的2种机制砂抗折强度相近。成型胶砂试件时，流动性好的胶砂能够自由充填试模，且试块内部结构密实，较流动性差的胶砂强度高。对于同一成型方式的2种机砂，机制砂1与机制砂2时，在石粉含量占细粉含量百分比接近的情况下，石粉比表面积较大的机制砂1胶砂强度略高。机制砂3与机制砂4比较，石粉含量占细粉含量达90%以上的机制砂3胶砂的3 d、7 d强度略低于机制砂4 d、28 d强度值相差不大。

图2 不同机制砂的胶砂抗压强度Fig.2 Compressive Strength of Mortar with Different Manufactured Sand

图3 不同机制砂的胶砂抗折强度Fig.3 Flexural Strength of Mortar with Different Manufactured Sand

4 减缩剂对胶砂收缩性能的影响

机制砂对混凝土收缩性能的影响是众多学者的研究热点，但在此方面的研究一直存在分歧［12-14］。部分专家认为石粉含量越多干燥收缩率越大，且随龄期的增长，干缩率与石粉含量之间正相关；也有学者认为干缩随石粉含量呈现先增大后减少的规律。根据文献［11］，掺入减缩剂可改善机制砂混凝土干燥收缩。本文采用胶砂试件进行相关试验，验证减缩剂对机制砂胶砂试件收缩性能的改善。试验选取细粉含量相对较高的机制砂2与机制砂4予以试验，试验结果如图4、图5所示。

图4 机制砂2：减缩剂对机制砂收缩性能的影响Fig.4 Manufactured Sand 2:Effect of Shrinkage Reducing Agent on Shrinkage Properties of Manufactured Sand Mortar

图5 机制砂4：不同掺量减缩剂时机制砂砂浆收缩性能变化曲线Fig.5 Manufactured Sand 4:Variation Curve of Shrinkage Properties of Manufactured Sand Mortar with Different Dosage of Shrinkage Reducing Agent

由图4的试验结果可以看出，掺入2%减缩剂后，机制砂2胶砂试件的收缩率降低，其中1 d、7 d、56 d收缩值降低了68%、43%、35%，即减缩剂可降低水泥胶砂试件各龄期的收缩。图5的试验结果可以看出，掺入减缩剂后，机制砂4成型的胶砂试件收缩率值降低，减缩剂掺量1%时，1 d、7 d和56 d胶砂收缩值降低了56%、40%和27%；减缩剂掺量2%时，1 d、7 d和56 d胶砂收缩值降低了75%、55%和40%，随减缩剂掺量的提高，减缩效果增加。