建筑用砂对胶砂性能增强效果的影响研究

杨瑞环 谢正奋

（广东省梅州市质量计量监督检测所）

0 前言

我国大多数地区，建筑用砂都是天然砂。随着基本建设的日益发展，不少地区出现优质天然砂资源逐步减少、甚至无天然砂的情况[1]。建筑用砂供需矛盾日渐突出，导致天然砂市场供应不足，且天然砂的质量越来越差，出现含泥量大、质量不稳定等问题，给混凝土的配合比设计、质量和成本控制等工作带来诸多难题。因此积极解决建筑用砂问题，对混凝土企业十分重要。

建筑用砂通常包括机制砂、石英砂和河砂。机制砂是通过制砂机和其它附属设备加工而成的砂子，成品更加规则，可以根据不同工艺要求加工成不同规则和大小的砂子，其物理化学性质与母岩性质相同[2]，对胶砂性能的影响有利有弊。石英砂是石英石经破碎加工而成的石英颗粒。石英石是一种非金属矿物质，是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是SiO2[3-5]。河砂[6-7]是河水中自然石经河水的冲击和侵蚀而形成的有一定质量标准的建筑材料。

本试验通过对9 组水泥胶砂和1 组标准水泥胶砂进行强度试验，试验结果采用正交试验[8]分析法来分析建筑用砂种类、掺量对水泥胶砂强度增强效果的影响。

1 试验

1.1 试验原料

⑴水泥：P·O42.5R，密度为3.17㎏/m3。性能指标均符合GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》标准。

⑵机制砂：细度模数Mx=2.7，石粉含量Q=3.5%，颗粒级配见表1。

⑶石英砂：40～200 目，颗粒级配见表1。

⑷河砂：细度模数Mx=2.9，含泥量Q=2.5%，颗粒级配见表1。

表1 建筑用砂颗粒级配

⑸标准砂：中国ISO 标准砂。

⑹水：普通自来水。

1.2 配合比设计

为全面考察建筑用砂对水泥胶砂强度增强效果的影响，本试验的试验结果采用正交试验分析法进行分析。本试验考虑2 种因素：①建筑用砂的种类：机制砂、石英砂和河砂三个水平；②建筑用砂的掺量：建筑用砂取代标准砂的25%、50%和75%三个水平。试验方案及结果见表2。

表2 水泥胶砂强度的试验方案及结果

1.3 性能测试

测试方法：采用40mm×40mm×160mm 成型试件，竖直放在20℃±1℃水中养护28d，在300kN 抗压抗折一体机上进行抗压强度的测试。

2 结果及分析

2.1 强度测试值

试验测得10 组水泥胶砂的强度值如表2 所示。

2.2 试验结果分析

石英砂有明显的降低作用，而河砂则影响不大。当建筑用砂掺量为25%、50%和75%时，水泥胶砂1d 强度的平均值比纯标准砂时分别提高-3.3%、-7.3%和-12.4%；水泥胶砂3d 强度的平均值比纯标准砂时分别提高0.9%、-3.7%和-8.6%；水泥胶砂7d 强度的平均值比纯标准砂时分别提高-3.0%、-11.6%和-17.8%。说明建筑用砂取代量越大，对水泥胶砂强度的增强效果影响越大。

利用正交试验直观分析法分析各因素对水泥胶砂强度增强效果的影响，该影响主要通过极差值的大小进行判断。极差就是平均效果中的最大值与最小值之差，极差越大，表明该因素对试验指标的影响越大。直观分析计算结果见表3。表3 中Kˉ1、Kˉ2和Kˉ3表示各因素取水平1、2、3 时对应的试验结果之和的平均值。

表3 正交试验结果的直观分析

2.3 影响因素水平分析及讨论

由表2 和表3 可以看出，各因素对水泥胶砂各龄期强度增强效果的影响程度是一致的，均为建筑用砂种类＞建筑用砂掺量。表3 中当机制砂、石英砂和河砂分别取代标准砂时，水泥胶砂1d 强度的平均值比纯标准砂时分别提高11.6%、-29.7%和-4.9%；水泥胶砂3d 强度的平均值比纯标准砂时分别提高16.7%、-29.7%和1.5%；水泥胶砂7d 强度的平均值比纯标准砂时分别提高3.7%、-35.0%和-1.2%。说明三种建筑用砂中，机制砂对水泥胶砂强度有明显的增强作用，尤其是早期强度；

根据表2 和表3 中样品的强度结果值，做强度随建筑用砂种类变化曲线图1，强度随建筑用砂掺量变化曲线图2。

由图1 看出，水泥胶砂强度随着建筑用砂种类的不同而不同。其中机制砂的胶砂强度最高，相比于标准砂，有增强效果。原因可能是：①机制砂由机轧石子破碎而成，外表新鲜，棱角尖锐，彼此间的咬合度高；②机制砂是属于石灰石质，机制砂中的石粉具有活性，能够与水泥胶凝材料发生二次水化反应，提高胶砂强度；但是由于其活性不大，故早期强度提高比较显著。石英砂的胶砂强度明显最低，大幅度降低了标准砂的水泥胶砂强度，原因可能是：石英砂太细，粒径集中在600μm 以下，比表面积大，故相同质量的建筑用砂所需的用水量就显著增加。而本试验中的配合比相同，即用水量不变，故导致用于水泥水化产生强度的胶凝材料所需的这部分水量不够，因而强度不能完全发挥出来，导致强度大幅度降低。河砂的胶砂强度与标准砂的相比，有略微的降低。降低的原因可能是：河砂中的含泥量需水量大，且一定程度上破坏了胶凝材料的界面，但是整体上影响不大。因此对于建筑用砂种类，其增强效果的影响为：机制砂＞河砂＞石英砂。

图1 强度随建筑用砂种类变化情况图

由图2 得出，随着建筑用砂掺量的增加，水泥胶砂的强度呈现下降趋势，尤其是7d 强度表现最为明显。说明建筑用砂掺量越大，对水泥胶砂强度增强效果影响越大。原因可能是：建筑用砂的细粉、杂质较多。⑴这些因素会增加需水量，当掺入到一定量时，就会影响到水泥水化所需的用水量，导致水泥水化不完全，强度发挥不出来。当掺量越大时，这种影响越大；⑵杂质可能破坏水化产物的界面，导致界面黏性降低，从而降低强度。掺量越大，杂质越多，破坏越严重，从而强度越低。因此，对于建筑用砂掺量，其增强效果的影响为：25%＞50%＞75%。

3 结论

⑴在建筑用砂种类和建筑用砂掺量两个因素中，影响水泥胶砂强度增强效果的主要因素是建筑用砂种类。

⑵本试验中机制砂增强水泥胶砂强度，石英砂降低，而河砂影响不大。

⑶水泥胶砂强度随着建筑用砂掺量的增加，呈现降低趋势。

⑷机制砂对水泥胶砂的早期强度有明显的增强作用。