机制砂棱角性和级配关系研究

伍 川

(中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610000)

1 引 言

目前国内关于机制砂在混凝土中应用的研究已有很多，相关研究表明，随着高性能减水剂技术及粉煤灰等掺和料在混凝土中应用技术的发展，当机制砂中的石粉含量在合理范围内(约7%～10%)时，配制出的高标号混凝土工作性能、力学性能、耐久性能均满足要求。但目前机制砂的应用仍主要局限于中低标号混凝土中，在高标号混凝土中应用很少，且多与天然砂混合使用。

机制砂代替河砂作为细集料配制混凝土，除机制砂中石粉对混凝土性能有明显影响外，机制砂棱角性较强、级配偏粗也是影响混凝土性能的重要因素。而目前关于机制砂棱角性、级配对混凝土性能影响的研究尚少，有研究通过配制不同强度等级混凝土拌合物工作性试验，确定了一个机制砂全级配标准，该全级配从满足混凝土工作性能角度出发，将Ⅰ、Ⅱ区混合。细集料级配显著影响混凝土工作性能，因此在设计混凝土配合比时必需细集料的细度模数，砂越细(细度模数越小)，提高混凝土工作性的细颗粒越多，通过0.3 mm、0.15 mm筛的砂对于混凝土的工作性、抹面和泌水较重要，因此，需要足够的细集料维持良好的黏聚性和塑性。对于河砂混凝土，要求通过0.3 mm至少应达到15%，而通过0.15 mm大于3%；对于高性能混凝土，由于胶凝材料用量较大，拌合物中有保持足够黏度的细粉料(矿物掺和料)，故砂中粉细料应尽量少，最好的砂要求0.6 mm筛的累计筛余大于70%，0.3 mm筛的累计筛余为85%～95%，而0.15 mm筛的累计筛余大于98%。也有研究表明，砂的细度模数约等于3.0时，混凝土工作性最好，抗压强度最高。为规范和推广机制砂在高标号凝土中的应用，研究机制砂棱角性、级配对混凝土性能的影响具有重要意义。

2 机制砂棱角性研究

2.1 细集料棱角性试验方法

(1)美国标准细集料棱角性试验方法

美国战略公路研究计划(SHRP)研究中强调细集料棱角性指标的重要性，提出了标准的试验方法—AASHTO TP33(“细集料未压实空隙率方法”)。该法将干燥的细集料试样通过一个标准漏斗漏入一个经标定的圆筒，以细集料的空隙率反映棱角性，空隙率越大，意味着细集料的内摩擦角越大、表面构造越粗糙。

在AASHTO TP33方法中，规定了三种测定棱角性的试验方法。

A方法：有下列级配组成：2.36～1.18 mm 44 g、1.18～0.60 mm 57 g、0.60～0.30 mm 72 g、0.30～0.15 mm 17 g。试样质量合计190 g，按照上述质量混合在一起进行空隙率的测定。

B方法：试样是用2.36～1.18 mm、1.18～0.60 mm、0.60～0.30mm 三组试样分别取190 g进行试验，棱角性由三个空隙率的平均值表示。

C方法：取190 g经4.75 mm筛过筛的试样进行试验。该方法所用试样不需预先用水清洗。

(2)法国标准细集料棱角性试验方法

法国AFNOR NF P 18-564/1981采用了细集料的流值试验评价其棱角性。该方法是将过筛后的1 000 g干燥集料通过一个标准漏斗，漏入一个圆筒，以细集料的流出时间作为其棱角性评价指标。漏斗流出孔有12 mm和16 mm两种，并按照最大粒径的不同分别选择2.36 mm或4.75 mm的标准筛过筛。

(3)我国标准细集料棱角性试验方法

我国现行《公路工程集料试验规程》(JTJ058-2000)中关于细集料棱角性的评定有细集料棱角性试验(间隙率法)(T0344-2000)和细集料棱角性试验(流动时间法)(T0345-2005)两种方法。

细集料棱角性试验(间隙率法)(T0344-2000)，按照最大粒径的不同选择2.36 mm或4.75 mm的标准筛过筛，除去大于最大粒径的部分，然后将细集料清洗后用0.075 mm筛过筛，取筛上部分按AASHTO TP33法中C组试样的方法进行试验。T0344与C法类似，不同的是T0344要求清洗掉0.075 mm以下的部分。我国相关规范中没有关于未压实空隙率的技术要求。

细集料棱角性试验(流动时间法)(T0345-2005)，试验方法与法国AFNOR NF P 18-564/1981的方法相近，不同是的T0345-2005为按照一定体积取样，而AFNORNF P 18-564/1981为按照一定质量取样。

本试验采用细集料棱角性试验(流动时间法)(T0345-2005)，分粒径测定机制砂棱角性时采用Φ12 mm漏斗。

2.2 试验材料及试验方案

为对比不同岩性机制砂棱角性，本试验选取河砂、石灰岩机制砂、花岗岩机制砂、玄武岩机制砂四种细集料。试验步骤如下。

(1)对四种细集料进行水洗，洗去0.075 mm以下粉料；

(2)对四种细集料进行筛分，保留0.075～4.75 mm粒径；

(3)测定四种细集料各档粒径下(0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm)表观密度；

(4)流动时间法测定各档粒径下细集料棱角性。

2.3 不同粒径机制砂棱角性

各粒径下河砂、石灰岩机制砂、花岗岩机制砂、玄武岩机制砂表观密度及棱角性试验结果如表1、图1所示。

表1 不同粒径机制砂棱角性

由图1可以看出，集料粒径在0.6～2.36 mm之间时，四种岩性细集料流动时间随粒径减小而缩短，棱角性减弱，而粒径在0.15～0.3 mm之间时，四种岩性细集料流动时间都略有增加，棱角性增强。

同粒径不同岩性的细集料相比，河砂流动时间明显低于三种机制砂，棱角性最弱；粒径在0.6～2.36 mm之间时，流动时间由高到低依次为玄武岩机制砂、石灰岩机制砂、花岗岩机制砂，粒径在0.15～0.6 mm之间时，三种机制砂的棱角性相差很小。

图1 不同粒径下集料棱角性示意图

3 机制砂棱角性和级配的关系

3.1 试验方案

对四种集料由细到粗组合成六组级配，其中细砂2组、中砂2组、粗砂2组，测定各组级配下细集料的流动时间，选用Φ16 mm漏斗。各档集料累计筛余和级配曲线如表2、表3、图2。

表2 累计筛余/%

表3 分计筛余/%

图2 级配曲线

3.2 不同级配细集料棱角性

不同级配下四种细集料流动时间如图3所示，由图可以看由细到粗的六种级配下，河砂的流动时间均明显低于机制砂。河砂、石灰岩机制砂、花岗岩机制砂流动时间随级配变粗，呈现先减小后增大的趋势，即棱角性随级配变粗先减弱后增强。其中河砂、石灰岩机制砂的流动时间最小值在中砂范围内，花岗岩最小值在细砂范围内。玄武岩机制砂流动时间随级配变粗呈增大趋势，即级配越粗玄武岩机制砂棱角性越强。

图3 不同级配细集料棱角性

相同级配下不同岩性细集料流动时间如图4所示，由图可以看出，6种级配下河砂流动时间最短；当细集料级配在中砂范围内时，三种岩性机制砂棱角性比较接近；当细集料级配在粗砂范围内时，棱角性由强到弱依次为玄武岩机制砂、花岗岩机制砂、石灰岩机制砂；当细集料级配较细时，石灰岩机制砂棱角性最强，花岗岩机制砂和玄武岩机制砂棱角性接近。

图4 不同岩性细集料流动时间

4 结 论

(1)级配越粗玄武岩机制砂棱角性越强。

(2)当细集料级配在粗砂范围内时，棱角性由强到弱依次为玄武岩机制砂、花岗岩机制砂、石灰岩机制砂；当细集料级配较细时，石灰岩机制砂棱角性最强，花岗岩机制砂和玄武岩机制砂棱角性接近。