机制砂细度模数对水泥基材料流动性和强度的影响研究*

刘运华，刘江红，曾建聪，龙广成

（1郴州市建设工程质量安全监督管理站 湖南郴州 423000;

2中南大学土木建筑学院，湖南长沙 410075）

0 引言

随着我国经济建设的迅速发展，作为主要建筑原材料之一的天然砂等骨料逐渐减少，甚至有些地方的天然砂资源呈现枯竭状况，亟需加强人工机制砂的开发与应用技术研究。

机制砂与天然砂相比，其表面粗糙、多棱角，为了改善其品质，常需包含一部分粒径较小的细颗粒（小于0.15mm颗粒），另外还需选择合适的颗粒组成。虽然有关机制砂混凝土的相关研究已有较多报道，其在水泥砂浆、混凝土中的应用也已有较长的时间，而且在一些应用机制砂较早的地区也出台了机制砂及其在水泥混凝土中应用的相关技术标准，但由于机制砂技术参数的影响因素较多，包括母岩材质、生产工艺设备等，特别是机制砂还具有较为显著的地方特色，不同地区机制砂的应用技术现状还参差不齐。因此，有必要进一步结合地方特色，就机制砂水泥混凝土相关技术开展研究。

湖南郴州地区具有丰富的石灰石资源，且天然砂较为缺乏，本文利用石灰石碎石生产过程留下的废弃颗粒开发出机制砂，结合计算机技术，适配出不同细度模数的机制砂，并通过试验研究所生产机制砂细度模数对水泥砂浆、混凝土流动性、强度的影响规律，为该地区机制砂在混凝土中的应用提供技术支持。

1 不同细度模数机制砂的适配

为研究细度模数对水泥胶砂和混凝土工作性能的影响，采用方孔筛，将生产得到的机制砂分级过筛，得到单一粒径的砂子，按照建筑用砂国家标准（GB/T14684-2001）中的要求，编制相应的MATLAB程序，由程序控制选用不同细度模数的机制砂时各单一粒径砂子的比例。同时，本文总结对比分析不同学者对机制砂中石粉含量的控制要求，将小于0.15mm粒径的细粉定义为石粉，统一调配各细度模数的机制砂中石粉含量均为6%。通过MATLAB程序控制，分别得到细度模数为2.1、2.5、2.9、3.2、3.6时的各级配粒径比例，如表1所示。

2 试验简介

2.1 原材料

采用郴州良田镇玉山牌P.O 42.5水泥和P.C 32.5硅酸盐水泥，其中水泥胶砂使用P.O 42.5水泥，配制C30混凝土时用P.C 32.5普通水泥。石灰石碎石作为粗骨料，由郴州市中大新型建材厂生产，粒径为5～31.5mm连续级配碎石。机制砂由郴州市中大新型建材厂生产，由石灰石岩尾矿破碎而成，其单粒级颗粒的压碎指标如表2所示。拌合物为自来水。

表2 机制砂单粒级的压碎指标测试结果

2.2 试验设计

试验设计了水泥砂浆和混凝土两系列配比，砂浆按照水泥胶砂试验设计试验，混凝土设计强度等级为C30，试验配比如表3和表4所示。

表3 水泥胶砂配合比 g

表4 机制砂混凝土配合比 kg/m3

水泥胶砂流动度测试采用跳桌试验方法，抗折、抗压强度按GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》规定的方法进行，试件尺寸为40mm×40mm×160mm。新拌混凝土的工作性能通过测试坍落度、观察粘聚性等分析；混凝土抗压强度试验按GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定进行测试，采用150mm×150mm×150mm试件。

3 试验结果与分析

3.1 细度模数对胶砂工作性能的影响

机制砂细度模数对水泥胶砂工作性能影响的实验结果如表5所示，从表5中的结果可以看出，在所调查范围内，随着机制砂细度模数的增大，水泥胶砂流动度呈现先增加后又减少的趋势变化，拌合物外观粘聚性也是呈现由差变好再变差的趋势。其中当细度模数为2.1时，拌合物显干涩，难以成型，流动性差；细度模数为2.5和3.6时，砂浆拌合物流动性有所好转；细度模数为2.9和3.2时，水泥胶砂流动度同标准砂相当。这主要原因是当细度模数较低时，粒径较小的颗粒比例较大，颗粒表面吸附的水增加，从而使浆体流动性变差；细度模数增加至一定程度，大小不同颗粒互相搭配，相互填充空隙，颗粒表面吸附的水量适中，颗粒堆积效应能起到减少空隙，使体系中有更多的自由水，因而浆体拌合物流动性增加。

表5 机制砂细度模数对水泥胶砂工作性能的影响

3.2 细度模数对胶砂强度的影响

图1是用五种细度模数机制砂制作成的水泥胶砂不同龄期时的抗压、抗折强度测试结果。从图1中的结果可知，就抗折强度而言，在所制作的6组试件中，采用标准砂制作的砂浆试件在各龄期下的抗折强度最小，随着机制砂细度模数的增加，砂浆试件的抗折、抗压强度呈现增加的趋势，当机制砂细度模数增加至2.9以后，砂浆抗折强度随机制砂细度模数增大而不再显著增加；对于抗压强度，细度模数为2.1的机制砂砂浆强度值最低，细度模数为2.5的机制砂砂浆与标准砂砂浆强度值基本相似，机制砂细度模数增加，对应砂浆抗压强度值进一步呈现增加趋势。分析其原因表明，机制砂细度模数较小时，从表1中可知，其颗粒主要由0.3～0.6mm的细颗粒组成；随着其细度模数增加，大于0.6mm的颗粒含量增加，砂在砂浆体系中骨架作用增强，骨料相互之间的机械咬合力较大。砂浆工作性和强度测试结果表明，机制砂细度模数在2.9～3.2之间，其制作的砂浆性能最优。

3.3 细度模数对混凝土工作性的影响

以C30混凝土为基础，设计了不同细度模数的混凝土，试验过程中除机制砂细度模数变化外，其余各参数均保持不变，试验所得5组不同细度模数机制砂混凝土的工作性结果如表6所示，试验测试了拌合物的坍落度，并观察了拌合物的粘聚性、保水性等。

从表6中的结果可知，当机制砂细度模数为2.1时，拌合物几乎无坍落度，拌合物显干涩、流动性极差；随着机制砂细度模数的增加，拌合物的坍落度逐渐增加，当机制砂细度模数在2.9～3.2时，拌合物的坍落度最大，且拌合物外观良好，具有良好的粘聚性；而机制砂细度模数进一步增加，拌合物的坍落度呈下降趋势。显然，混凝土拌合物的工作性与浆体性质、骨料性质以及浆体与骨料的相对体积含量有关，当其他条件保持不变，细骨料（砂子）的性质对拌合物的工作性存在重要影响，砂子细度模数反映其组成颗粒的整体粗细程度，影响骨料颗粒的比表面积和骨架体系的堆积空隙率。合适的骨料比表面积和较低的骨架体系的堆积空隙率，需要填充空隙和包裹骨料表面的浆体数量就少，相同条件下骨料表面有更多的浆体，润滑作用增强，对于机制砂而言，其表面棱角多，表面摩擦力较大，细度模数适中的机制砂，越有利于改善拌合物的工作性。

表6 细度模数对机制砂混凝土工作性能的影响

3.4 细度模数对混凝土强度的影响

不同细度模数机制砂配制的混凝土的抗压强度测试结果如图2所示。

从图2中的结果可知，在试验所测范围内，不同细度模数的混凝土抗压强度随龄期变化呈现一致的增加趋势；然而，采用不同细度模数机制砂配制的混凝土，其抗压强度值并不相同，细度模数最小的机制砂混凝土的抗压强度最低，随着机制砂细度模数增加，所配制的混凝土的抗压强度值也随之有一定程度的增大，这与砂浆试件呈现相似的规律。

4 结论

为解决一些地区建筑原材料日益短缺的难题，促进机制砂在混凝土中应用技术发展，论文对湖南郴州地区石灰石开采过程中废弃的尾屑加工制备成机制砂，基于机制砂细度模数对水泥砂浆、混凝土工作性和强度的影响试验研究，可得到如下结论：

（1）机制砂细度模数对水泥砂浆、混凝土的工作性和强度均存在显著的影响，随着机制砂细度模数的适当增加，胶砂、混凝土的工作性和强度均得到不同程度的提高。采用合适细度模数机制砂制作水泥胶砂，其胶砂流动度和胶砂试件的抗压、抗折强度可与标准砂胶砂试件的相媲美。

（2）为了使得水泥砂浆、混凝土具有良好的工作性和合适的力学强度，机制砂的细度模数宜选择在2.9～3.2之间。

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