机制砂细度模数对水泥基材料工作性和强度的影响

■钟 波 ■同济大学材料科学与工程学院，上海 200092

我国天然河砂资源分布不均、数量有限，多年基础建设使得作为原材料之一的天然河砂供应已无法完全满足需求，全国多个省市局部地区无砂可用。山砂、海砂越来越多作为河砂的替代品，但山砂资源有限、含泥量大，难以长期满足大规模生产和质量控制需要;海砂氯离子含量高，净化工艺复杂，制备成本高，应用范围受到严格限制;而机制砂来源广泛、制备工艺简单，受到混凝土行业的高度关注［1-2］。

随着国家和地方对河砂“禁采”、“限采”政策的实施，混凝土行业采用机制砂替代天然河砂制备混凝土将成为必然趋势。由于机制砂混凝土本身在力学性能、收缩与抗裂性以及耐久性能方面，能够达到甚至超过天然砂混凝土的水平，已经广泛应用于国家大型混凝土工程，比如三峡工程大坝及围堰、黄河小浪底工程大坝、渝怀铁路金洞隧道、旗号岭隧道等［3］。因此使用机制砂在更多领域更大规模上更广泛地区应用将成为必然趋势。

目前国内企业生产的机制砂表面粗糙，级配不完全合理，细度模数偏大。多数企业为减少机械磨损，降低生产成本，生产的机制砂细度模数多为3.1 以上(粗砂)，而配制混凝土细度模数最好是2.5～3.0 范围。另外，机制砂的级配区最好为II 区，各级筛余一定要符合标准要求，但有的企业根本不认识或重视此指标，使机制砂的优势无法体现，在人们对机制砂认识的初级阶段，机制砂企业自己给自己造成了阻力。本文针对江西本地砂源，与赣江河砂对比，研究机制砂细度模数对水泥砂浆工作性和混凝土工作性及强度的影响规律，为本地区机制砂的生产和应用提供技术支撑。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

水泥:江西海螺水泥股份有限公司生产的P·O42.5 级水泥，比表面积为378m2/kg;粉煤灰:江西某电厂二级粉煤灰，45μm 筛余18.6%，需水量比为100%，密度是2.52kg/m3;矿粉:新余钢铁厂冶炼生铁时排放的粒化高炉矿渣，密度为2.86g/cm3，比表面积430m2/kg，28d 活性指数97%，流动度比100%;粗骨料:试验用粗集料是高安5～31.5mm连续级配碎石，表观密度为2710kg/m3，堆积密度为1560kg/m3，空隙率为42.5%，压碎值为7.6%;细骨料:河砂为赣江中砂，细度模数2.6，机制砂为萍乡和乐平的两厂家生产，均为碎石破碎筛分而成，其中萍乡机制砂为花岗岩机制砂，编号为PX，乐平机制砂为石灰岩机制砂，编号为LP，细度模数2.9，针片状含量6.0%，细骨料的主要性能指标见表1;外加剂:江西迪特公司生产的聚羧酸系缓凝高效减水剂，减水剂含固量为7.50%，掺量1.8%时减水率20%。

表1 细骨料的主要性能指标

1.2 试验方法

(1)试验配合比见表2。

表2 机制砂混凝土配合比

(2)机制砂砂浆工作性按照《混凝土外加剂应用规范》(GB 50119-2013)国家标准执行。

(3)机制砂混凝土工作性的测定方法。按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2002)规定的坍落度法测试混凝土拌合物的工作性。

(4)机制砂混凝土力学性能的测定方法。试件尺寸采用150mm 的立方体试件，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)进行测试。

2 试验结果与分析

不同于天然砂适合泵送混凝土的的细度模数为2.3～3.0，机制砂普遍较粗，选取细度模数2.6～3.5 进行相关试验分析。试验选用萍乡机制砂PX1-PX8，细度模数从3.5～2.5，试验过程中除机制砂细度模数变化外，其余各参数(石粉含量、针片状含量)大致相同，研究细度模数对水泥砂浆和混凝土流动性、强度的影响。

2.1 机制砂细度模数对砂浆工作性的影响

参照GB50119-2013《混凝土外加剂应用技术规程》中的混凝土外加剂相容性快速试验方法，在C30、C60 混凝土原有配合比的基础上，降低0.02 的水胶比，去除粗骨料，配制成水泥砂浆，研究不同细度模数机制砂对水泥砂浆扩展度的影响，试验结果见表3 和图1、图2。

表3 不同细度模数机制砂对水泥砂浆扩展度的影响

图1 细度模数对S30 砂浆扩展度的影响

图2 细度模数对S60 砂浆扩展度的影响

从表3 和图1、图2 可以看出，随着细度模数的减小，S30 和S60 砂浆的初始、30min、60min 扩展度均呈现先增大后降低的趋势。这是因为细度模数大时，粗骨料多，砂浆易表现出轻微离析、泌水、骨料堆积等现象，因此扩展度相对小;当细度模数较小时，细颗粒较多，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。总体来说，细度模数对机制砂砂浆的扩展度影响不大，细度模数在2.8～3.0 范围内，砂浆扩展度较好。另外可以看出，S30 砂浆和S60 砂浆的30min 扩展度＞60min 扩展度＞初始扩展度。这和天然砂的规律是一致的。

2.2 机制砂细度模数对C30 混凝土工作性和强度的影响

研究机制砂细度模数在3.5～2.6 时，不同细度模数机制砂对C30混凝土性能的影响，按照C30 混凝土设计配合比进行试配，试验结果见表4 和图3、图4。

表4 不同细度模数机制砂对C30 混凝土性能的影响

从表4 和图3 可以看出，随着细度模数的减小，C30 混凝土的坍落度和扩展度均先增大后降低，混凝土泌水率先降低后小幅度增长，当细度模数在2.8～3.0 时，混凝土拌合物外观良好，具有良好的粘聚性，泌水率较低，混凝土工作性能最好。当细度模数大于3.0 时，机制砂中的粗颗粒较多，细颗粒较少，混凝土有点离析，粘聚性一般，泌水率略大，整体工作性能一般;而细度模数低于2.8 时，机制砂中细颗粒多，骨料比表面积增大，需要更多的浆体来包裹，此时混凝土的流动性略差，拌合物略粘，泌水率较低，混凝土工作性能也一般。

图3 细度模数对混凝土工作性能的影响

图4 细度模数对混凝土强度的影响

从表4 和图4 可以看出，混凝土各龄期抗压强度均随着细度模数的减小而呈现先小幅度增大后小幅度降低的规律，总体增减幅度不大。当细度模数在2.8～3.0 时，混凝土抗压强度较高。此时机制砂的颗粒级配良好，粗颗粒与细颗粒比例较好，骨料颗粒空隙率小，混凝土的抗压强度高。

2.3 机制砂细度模数对C60 混凝土工作性和强度的影响

研究机制砂细度模数在3.5～2.6 时，不同细度模数机制砂对C60混凝土性能的影响，按照C60 混凝土设计配合比进行试配，试验结果见表5 和图5、图6。

表5 不同细度模数机制砂对C60 混凝土性能的影响

从表5 和图5、图6 可以看出，随着细度模数的减小，C60 混凝土的坍落度和扩展度均先增大后降低，混凝土7d、28d 抗压强度也是先增大后降低，总体来说，细度模数对坍落度、扩展度和各龄期抗压强度的影响不大，细度模数在2.8～3.0 时，混凝土性能最好。

图5 细度模数对混凝土工作性能的影响

图6 细度模数对混凝土强度的影响

3 结论

(1)研究表明细度模数仅是表征砂的粗细程度的宏观指标，无法反映颗粒级配的真实情况，不能作为判断砂品质好坏的衡量指标，颗粒级配是反映机制砂基本属性最内在的因素。在确定砂的颗粒级配满足GB/T 14684-2011《建设用砂》2 区机制砂级配要求外，建议控制机制砂细度模数在2.8～3.0 左右。

(2)总体来说，细度模数对C60 混凝土性能的影响与对C30 混凝土性能的影响规律相当，但整体影响不大，最佳细度模数均在2.8～3.0。

［1］余良君.混合砂代替天然中砂在混凝土中的应用研究［J］.福建建材，2006(4):18-19.

［2］王稷良.机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究［D］.武汉理工大学博士学位论文，2008.

［3］陈炳祥，王震.长大隧道远距离泵送机制砂混凝土施工技术研究［J］.现代隧道技术，2014，41(3):22-26.