机制砂对混凝土拌合物性能和力学性能的影响研究

曾慧群

（佛山市联益建筑材料有限公司）

1 前言

随着我国城市化进程的快速推进，市场对建筑用砂需求急剧增加，有序开采的河砂已远远不能满足市场需。这种情况在2018 年尤其突出，尤其在基建规模较大的地区如海南、广东等地建筑用砂价格已上涨了3～5倍，很多重点工程被迫停工，一些工程用砂以次充好，埋下质量隐患,建筑用砂短缺已经严重制约了基础设施领域的有序发展。

全国政协委员霍卫平在两会中提出《大力推进机制砂代替河砂》的文案，文中提出：发展产量、质量稳定的机制砂既可解决国民经济建设中砂石骨料供需不平衡的矛盾，又能消纳建筑废物、尾矿、隧道渣等固体废物废渣，是一个绿色环保产业。建立健全发展机制砂石产业的政策体系。国家相关部门要出台相关政策，制定一系列扶持政策，地方政府要结合当地实际情况，因地制宜，共同制定机制砂石生产标准，推动机制砂产业高质量发展［1］。

机制砂是岩石在破碎时经过筛分粒径小于4.75㎜的颗粒，由于岩石种类和破碎筛分工艺的不同造成机制砂粒形以及石粉含量较河砂有很大的差异，也导致了其对混凝上性能影响也与天然砂存在巨大差异。把机制砂与天然砂进行对比，明显可以发现机制砂的粒形相对粗糙，级配不如天然砂好，这些都会导致其在泵送混凝土时流动性不强，再者机制砂当中还含有不少比例的石粉，这也会让泵送混凝土具有更大的粘性，导致坍落度下降、坍损过大等问题发生［2］。

2 原材料和试验方法

2.1 主要原材料

水泥：华润P.Ⅱ42.5R，主要性能指标见表1。

表1 水泥主要性能指标

矿粉：唐山S95 矿粉，主要性能指标见表2。

表2 矿粉主要性能指标

粉煤灰：珠江电厂F 类Ⅱ级粉煤灰，主要性能指标见表3。

表3 粉煤灰主要性能指标

外加剂：聚羧酸外加剂。

水：自来水。

机制砂：主要性能指标见表4。

河砂：东江中砂主要性能见表4。

根据国标GB/T 14684-2011《建筑用砂》，从表4 可以看出机制砂MB 值为0.3，表明机制砂中底盘主要是石粉。从图1 中可以看出河砂级配曲线在2 区范围内，当筛孔粒径大于等于1.18mm 时，曲线斜率较小，当筛孔粒径小于1.18mm 时，曲线斜率明显增大，说明河砂中细颗粒较多。机制砂级配曲线中2.36mm 和0.15mm 筛均超过2 区曲线，当筛孔粒径大于等于1.18mm 时，曲线斜率不断增大，当粒径大于1.18mm 小于0.3mm 时，曲线斜率减小，当粒径大于0.3mm 时，斜率又增大，说明机制砂级配中间区域占整体比较少，两边较大占比较大。表中看出机制砂底盘和0.15mm 筛分计筛余率之和为29.5%远大于河砂的16.2%。

表4 机制砂和河砂主要性能指标

图1 机制砂和河砂筛分曲线

2.2 试验方法

本实验在C30 混凝土配合比基础上，通过改变机制砂对河砂的替代率来研究机制砂对C30 混凝土的工作性能和力学性能的的影响，从而研究机制砂在混凝土中最佳替代率。试验配合比见表5。

3 试验结果分析

不同替代率下C30 混凝土各项物理性能以及抗压强度数据对比见表6。本文试验方法参考GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》、GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》。

表5 试验配合比

⑴从图3、4 可以看出随着机制砂掺量不断提高，混凝土初始坍落度和扩展度不断减小，1.5h 的坍落度和扩张度损失也成不断增大的趋势。这是由于机制砂颗粒多棱角，流动阻力大，要达到相同的流动性需要较多的浆体润滑，机制砂颗粒粗糙的表面特性也增加了对用水量和浆体的需求。尤其机制砂底盘和0.15mm 筛筛余总共占机制砂质量29.5%，远大于规范要求15%。石粉含量的增大一方面弥补了机制砂表面粗糙的缺点，有利于减少机制砂与碎石之间的摩擦，改善混凝土拌和物的和易性。但当石粉含量增加过多，由于石粉的表面积远大于机制砂的表面积，必然会使包裹其用水量增加，当用水量不足时，它的引入会增加浆体的粘滞性，从而使混凝土拌和物的粘聚性增加，降低混凝土拌和物的坍落度和扩展度［3］。

⑵从表6 可以看出随着机制砂掺量不断增大，混凝土表观密度不断增大。从表中可以看出机制砂表观密度较河砂略大，又由于机制砂中底粉较多，同体积下石粉可以更好的填充于混凝土间隙中，从而使混凝土更加密实，提高其表观密度。

表6 试验结果

图2 不同替代率下混凝土抗压强度

图3 不同替代率下混凝土坍落度

图4 不同替代率下混凝土扩展度

⑶从图2 可以看出，当机制砂掺量不大于70%，混凝土抗压强度强度曲线斜率不断增大，表明混凝土强度不断地增长，当掺量大于70%时曲线趋于平缓，强度增长效果不明显。这是因为机制砂中的石粉在水泥水化刚开始时，和水泥水化产生的Ca(OH)2和C－S－H 发生了晶核反应，使其中的熟料矿物水化，对其早期混凝土强度有所改善。同时机制砂中的石粉，还可以对水泥颗粒堆积密度进行一定的改进，使硬化浆体以及界面过渡区的密实度变得更高，让机制砂混凝土的强度得到大幅度提升[4］。

4 结论

⑴当掺入机制砂时由于机制砂中石粉含量较高，为确保混凝土良好的工作性，在不改变用水量的前提下，势必会增加混凝土外加剂的掺量。

⑵当机制砂掺量超过70%时，对混凝土强度的增长影响不大，反而会严重影响混凝土的工作性。

⑶机制砂的掺入会在一定程度增大混凝土表观密度，可通过其他方法减小混凝土表观密度，从而不影响混凝土正常泵送。●