卵石、石灰岩机制砂对水泥胶砂流动度和强度影响

郑孙博, 陈嘉健*,夏 勇, 周 敏, 杨腾宇, 舒本安

(1.佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院,广东 佛山 528000；2.佛山市交通科技有限公司,广东 佛山 528000)

0 引 言

随着我国大规模进行基础设施建设，天然砂在很多地区已近枯竭，又因常年的乱采乱挖，造成了严重的自然生态破坏，与十九大报告提出的“建设美丽中国让青山绿水变成金山银山”相违背。在这种大背景下，中国正快速进入使用机制砂代替天然砂进行工程建设的新时期[1-2]。机制砂系岩石经专门机械破碎筛分制成，因而有着自身的特性。与天然砂相比，机制砂具有表面粗糙多孔、有尖锐的棱角、粘结性能良好等特点[3-5]。机制砂的母岩品种、坚固性、吸水性、颗粒形状、级配以及石粉掺量等对砂浆和混凝土性能产生很大影响。卵石和石灰岩的质量较好且分布广泛，常用于制备机制砂，该机制砂已经获得众多学者的持续研究。李凤兰等研究表明卵石机制砂的石粉掺量控制在13%以内时可满足混凝土拌合物的工作性能和现行规范对混凝土基本力学性能的要求[6]；W.G.Shen教授在研究中表明机制砂中的石粉可以提高水泥浆体包裹骨料的能力，减小孔隙，使混凝土结构致密化[7]；汤晴教授的研究表明，随混凝土强度等级提高，凝灰岩机制砂混凝土抗压强度明显低于石灰岩机制砂抗压强度[8]；W.G.Shen教授在研究中表明机制砂颗粒形状和表面纹理对机制砂混凝土性能的影响小于石粉、粘土块含量和颗粒级配对其性能的影响[9]。

此前的研究表明，石粉掺量对机制砂性能起着十分关键的作用[10-13]。D.M.Malhotra研究表明机制砂石粉掺量为7%时混凝土抗压强度优于河砂[14]；V.L.Bonavetti研究表明在机制砂中加入10%～15%的石粉不会对混凝土的物理力学性能产生有害影响[15]。

1 试验材料及方法

1.1 试验原材料

1)水泥：中国广州石井水泥公司石井牌P.O42.5R级普通硅酸盐水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求，主要性能指标见表1。

表1 试用水泥主要性能指标Table 1 Main performance index of cement in trial

2)细骨料：佛山本地石灰岩机制砂和卵石机制砂。

3)外加剂：广东瑞安LS-JS聚羧酸高效减水剂，符合现行国家标准GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范(附条文说明)》。

4)水：自来水。

1.2 试验方法

1.2.1 机制砂基本材料性能

分别按JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》[16]和GB/T 14684—2011《建筑用砂》[17]测试试验机制砂的基本材料性能，主要包括石粉掺量、亚甲蓝值(MB值)、针片状含量、级配、空隙率及压碎值。

1.2.2 相同石粉掺量下机制砂岩性对胶砂性能的影响

不同岩性的机制砂在表观密度、堆积密度、细度模数、石粉掺量等物性差异较大[18]，而机制砂中石粉掺量对胶砂性能的影响最为显著。因此试验以两种机制砂中最低石粉掺量值为基准，通过75 μm筛对另外一种机制砂进行筛分处理使其达到相同的石粉掺量值，对比研究机制砂石粉掺量相同的情况下，机制砂岩性对胶砂抗压强度、抗折强度的影响。

1.2.3 不同石粉掺量对机制砂胶砂性能的影响

通过水洗及内掺石粉的方式，将2种机制砂分别配制成石粉掺量为0%、5%、10%、15%、20%的几种类型，研究石粉掺量对流动度(初期、0.5 h)和抗压强度(3 d、28 d)、抗折强度(3 d、28 d)的影响。机制砂砂浆的流动度参考标准《水泥胶砂流动度测定方法》GB/T 2419—2005[19]测定，依据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》[20]测试胶砂强度。

2 试验结果及分析

2.1 机制砂基本材料性能

表2为试验测得的两种机制砂的基材材料性能。机制砂系由岩石经破碎而获得，与天然砂相比最大的特点就是含有大量粒径小于75 μm的细粉颗粒(称为石粉)。卵石的形状多为圆形，表面光滑，质地较硬，其主要成分为二氧化硅；而石灰岩的主要成分为碳酸盐岩，结构较为复杂，与卵石相比较其质地偏软，在机器破碎过程中更易产生细粉。试验测得卵石机制砂的压碎值为8.0%，石粉掺量为4.7%，而石灰岩机制砂的压碎值为25%，石粉掺量为8.4%，符合两种骨料的岩性结构和形成特性。

表2 两种机制砂的基本材料性能Table 2 Basic material properties of the two manufactured sand

MB值，表示机制砂中含泥量大小，亚甲蓝试验是确定细集料、细粉、矿粉中是否存在膨胀性粘土矿物并确定其含量的整体指标。泥粉大多为松散多孔的层状结构，颗粒较细且比表面积大，泥粉含量的增加测试体现为MB值的增大，将会大大减低砂浆的流动度，同时降低砂浆的抗折和抗压强度[21]。试验测得卵石机制砂的MB为1.00，石灰岩机制砂的MB值为2.75，表明在含泥量指标上，卵石机制砂的品质优于石灰岩机制砂。

图1为两种机制砂的级配图。机制砂的诸多主要性能参数中，控制机制砂质量的关键指标为颗粒级配，良好的级配对机制砂胶砂性能有着重要影响。当砂中粒径较大的细骨料偏多时，砂浆会出现轻微的泌水和离析现象；当砂浆中粒径较小的骨料占多数时，将会降低砂浆的流动性。试验测得两种机制砂的级配均在GB/T14684—2011《建筑用砂》[17]二区砂的颗粒级配范围内，二区砂的级配范围对应图1中的上限和下限。由于卵石机制砂的空隙率为36%略低于石灰岩机制砂空隙率为39%，因而卵石机制砂的颗粒互相填充的密实度优于石灰岩机制砂，使得卵石机制砂级配较优。从目前的生产现状来看，使用破碎的机器不同，机制砂常存在级配不良或超出级配范围的情况，从有关机制砂级配如何合理控制是工程中重点关注的问题之一。

图1 机制砂级配图Fig.1 Grading diagram of manufactured sand

2.2 相同石粉掺量下机制砂岩性对胶砂性能的影响

最低石粉掺量为卵石机制砂的4.7%，对石灰岩机制砂进行筛分处理使其达到相同的石粉掺量值，两种机制砂胶砂强度试验，结果如图2、图3。从强度结果分析，卵石机制砂砂浆的抗折强度与抗压强度几乎都略高于石灰岩机制砂，但二者相差不大，且随着龄期的增加增幅逐渐减小。说明不同岩性的机制砂对胶砂强度有一定的影响，由于卵石机制砂质地较硬，且级配良好，使得砂浆结构的骨架较完整，胶砂性能优于石灰岩机制砂。此外，试验的石灰岩机制砂石粉掺量为4.7%，相较于其原本8.4%的石粉掺量减少了44%，由于石灰岩机制砂粒径在0.3 mm以下的颗粒偏少，加之其石粉掺量的减少，不足以填充细骨料间的间隙，造成砂浆内部孔隙较多，导致其强度低于卵石机制砂。

图2 砂浆抗折强度Fig.2 Bending strength of mortar

图3 砂浆抗压强度Fig.3 Compressive strength of morta

2.3 不同石粉掺量对不同岩性机制砂胶砂性能的影响

机制砂流动度随石粉掺量的变化情况试验结果见图4，从图中可以看出随着石粉掺量的增加，两种机制砂的流动度都呈现先增加后下降的趋势，这是因为砂浆中掺入石粉时，增加了砂浆中泥浆体积，有利于减少机制砂颗粒间的摩擦力，提高了砂浆的流动度；但是，当石粉掺量较高时，由于石粉颗粒表面积较大，颗粒表面覆盖的水量较少，导致砂浆的流动度下降。

同时，图4中结果也显示了卵石机制砂的初期和0.5 h时的流动度均大于石灰岩机制砂。这是因为卵石机制砂颗粒形状偏圆形，有助于砂浆试样的流动，而石灰岩机制砂颗粒多棱角，不利于砂浆试样的流动。因此，卵石机制砂砂浆试样的流动度大于石灰石机制砂砂浆的流动度。

图4 卵石机制砂流动度Fig.4 Flow of pebble manufactured sand

机制砂砂浆试块的抗折强度与抗压强度随石粉掺量的变化情况如图5～图8所示。试验表明，在3 d龄期与28 d龄期时两种机制砂的抗折强度与抗压强度都随着石粉掺量的增加都出现了先增大后减小的情况，且均在石粉掺量为5%时抗折强度达到峰值，均在石粉掺量为10%附近时抗压强度达到峰值。此外，卵石机制砂在3 d和28 d龄期时的抗压强度都比石灰岩机制砂的强度高，这与上文在相同石粉掺量下测试两种机制砂的抗压强度结果相同，而且卵石机制砂的级配优于石灰岩机制砂，故它表现出较优的胶砂性能。从图6可以看出，在28 d龄期时，石灰岩机制砂的抗折强度略高于卵石机制砂，此规律和抗压强度并不一致。该较高的28 d龄期抗折强度可能由于石灰岩机制砂针片状含量较低、表面较粗糙，从而在较长龄期抗折测试时产生较高的咬合力。

图5 3 d抗折强度Fig.5 3 d bending strength

图6 28 d抗折强度Fig.6 28 d bending strength

图7 3 d抗压强度Fig.7 3 d compressive strength

图8 28 d抗压强度Fig.8 28 d compressive strength

造成上述机制砂胶砂强度先增大后减小的机理如下：砂浆中大部分水泥参与水化发生反应产生具有粘性性能的水化硅酸钙(C—S—H)凝胶，而此时只有小部分水泥颗粒被用来填充细骨料之间的空隙。随着石粉的掺入，细骨料间孔隙主要由石粉进行填充，使得砂浆结构的孔隙被细化，提高了砂浆内部孔隙的密实度，同时更多的水泥可以参与到水化反应中，从而提高了胶砂强度。但随着石粉掺量的逐渐增加，将会导致砂浆的级配变得不合理，小粒径颗粒增加，大粒径颗粒减少，使得机制砂的骨架结构劣化，从而造成胶砂强度降低。

3 结 论

1)不同岩性机制砂的基本材料性能表现出不同的特性，因其母岩本身结构成份不同，造成机制砂的石粉掺量、MB值、针片状含量、级配、空隙率及压碎值均不同。其中，不同岩性的机制砂的级配相差较大，卵石机制砂的级配优于石灰岩机制砂。

2)在石粉掺量相同的情况下，卵石机制砂砂浆的抗折强度与抗压强度均高于石灰岩机制砂砂浆，但二者相差不大，且随着龄期的增加增幅逐渐减小；不同岩性的机制砂对胶砂强度有一定的影响，由于卵石机制砂质地较硬，且级配良好，使得砂浆结构的骨架较完整。

3)随着石粉掺量的增加，两种机制砂的流动度都呈现先增加后下降的趋势，且卵石机制砂的初期和0.5 h时的流动度均大于石灰岩机制砂。

4)卵石、石灰岩机制砂的抗折强度与抗压强度在3 d龄期与28 d龄期时都随着石粉掺量的增加出现了先增大后减小的现象，且均在石粉掺量为5%时抗折强度达到峰值，均在石粉掺量为10%附近时抗压强度达到峰值。适当的石粉掺量有益于机制砂胶砂性能的提高，过量的石粉则会降低胶砂性能，不同岩性的机制砂均表现出此特性，其中石粉掺量在5%～10%时为最佳。

致 谢

本研究项目由建筑科学研究院和佛山市交通科技有限公司组织完成。鸣谢建筑科学研究院和佛山市交通科技有限公司对本项目的指导和支持。