不同机制砂对混凝土工作性能的影响及改善措施

王玉乾 Serina Ng* 刘 磊 Mirko Cruber 王进春

1.石家庄市长安育才建材有限公司 河北石家庄 051530；2.河北省混凝土用功能性材料工程技术研究中心 河北石家庄 051530；3.河北省建筑化学添加剂产业技术研究院 河北石家庄 051530；4.四川砼道科技有限公司 四川成都 611139

随着建筑行业的快速发展，河道不断开采，天然砂资源日益短缺，机制砂已经是制备混凝土常用的材料之一[1-3]。质量优异，级配良好的机制砂可制备出性能优良的混凝土[4-6]。但目前市场上机制砂质量参差不齐，大量机制砂生产设备简陋、控制不严格，所制砂质量存在问题，主要包括细度模数过大、粗颗粒过多、级配不合理、形貌差、亚甲蓝值过高、石粉含量过多等，这些现象严重影响混凝土的工作性能，使得混凝土施工困难[7-9]。本文结合项目案例，阐述不同机制砂对混凝土工作性能的影响，分析影响原因，并提出相应的改善措施。

1 工程案例

1.1 案例一

四川凉山州某工程项目，面临机制砂过粗问题。该项目机制砂由当地某砂厂提供，其颗粒级配如表1与图1所示。

表1 机制砂粒径分布

图1 机制砂颗粒级配部分

通过公式(1)计算该砂的细度模数：

=3.5

(1)

结合国标《GB/T14684-2011建设用砂》，由表1、图1以及公式1可以得出，该机制砂属于I区粗砂，2.36mm和1.18mm处的筛余严重偏多，存在明显粗颗粒多、细颗粒少的现象。用该机制砂所制混凝土状态如图2，混凝土配合比如表2，混凝土外加剂配方如表3。

表2 混凝土配合比(kg/m3)

表3 外加剂配方(kg/t)

图2 混凝土状态

从图2可知，该机制砂所制混凝土包裹性差、露石多、表面泌水严重，这是粗砂混凝土常见的现象，主要由于该砂粗颗粒过多、细颗粒较少，导致混凝土级配不合理，空隙率大，没有足够的浆体包裹石子以及锁住自由水。

针对上述问题我们的调整思路主要包括两点：混凝土配合比和外加剂，具体如下：

(1)配合比调整：由于项目要求不能对胶凝材料和用水量进行改变，因此我们调整混凝土的砂率，将砂率从43%提高到46%，这也是粗砂的常见调整思路，调整后混凝土配合比如表4，混凝土状态如图3。

表4 混凝土配合比(kg/m3)

图3 混凝土状态

由图3可知，调整配合比后，混凝土工作性能有所改善，露石明显减少，主要原因为砂率提高，混凝土中砂浆含量提高，石子含量降低，有更多的砂浆对石子进行包裹，因此露石现象得以改善，但仍没有完全解决，且混凝土表面依然存在泌水现象。

(2)外加剂调整：针对混凝土保水性差的问题，解决思路为增加增稠保水剂组分的用量，提高混凝土的黏聚性，使得水分不易流失；针对包裹性差的问题，通过提高引气剂用量，增加浆体体积来改善，但需要注意保证混凝土含气量在控制指标内；其次，通过使用更多的糖做缓凝剂也可以提高混凝土的黏聚性，鉴于此调整混凝土外加剂配方如表5。

表5 外加剂配方(kg/t)

依然采用表4作为混凝土配合比，使用表5的外加剂进行混凝土试配，混凝土状态如图4。

图4 混凝土状态

由图4可知，当提高砂率，同时调整外加剂配方后，混凝土工作性良好，无明显露石和泌水现象，混凝土工作性得到改善的主要原因为混凝土黏聚性提高和浆体体积增加。同时对混凝土容重与含气量进行测试，实测容重为2409kg/m3，含气量为3.0%，混凝土容重和含气量均在控制范围内。因此通过对混凝土配合比和外加剂的同时调整，成功改善了粗砂混凝土的工作性能。

1.2 案例二

重庆某商混公司砂含粉量过高问题。该项目机制砂由当地某砂厂提供，其颗粒级配如表6与图5，其他指标如表7。

表6 机制砂粒径分布

表7 物理指标

图5 机制砂颗粒级配部分

由表6、表7和图5可知，该机制砂为中砂，颗粒级配中0.3mm及以下的颗粒含量过多，且石粉含量极高，用该机制砂所制混凝土技术性能如表10，其中混凝土配合比如表8，外加剂配方如表9。

表8 混凝土配合比(kg/m3)

表9 外加剂配方(kg/t)

表10 混凝土性能

该项目所制混凝土为C40泵送混凝土，由试验结果可知，通过此机制砂所制混凝土流动性一般，倒提排空时间为29.8s，可见流速非常慢。此混凝土很难用于泵送，主要原因为该机制砂含粉量过高。相对于砂粒，石粉颗粒小，比表面积大，吸水量高，同时还吸附外加剂，当砂中含有大量石粉时，部分拌和水和外加剂被石粉吸附，因此可导致混凝土外加剂掺量高、流动性差、黏度高、流速慢等不良现象的发生。

针对上述问题，分别从混凝土配合比和外加剂两方面进行调整，首先从混凝土配合比方面调整，由于该混凝土存在问题是由砂中石粉含量过高引起，因此可以考虑适当降低砂率(降低砂用量，提高石子用量)，这样可以降低混凝土中石粉总量，但要注意若砂率太低，砂浆量不够，也会影响混凝土工作性能，针对该项目，我们将混凝土砂率由43%降低到40%，调整后的混凝土配合比如表11。

表11 混凝土配合比(kg/m3)

针对混凝土黏度过高问题，从外加剂方面调整，可以尝试提高引气剂用量，不使用糖作为缓凝剂。也可以保持其他不变，用降粘型聚羧酸减水剂替代常规聚羧酸减水剂，进行外加剂复配。针对该项目，我们分别尝试上述两种方法配制混凝土外加剂，外加剂配方如表12。

表12 外加剂配方(kg/t)

通过表8配合比和表9外加剂进行混凝土试验，试验结果如表13。

表13 混凝土性能

由表13可知，调整配合比和外加剂配方后混凝土流动性提高，外加剂掺量降低，倒提排空时间大幅降低，流速加快，混凝土工作性能得到明显改善，该混凝土可容易进行泵送。因此针对混凝土发黏问题，可采取改变混凝土砂率，调整减水剂类型，调整外加剂中缓凝剂、引气类型和用量等手段。

1.3 案例三

重庆某公路项目机制砂亚甲蓝值(MB值)过高问题。该项目机制砂由当地某砂厂提供，其颗粒级配如表14与图6，其他指标如表15。

表14 机制砂粒径分布

表15 物理指标

图6 机制砂颗粒级配部分

由图6和表14、表15可知，该机制砂级配良好，属于2区中砂，但MB值过高，MB值是判断机制砂中小于0.075mm颗粒的主要成分是黏土还是石粉，当MB值≤1.4时，机制砂中0.075mm颗粒主要为石粉，当MB值>1.4时，机制砂中0.075mm颗粒主要为黏土。该项目所用机制砂MB值为2.2，远远大于1.4，说明该机制砂含泥量非常大。黏土是一种层状结构可吸水膨胀的物质，当其掺入混凝土时，会对混凝土中的减水剂和自由水进行吸附，使得作用于水泥颗粒的外加剂和拌和水不足，从而导致混凝土出现流动性差、坍落度损失快、外加剂掺量高等现象，严重影响混凝土的工作性能。

该机制砂在此项目混凝土中使用后，混凝土性能如表18所示，其中混凝土配合比如表16，外加剂配方如表17。

表16 混凝土配合比(kg/m3)

表17 外加剂配方(kg/t)

表18 混凝土性能

从上述试验结果可知，使用高MB值机制砂后，混凝土流动性差，损失快，通过提高外加剂掺量可以满足混凝土出机具有良好的流动性，但损失快的问题仍然无法解决，造成该现象的原因为机制砂中黏土对外加剂和拌和水的吸附。

针对上述问题，我们依然从混凝土配合比和外加剂配方两个方面进行调整。配合比方面，因为在成混凝土存在问题的原因为砂中的黏土，如果减少砂的用量，黏土的量也会降低，因此我们可以通过降低砂率调整配合比，但砂率不能降低太多，否则砂浆不够会影响混凝土的工作性，该项目中我们将砂率由45%降低到43%，配合比如表19。外加剂方面针对混凝土出机流动性差的问题，我们增加外加剂中减水剂的组分，针对混凝土损失快的问题我们增加保坍剂的组分。其次，我们在外加剂中引入抗泥组分，该组分可抑制混凝土吸水膨胀，从而减弱其对混凝土的影响，调整后的外加剂配方如表20。通过上述配合比与外加剂进行混凝土试验，试验结果如表21。

表19 混凝土配合比(kg/m3)

表20 外加剂配方(kg/t)

表21 混凝土性能

从上述试验结果可知，当配合比调整后，外加剂掺量不变，混凝土流动性和损失均得到改善，混凝土工作性良好。因此针对机制砂MB值较高的问题，可以通过降低砂率、提高减水剂和保坍剂的用量以及添加抗泥剂的手段进行改善。

2 结论

(1)目前大量工程项目上所用的机制砂，由于生产过程中设备简陋、控制不严格，所制机制砂存在颗粒较粗、级配不合理、粒型差、含粉量过高、亚甲蓝值过高等问题，严重影响混凝土的工作性能。

(2)针对质量较差的机制砂混凝土，通过混凝土配合比和外加剂调整可有效改善混凝土的工作性能。