人工砂中石粉含量对水泥砂浆性能的影响分析

张春妮 （广州建设工程质量安全检测中心有限公司，广东 广州 510000）

混凝土行业发展速度越来越快，砂石集料发生了改变，天然砂数量逐渐减少，现已逐渐被人工砂所替代。人工砂主要指的是母岩被机械破碎成直径5mm的岩石颗粒，母岩在破碎后存在粒径小于0.16mm 的颗粒，主要由矿物质成分组成，与母岩自身性质相同。在相关研究过程中，人工砂中石粉可以发挥出填充效果，此过程可以改善人工砂颗粒配比，优化水泥砂浆自身的和易性。但如果人工砂的比例控制不合理，容易降低其物理力学性能及耐久性，密实度方面也会下降，严重影响人工砂浆的使用效果。当前我国针对水工混凝土中石粉含量允许范围需要控制在6%~18%之间，以此确保人工砂可以被有效利用。

1 人工砂简介

根据国家相关规定，在通过除土处理后的机制砂和混合砂都可被称为人工砂。其中，机制砂主要指的是机械破碎后，利用筛分方式将粒径控制在4.75mm以下的岩石颗粒，其中不能含有软质岩和风化岩石颗粒。

混合砂主要指的是机制砂和天然砂混合成为一种砂体。混合物砂体在配比方面未做出规定，只要满足混凝土各项性能需要即可。在混合砂应用后，需按照人工砂技术要求和检验方法对其自身性能做出检验分析[1]。

2 试验方法

2.1 原材料的选择

原材料主要包括人工砂、石粉、水泥等，其中，人工砂需要选择水电站工程或者混凝土系统生产的人工砂，石粉含量需要控制在15%左右，在配比方面需要依据基准砂标准，通过人工水洗或者石粉配置，将其控制在不同的石粉含量阶段，不同的石粉含量人工砂在物理性能方面的参数如表1所示。

石粉需要选择某个水电站或者混凝土系统生产的人工砂，筛分后颗粒直径应该控制在0.16mm左右。水泥应选择热硅酸盐水泥，此类水泥的物理力学性能如表2所示。

表2 热硅酸盐水泥物理力学性能

石粉（人工砂）、水泥化学成分如表3所示。

表3 石粉（人工砂）、水泥化学成分/%

2.2 试验方法

在不同的石粉含量方面，水泥砂浆配合比如表4所示，在表格中可以看出整体标准按照水泥胶砂强度检验标准做出分析，在分析过程中发现，砂浆在搅拌后需要进行振实和养护操作。如果选择利用NLD-3型水泥胶砂流动度测量操作，需要按照相关规范方法进行水泥砂浆流动度的分析，在实际分析过程中对砂浆凝结时间使用仪器进行测定分析，针对砂浆凝结时间装置在规格40mm×40mm×160mm的试件上进行试验。在水泥砂浆养护1d 后进行养护操作，后续针对各个阶段的水泥砂浆抗折强度做出分析，同时还可以针对干缩率做出试验操作分析[2]。对于压力试验而言，需使用YAW-300型压力试验机进行试验操作，在试验操作过程中可以有效明确砂浆干缩后的试验数据，此时干缩后的试件尺寸暂未发生变化，两端预埋金属均成功脱模，后被放入养护室内，在温度和湿度方面也做出了有效控制，后续针对不同的时间可以对试件的尺寸做出记录。在抗渗性试验方面主要按照水工混凝土的试验规范进行分析，在实际分析过程中试件需要将尺寸控制在70mm×80mm×30mm，整体形状需呈现出圆锥体，养护一个月后，可选择使用水泥抗渗设备对其进行具体的抗渗试验操作。

表4 不同石粉含量人工砂配制的水泥砂浆配合比表

3 试验结果与讨论

3.1 流动度的影响

针对不同的石粉含量对水泥砂浆流动速度做出分析对比，可以看出石粉越多流动性会越低，石粉越少流动性会越快，在石粉含量变化后，流动速度也会发生一定变化。如果石粉含量可以控制在25%左右，流动速度在升高后，直接下降至1.3mm左右[3]。形成此类现象的原因是石粉颗粒逐渐降低，含量增加后，砂浆体系中颗粒会达到一定配比需求，最终发挥出填充效果，以此改善砂浆体系的颗粒配比，促使体系密度不断增大，让其释放出水泥砂浆絮凝结构的作用，此项工作对于砂浆流动性具有帮助意义。除此之外，针对石粉含量方面的增加，细颗粒数量不断提升，水泥砂浆拌合物在用水量方面就会增加，促使砂浆流动性逐渐降低。在石粉含量较小的情况，填充效应会占据一定优势，在砂浆流动性不断增大后，其自身水分含量会不断提升，因此砂浆的流动性会不断下降。

3.2 凝结时间的影响

人工砂石粉含量对砂浆凝结时间的影响如图1 所示。从图1 可以看出，不同含量石粉的水泥砂浆，其凝结时间存在一定差异性，凝结时间会随着石粉含量的升高不断下降，石粉含量控制在10%~25%的情况下，会随着幅度减少变得逐渐缓慢。其主要原因是石粉含量的增加会造成砂浆中细颗粒数量的不断增加，在拌合后用水量和水泥用量均未发生变化时，水泥砂浆中颗粒平均间距会不断下降，此时对于水泥而言是更为有利的一种初凝结构需求，因此会降低凝结时间。除此之外，石粉自身的主要成分为石灰石，在细小颗粒方面可以将其作为辅助凝胶材料进行应用，促使水泥砂浆自身胶体比例的下降，最终缩短凝结时间。

图1 人工砂石粉含量对砂浆凝结时间的影响

3.3 水泥砂浆强度的影响

不同的石粉含量在水泥砂浆不同的时间段，无论是抗折还是抗压强度方面均会发生一定的变化[4]。在相关研究过程中发现，石粉含量的不断增加抗折强度具有一定的规律可循，呈现出先升后降的趋势，其中石粉含量在25%的情况下，砂浆的抗压强度在整体水平上会出现先增大后减小的现象，如果石粉含量达到25%，砂浆在28d的情况下，抗压强度最高，整体强度在不断增加后变化幅度会持续下降。

主要原因是石粉中微颗粒是辅助凝胶材料，此时部分砂浆存在水化反应，在水化反应结束后消耗了体系中片状氢氧化钙的产物，最终生成了水化碳氯酸钙的产物，还降低了氢氧化钙的含量，因此砂浆在结构方面更加密实，此时强度也会不断增加。其次，石粉含量增加后，砂浆体系中细颗粒数量也会不断提升，有效改善了砂浆体系的颗粒配比，因此体系的密实度增加了，改变了水泥砂浆颗粒配比，在体系密实度不断增加达到最大比值后，石粉含量如果仍然持续增加，则会呈现出降低密实度的情况，此时砂浆在抗折和抗压强度方面又呈现出下降的情况。石粉含量对砂浆抗折、抗压强度的影响如图2所示。

图2 石粉含量对砂浆抗折、抗压强度的影响

3.4 干缩率的影响

不同的石粉含量会对水泥砂浆干缩率造成影响，在试验两个月后，水泥砂浆干缩率会受到石粉含量的影响，但是整体影响效果较小。直至试验120d后，随着石粉含量的不断增加，水泥砂浆在干缩率方面会出现先增大后减少的情况，此后砂浆在干缩过程中也会不断加大。石粉含量在20%的时候，砂浆干缩比60d 试验的效果更为明显，其他试验时间段砂浆干缩率与两个月试验周期相比，整体变化较小。形成此类问题的主要原因是石粉中微颗粒细化了砂浆自身的结构，造成孔隙的缩小，毛细管中收缩力会逐渐增强，此时砂浆干缩力度也会不断发生改变。除此之外，石粉会形成填充效应，填充率发生变化后，水泥砂浆在密度方面也会产生变化，因此干缩率会呈现出不断下降的趋势。一般情况下，石粉含量控制在18%时，毛细管液体率会呈现出下降的趋势，此时整体效果会不断加强，砂浆干缩率也会提升；但是在石粉含量超过18%后，填充效应占据主导地位，但是干缩率不会发生变化。

3.5 抗渗性的影响

在不同的石粉含量下水泥砂浆抗渗试验结果如表5所示。由表5可以看出，几组水泥砂浆的不透水性系数均等于19.6MPa·h，因此不难看出在本次试验背景下，石粉含量对于水泥砂浆抗渗性能自身的影响并不大。其主要原因是石粉含量不断下降，如果对M-5 砂浆作出分析，可以看出内部结构变得更为紧密，在抗渗性方面可以满足相关规范要求，此时石粉的增加会提升砂浆自身体系的密实度，最终让其形成更为良好的抗渗性能。此过程中的研究方法与前期阶段的研究方法存在一定差异性，需要将其进行区分。

表5 石粉含量对砂浆抗渗性能的影响

4 结语

综上所述，人工砂浆的流动性会随着石粉含量的增加发生改变，只有石粉含量超过8%的情况下，石粉填充效应才可完善骨料的配比，最终释放出水泥砂浆絮凝作用，有效应对流动性。人工砂水泥砂浆在凝结时间方面，石粉含量增加，凝结时间会下降，石粉可以降低水泥砂浆里面的颗粒感，同时还可加快水泥砂浆的初凝结构，使其小颗粒化，最终缩短凝结时间。人工砂水泥浆抗压和抗折强度随着石粉含量的不断增加形成先增后降的规律，其中石粉含量在25%左右时，石粉会对砂浆强度造成影响，其中抗压强度的变化较大。人工砂的石粉含量超出25%后，密实度会下降。针对人工砂浆干缩情况，石粉含量持续升高，干缩会呈现出先增大后减小的情况。