机制砂级配对胶砂和混凝土性能的影响研究

蔡 双

（1 中交一公局厦门工程有限公司；2 中交绿建（厦门）科技有限公司）

0 引言

混凝土是建筑工程的主要材料，而砂作为混凝土的主要原材，每年都需要被消耗非常多。因为河砂已经被大量开采，造成了自然生态环境的破坏，河砂被禁止开采，此时机制砂应运而出，逐渐取代了河砂在混凝土工程的地位。机制砂是矿石经过多次破碎之后，然后通过筛分，整形等工艺，生产出来的级配合理的产品，品质优良的机制砂与河砂的性能不相上下[1]。目前，机制砂已经广泛应用于建筑工程市场，选择机制砂是必然趋势。由于生产工艺水平，机制砂颗粒棱角较多，且在破碎过程中细粉颗粒多，致使机制砂新拌的混凝土工作性较差。其中很大原因是因为机制砂的级配较差和石粉含量高。有研究表明，一定量的石粉能够填补在骨料的空隙中，产生微骨料效应[2-3]，并且国标要求在MB 小于1.4的时候，含粉量不宜小于10%，石粉应用范围还算较大。因此，在机制砂的各项性能指标中，机制砂级配是最主要及关键的技术指标，直接关乎着混凝土的性能，很有必要开展不同机制砂级配的相关研究，因此，本试验针对机制砂的级配问题，开展机制砂级配对胶砂和混凝土性能影响的研究，希望能为各地机制砂应用提供一定参考，促进机制砂的推广与应用。

1 试验材料及试验方法

1.1 材料

水泥选用福建龙鳞P·O42.5，密度3.03g/cm3，标准稠度用水量为29.2%；粉煤灰为泉州产的Ⅱ级粉煤灰，需水量比为97%，活性指数为72%；矿粉为漳州地区S95级，需水量比为100%，活性指数为96%；细骨料为厦门地区产的机制砂；粗骨料为5～10mm 与10～25mm 两种，按1∶2 比例混合使用；减水剂来自湖南中岩公司的高性能减水剂，减水率为26.8%，掺量为1%，水为生活用水。

1.2 试验方法

⑴胶砂性能试验：依据GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法》。

⑵混凝土性能：依据GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》

2 试验设计

2.1 级配设计

参考以往的经验数据，确定一个合适的级配，作为的基准级配。详细的分计筛余如表1所示。

表1 基准级配

以表1 基准级配为基础，分别按照0%、2%、5%、8%、11%的添加量调整0～0.15mm的分计筛余，编号分别为：A-0、A-2、A-5、A-8、A-11、，分别按照4%、7%、10%、13%、16%的添加量调整0.15-0.3mm 的分计筛余，编号分别为：B-4、B-7、B-10、B-13、B-16，详细结果如表2所示。

表2 不同级配的机制砂

2.2 胶砂配合比

胶砂配合比比如表3所示，其中，水胶比为0.35，胶砂比为0.33。试验过程通过控制减水剂掺量，控制胶砂流动度基本一致。

2.3 混凝土配合比

试验选择混凝土标号为C50 的配合比，混凝土配合比如表4 所示。机制砂级配选择A-2、A-5、A-8、B-7、B-10、B-13 等六种，试验过程通过控制减水剂掺量，控制混凝土的流动度基本一致。

3 试验结果

3.1 不同级配对胶砂流动性的影响

机制砂不同的级配显著影响胶砂的流动度，试验通过控制减水剂掺量，将胶砂流动度控制在合理的145～150mm，以满足试件成型的状态需求。记录不同级配达到规定流动度所需的减水剂掺量，以此判断机制砂级配对胶砂流动度的影响，试验结果见表5。

表5 不同级配下减水率掺量

从表5 可以看出，机制砂不同级配下0～0.15mm、0.15～0.3mm 的含量与减水剂掺量呈正相关，分析其原因，细颗粒的比表面积比粗颗粒大，比表面积越大，需水量会越大，因此，随着机制砂中细的颗粒越多，其需水量就越高，在相同用水量的情况下，如果要达到同样的流动度，需要释放更多的自由水来润滑浆体，就需要更多的减水剂掺量。对比A-0 和A-11，减水剂的掺量从1.64%提高到4.36%，提高了1.66 倍，对比B-4 和B-16，减水剂掺量从2.20%提高到3.37%，提高了0.53倍。

3.2 不同级配对胶砂抗折强度的影响

胶砂标准养护后，分别检测其7d 和28d 的抗折强度，试验结果见表6。

表6 不同级配下胶砂抗折强度

从表6结果可以看出，胶砂抗折强度与机制砂中0-0.15mm、0.15～0.3mm 的含量呈负相关，分析其原因，随着机制砂中细的颗粒越多，其需水量就越高，胶砂流动度一致控制在145～150mm 时，胶砂的水胶比就越高，胶砂7d、28d 抗折强度随水胶比变大而变低。对比A-0 和A-11 的7d 抗折强度，抗折强度从9.1MPa 降低至6.8MPa，降低了25.2%，对比B-4和B-16的7d抗折强度，抗折强度从8.5MPa降低至6.6MPa，降低了22.3%。对比A-0 和A-11 的28d 抗折强度，抗折强度从12.5MPa 降低至8.9MPa，降低了28.8%，对比B-4和B-16的28d抗折强度，抗折强度从12.6MPa降低至9.5MPa，降低了24.6%。

3.3 不同级配对胶砂抗压强度的影响

胶砂标准养护后，分别检测其7d 和28d 的抗压强度，试验结果见表7。

表7 不同级配下胶砂抗压强度

从表7 结果可以看出，对于7d 抗压强度，A 组、B 组胶砂抗压强度与机制砂中0～0.15mm、0.15～0.3mm 的含量呈负相关，对于28d抗压强度，A组、B组胶砂抗压强度呈先增大后减小的趋势，其中A-5组和B-10组的抗压强度最好。分析其原因，在早期7d 龄期时，胶砂的抗压强度很大程度取决于胶凝及骨料间的结合力，随着细的颗粒越多，胶砂的水胶比就越高，结合力就有所下降，因此强度持续下降。28d 长龄期时，在一定范围内，随着细的颗粒越多，胶砂整体体系的空隙被填充的更充分，提高了密实度，强度有所提高。超过范围后，随着颗粒增加，因比表面积过大而产生的缺陷随之变多，此时反而对强度不利[4]。

3.4 不同级配对混凝土工作性的影响

机制砂不同的级配显著影响混凝土的工作性，试验通过控制减水剂掺量，将混凝土的扩展度控制在合理的450～500mm，记录不同级配达到规定流动度所需的减水剂掺量，以此判断机制砂级配对混凝土工作性的影响，试验结果见表8。

表8 不同级配下减水率掺量

从表8 可以看出，机制砂不同级配下0～0.15mm、0.15～0.3mm 的含量与减水剂掺量呈正相关，与胶砂组试验规律一致，其原因与胶砂组也一样，都是因为细颗粒的比表面积比粗颗粒大，比表面积越大，需水量会越大，要达到同样的扩展度就需要释放更多的自由水来润滑浆体，因此需要更多的减水剂掺量。对比A-2和A-8，减水剂的掺量从1.08%提高到1.45%，提高了34.2%，对比B-7 和B-13，减水剂掺量从1.18%提高到1.43%，提高了21.2%。

3.5 不同级配对混凝土劈裂抗拉强度的影响

混凝土试块标准养护后，分别检测其7d和28d的劈裂抗拉强度，试验结果见表9。

表9 不同级配下劈裂抗拉强度

从表9 结果可以看出，不论是7d 龄期还是28d 龄期，混凝土劈裂抗拉强度与机制砂中0～0.15mm、0.15～0.3mm 的含量呈负相关，分析其原因，同胶砂组抗折强度原因一致，随着细颗粒越多，混凝土扩展度控制在450～500mm 时，其需水量就越高，水胶比就越高，劈裂抗拉强度随之降低。对比A 组的7d、28d 的劈裂抗拉强度，分别下降了30.8%、18.9%，对比B 组的7d、28d的劈裂抗拉强度，分别下降了37.0%、26.8%。A 组的变化率均小于B 组的变化率，这是因为颗粒越小，比表面积的变化就越大，对混凝土强度影响就越显著。

3.6 不同级配对混凝土抗压强度的影响

混凝土试块标准养护后，分别检测其7d和28d的抗压强度，试验结果见表10。

表10 不同级配下混凝土抗压强度

从表10 结果可以看出，不论是7d 龄期，还是28d 龄期，A 组、B 组混凝土抗压强度呈先增大后减小的变化规律，其中A-5 组和B-10 组的抗压强度最好，与胶砂组的规律是一样的。其原因与胶砂组也相一致，在一定范围内，随着细的颗粒越多，混凝土整体体系的空隙被填充的更充分，提高了密实度，强度有所提高。超过范围后，随着颗粒增加，因比表面积过大而产生的缺陷随之变多，此时反而对强度不利。

4 总结

⑴不论是砂浆组还是混凝土组，控制其工作性达到一致时，随着机制砂中细颗粒的增多，所需减水剂用量增大。

⑵胶砂抗折强度、7d 抗压强度与机制砂中细颗粒含量呈负相关，胶砂28d 抗压强度呈先增大后减小的趋势

⑶混凝土劈裂抗拉强度与机制砂中细颗粒含量呈负相关，混凝土抗压强度呈先增大后减小的变化规律。