陳晉棟，祝雯，黃奕斌

（1.廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心有限公司，廣東廣州 510440；2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

隨著國家對環(huán)保要求越來越嚴格，作為不可再生資源的天然砂開采受到限制，天然砂供應(yīng)量日趨減少。機制砂性能良好，在英國、挪威、瑞典等歐洲沿海國家以及我國西南等天然砂資源短缺區(qū)域，其應(yīng)用已經(jīng)非常成熟[1-2]，采用其生產(chǎn)的混凝土性能可滿足設(shè)計和施工要求。機制砂可有效緩解天然砂資源短缺的問題。

我國西南地區(qū)所使用機制砂大多為干法生產(chǎn)，其最顯著的特點是石粉含量高。而有研究表明[3-7]，中低強度等級混凝土中，較高的石粉含量能夠彌補膠凝材料用量偏低引發(fā)的離析泌水問題，可有效保證混凝土的工作性能。與西南地區(qū)不同，我國沿海地區(qū)的機制砂大多采用濕法棒磨工藝生產(chǎn)，其石粉含量通過水洗法進行控制[7]，多數(shù)石粉隨著水流散逸，含量較干法機制砂低。而石粉含量是影響機制砂混凝土性能的關(guān)鍵指標[1，5-6，8-9]，致使?jié)穹C制砂在混凝土中的應(yīng)用與干法機制砂存在差異，故有必要對濕法棒磨機制砂在混凝土中的應(yīng)用進行研究。此外，沿海地區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)多處于氯離子侵蝕環(huán)境中，對混凝土的抗氯離子滲透性能要求較高，故而研究濕法機制砂的抗氯離子滲透性能，可為濕法機制砂在沿海區(qū)域的推廣應(yīng)用提供參考?；诖?，本研究對天然砂、干法機制砂以及濕法機制砂的特性進行對比分析，并在此基礎(chǔ)上，研究不同砂對混凝土工作性能、力學(xué)性能以及抗氯離子滲透性能的影響，進而提出濕法棒磨機制砂在混凝土中的應(yīng)用原則。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：華潤P·Ⅱ42.5R水泥，主要技術(shù)性能見表1。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

粗骨料：5～25 mm連續(xù)級配碎石，主要技術(shù)性能見表2。

表2 粗骨料的主要技術(shù)性能

細骨料：清遠產(chǎn)天然砂、清遠某廠采用濕法棒磨工藝生產(chǎn)的砂巖機制砂（以下簡稱濕法砂）以及廣西某廠生產(chǎn)的干法卵石機制砂（以下簡稱干法砂），3種砂的細度模數(shù)分半為2.6、2.9、2.7。

粉煤灰：寧德電廠F類Ⅱ級粉煤灰，細度（45 μm篩篩余）為18.1%，需水量比102%。

減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率26%。

水：自來水。

1.2 混凝土配合比

以C35強度等級混凝土為例，對比天然砂混凝土、濕法砂混凝土以及干法砂混凝土的性能。依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進行配合比設(shè)計，固定水泥和粉煤灰用量，設(shè)定表觀密度為2345 kg/m3，通過調(diào)整砂率、水膠比和減水劑摻量使混凝土拌合物坍落度控制在（160±20）mm。表3為天然砂、濕法砂以及干法砂混凝土的配合比。

表3 試驗混凝土的配合比

1.3 試驗方法

細骨料特性試驗參照JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》進行，其中細骨料的顆粒形貌采用HiroxMXB-5040RZ數(shù)字顯微鏡進行拍攝。混凝土抗壓強度參照GB/T 50081—2019《混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》進行測試，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm?；炷涟韬衔镄阅軈⒄誈B/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試。混凝土電通量和氯離子擴散系數(shù)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試，試件采用φ100 mm×100 mm模具制備，脫模后浸沒于溫度為（20±2）℃、相對濕度≥95%的標準養(yǎng)護室的水池內(nèi)進行養(yǎng)護，到56 d養(yǎng)護齡期時取出，切取中間50 mm作為電通量和氯離子擴散系數(shù)試件。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 砂的特性

對天然砂、濕法砂及干法砂的級配、顆粒形貌、堆積空隙率、石粉含量/含泥量、MB值進行測試，分析三者間的差異。

2.1.1 砂的級配

3種砂的級配曲線見圖1，顆粒分布見圖2。

圖1 3種砂的級配曲線

圖2 3種砂的顆粒分布

由圖1可見，濕法砂的級配良好，為混凝土常用的Ⅱ區(qū)砂；而干法砂由于0.3 mm累計篩余相對較少，不在JGJ 52—2006規(guī)定的級配范圍內(nèi)。

由圖2可見，天然砂在0.3～0.6 mm之間顆粒占比最高，其顆粒分布呈現(xiàn)為“中間高，兩邊低”；機制砂的顆粒分布總體符合以下規(guī)律：4.75 mm篩上顆粒占比較低，4.75 mm之下各級的篩余占比隨著篩孔尺寸減小而降低。以天然砂的顆粒分布作為參照，機制砂2.36 mm、1.18 mm篩余以及底盤占比遠高于天然砂，0.60 mm、0.30 mm的篩余則遠少于天然砂，機制砂的顆粒分布如文獻[1，7]所言為“兩邊高、中間低”。同時由圖2可知，雖然濕法砂和干法砂的制備工藝不同，但兩者的顆粒分布形態(tài)相近。

2.1.2 砂的顆粒形貌

粒徑為1.18～2.36 mm的天然砂、濕法砂及干法砂的顆粒形貌如圖3所示。

圖3 3種砂的顆粒形貌

由圖3計算可得，天然砂、濕法砂和干法砂的長寬比分別為1.17、1.89和1.34，3種砂接近球形的排序為天然砂＞干法砂＞濕法砂。天然砂表面光滑、有光澤，機制砂表面則比較粗糙，棱角顯著。對比2種機制砂，濕法砂的棱角性明顯高于干法砂。3種砂的顆粒形貌存在上述差異是由其形成途徑不同所致，天然砂在水流長時間的沖刷、滾動作用下，粒形逐漸趨于球形，砂粒表面也在水流長時間的作用下趨于光滑；濕法砂是天然石在棒磨機內(nèi)經(jīng)鋼棒沖擊制成，砂粒間研磨較少，導(dǎo)致其棱角顯著而表面粗糙；干法砂是天然石在立式?jīng)_擊破碎機的沖擊作用下形成，導(dǎo)致其棱角也較明顯，但其引入了整形設(shè)備，故而其粒形較濕法砂優(yōu)良。

2.1.3 砂的堆積空隙率

表4為3種砂的松散堆積空隙率和緊密堆積空隙率。

表4 3種砂的堆積空隙率

由表4可知，松散堆積空隙率順序為：濕法砂＞天然砂＞干法砂，緊密堆積空隙率順序為：天然砂＞濕法砂＞干法砂。根據(jù)3種砂的顆粒分布和形貌測試結(jié)果來看，無論是松散堆積空隙率還是緊密堆積空隙率，主觀上感覺天然砂的空隙率可能最小，但實測結(jié)果為干法砂的空隙率最小，且濕法砂、干法砂的緊密堆積空隙率均遠小于天然砂。

石粉在砂的堆積過程中能夠起到潤滑和填充作用[10]，在砂的松散堆積過程中，由于砂粒受到的壓實功較小，石粉僅起到部分潤滑作用，而干法砂的石粉含量高，其潤滑效應(yīng)超過了因顆粒分布和形貌形成橋接架空現(xiàn)象的效應(yīng)，故而其松散堆積空隙率小于天然砂。在緊密堆積過程中，壓實功較大，石粉能夠更多地填充在砂粒之間形成的空隙中，且石粉在堆積過程中起到了潤滑作用，大幅度降低了棱角性顯著的機制砂顆粒之間的摩阻力，砂粒間更易堆積緊密。此外，棱角性顯著的機制砂顆粒能夠產(chǎn)生剪切作用，破壞細顆粒之間形成的團聚效應(yīng)，使砂中細顆粒能夠均勻分散于大顆粒間形成的空隙內(nèi)，進一步促使其緊密堆積空隙率降低。

2.1.4 砂的石粉含量和MB值

表5為3種砂的石粉含量和MB值。

表5 3種砂的石粉含量和MB值

由表5可知，干法砂的石粉含量最高，而濕法砂的石粉含量則相對較低。干法砂通過收塵系統(tǒng)控制其石粉含量，收塵過程中石粉的散失較少，而濕法砂通過螺旋式洗砂機控制其石粉含量，在洗砂過程中，多數(shù)石粉隨著水流散失，使其石粉含量較低。2種機制砂的MB值均遠小于JGJ 52—2006或GB/T 14684—2011規(guī)定的限值1.4，說明2種機制砂中膨脹性黏土礦物含量低，對其在混凝土中的應(yīng)用有利。一般干法機制砂由于料源中引入的黏土性礦物較多，導(dǎo)致其存在MB值超標的風(fēng)險，本研究使用的干法機制砂料源非傳統(tǒng)的礦山碎石，而是鵝卵石，料源比較潔凈，故其MB值相對較低。

2.2 混凝土性能

2.2.1 混凝土的工作性能（見表6）

表6 砂類型對混凝土工作性能的影響

由表6可知，對于表觀密度，雖然配合比設(shè)計時混凝土的理論表觀密度均設(shè)定為2345 kg/m3，但2種機制砂混凝土的實測表觀密度均大于天然砂混凝土。主要原因是在相同的插搗作用下，機制砂的緊密堆積空隙率小于天然砂，試模內(nèi)可加入的機制砂混凝土拌合物質(zhì)量更大。同時表明，機制砂的配合比設(shè)計更適宜采用絕對體積法進行，若采用假定容重法設(shè)計機制砂配合比，則機制砂混凝土的假定表觀密度應(yīng)在相應(yīng)的天然砂混凝土基礎(chǔ)上提高20～40 kg/m3。

在拌合物坍落度均控制在（160±20）mm條件下，與天然砂混凝土相比，機制砂混凝土的水膠比需增加0.03，減水劑摻量需增加0.1%～0.2%。同時在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，雖然機制砂混凝土的坍落度相差不大，但混凝土拌合物的粘聚性差異較大。圖4為采用不同砂拌制的混凝土拌合物的狀態(tài)。

圖4 混凝土拌合物狀態(tài)

由圖4可以看出，相同坍落度條件下，天然砂混凝土和干法砂混凝土的粘聚性好，膠凝材料能夠較好地包裹骨料；濕法砂混凝土的保水性較差，膠凝材料和骨料出現(xiàn)了分離。原因是濕法砂的堆積空隙率較大，且因表面粗糙致使砂粒比表面積增大，包裹砂粒表面和填充砂粒間空隙所需漿體量大，但濕法砂的石粉含量相對較低，導(dǎo)致濕法砂混凝土的實際漿體量無法同時滿足填充和包裹的作用，致使?jié)穹ò韬衔锏哪Σ磷枇υ龃?，為了滿足設(shè)計坍落度要求，降低顆粒之間的摩擦力，又需增加用水量和減水劑摻量，而漿體量不足以吸附如此多的水分，導(dǎo)致多余的水分釋出，使其保水性變差。

同時由表6可知，混凝土的1 h坍落度損失均小于30 mm，可滿足混凝土的運輸要求。但與天然砂混凝土和干法砂混凝土的坍落度、擴展度經(jīng)時變化不同，濕法砂混凝土的1 h坍落度和擴展度反而變大。原因是濕法砂混凝土的實際漿體含量相對較少，而濕法砂的棱角性最為顯著，攪拌過程中產(chǎn)生的阻力大，120 s的攪拌時間內(nèi)各種物料的混合并不充分，導(dǎo)致減水劑的減水效果未能及時發(fā)揮出來。這也表明，機制砂混凝土的攪拌時間應(yīng)適當延長，以保證其工作性。

2.2.2 混凝土的力學(xué)性能（見表7）

表7 砂類型對混凝土抗壓強度的影響

由表7可知，采用天然砂、濕法砂及干法砂所制備混凝土的7 d抗壓強度相差不大，但是2種機制砂混凝土的28 d抗壓強度較天然砂混凝土提高8%～10%。

一般而言，混凝土所用水泥相同的情形下，水膠比是決定混凝土強度的關(guān)鍵因素。在本研究中，機制砂混凝土的設(shè)計水膠比較天然砂混凝土大0.03，但由于機制砂表面較為粗糙、含有裂縫，且其內(nèi)含有比表面積較大的石粉，致使其吸水率大于天然砂，機制砂混凝土的實際水膠比僅稍高于天然砂混凝土，機制砂混凝土中漿體強度稍低于天然砂混凝土，但機制砂棱角性顯著，砂顆粒之間形成嵌鎖效應(yīng)[10-11]，有利于混凝土的強度，有效消除了機制砂混凝土中漿體強度稍低的影響，使機制砂混凝土的7 d抗壓強度與天然砂混凝土相當。隨著養(yǎng)護齡期的延長，機制砂吸附的水分緩慢釋放出來，能夠促進機制砂表面尚未水化的水泥顆粒進一步水化[12]，起到內(nèi)養(yǎng)護作用，使界面過渡區(qū)更加致密，骨料與漿體之間的結(jié)合更加緊密[2，8，10]，故而機制砂混凝土的中后期強度較天然砂混凝土高。

2.2.3 混凝土的抗氯離子滲透性能（見表8）

表8 砂類型對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

由表8可知，與天然砂混凝土相比，干法砂混凝土的56 d電通量與天然砂混凝土相差不大，濕法砂混凝土的56 d電通量較天然砂混凝土增大59%；3種混凝土中，干法砂混凝土的56 d氯離子擴散系數(shù)最小，濕法砂混凝土的氯離子擴散系數(shù)最大。對于濕法砂混凝土，因其實際漿體量不足，拌合物保水性不佳，存在離析泌水的現(xiàn)象，導(dǎo)致硬化混凝土中形成的連通孔隙較多，進而使得濕法砂混凝土的抗氯離子滲透性能不佳。對于干法砂混凝土，其拌合物工作性良好，成型試塊致密，水分蒸發(fā)量小，產(chǎn)生的連通孔隙率低，且機制砂與漿體間的界面過渡區(qū)致密，綜合作用使得干法砂混凝土的抗氯離子滲透性能最好。

2.3 濕法砂混凝土配合比調(diào)整

濕法砂混凝土的力學(xué)性能雖能滿足配制強度要求，但是其工作性和抗氯離子耐久性都相對較差，之所以出現(xiàn)上述情況，是因為用水量較高和粉體量相對較少。故而在原配合比基礎(chǔ)上，適當增加膠凝材料用量、降低用水量、提高減水劑摻量。調(diào)整前后的配合比如表9所示，性能測試結(jié)果如表10所示。

表9 濕法砂混凝土調(diào)整前后的配合比

表10 配合比調(diào)整前后濕法砂混凝土的性能

由表10可以看出，配合比經(jīng)調(diào)整后，濕法砂混凝土的工作性得到明顯改善，56 d電通量較調(diào)整前減小39%，氯離子擴散系數(shù)較調(diào)整前減小28%，抗氯離子滲透性能顯著提供，其性能與天然砂混凝土相當。也進一步驗證了前述對濕法砂混凝土工作性和抗氯離子滲透性不佳的原因分析。同時說明，濕法砂應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)時，不宜一味通過增加用水量來改善混凝土的流動性，而應(yīng)在用水量不顯著增加的條件下，根據(jù)砂的石粉含量通過適當增加膠凝材料用量和減水劑摻量的方式來改善濕法砂混凝土的性能，尤其是抗氯離子滲透性能。

3 結(jié)論

（1）雖然濕法機制砂和干法機制砂的生產(chǎn)工藝不同，但其顆粒分布形態(tài)相較于天然砂均呈現(xiàn)為為“兩邊高、中間低”；顆粒形貌方面，濕法砂的顆粒形貌較干法砂差，且其棱角性更為顯著；濕法砂的石粉含量較干法砂低，其MB值更易得到保障；由于濕法砂的石粉含量相對較低且顆粒形貌較差，導(dǎo)致其松散堆積空隙率和緊密堆積空隙率均大于干法砂。

（2）采用假定容重法設(shè)計的機制砂混凝土實測表觀密度大于天然砂混凝土，機制砂混凝土的配合比設(shè)計更宜采用絕對體積法。

（3）在配合比和坍落度相近時，濕法棒磨砂混凝土的力學(xué)性能與干法砂混凝土相近，但其工作性和抗氯離子滲透性能均較干法砂混凝土差。

（4）在濕法棒磨機制砂的應(yīng)用中，不宜一味通過增加用水量改善混凝土的流動性，應(yīng)在用水量不顯著增加的條件下，根據(jù)機制砂的石粉含量適當增加膠凝材料用量和減水劑摻量的方式來改善混凝土的性能。