詹奇淇，章家海，王曉海，陳 慧，張?jiān)?/p>

(1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，合肥 230031；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，合肥 230031；3.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031)

目前工程中多使用經(jīng)機(jī)械破碎篩分而成的機(jī)制砂，其原料多為巖石、卵石和未經(jīng)化學(xué)處理的礦山尾礦[1]。但因破碎工藝及原巖種類的多樣性，不同批次機(jī)制砂的顆粒粒級(jí)分布及含量并不統(tǒng)一，級(jí)配也常呈現(xiàn)“兩頭大，中間小”的分布特征，易造成水泥砂漿和易性差，難以滿足建設(shè)行業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂產(chǎn)品的需求[2]，也是目前機(jī)制砂應(yīng)用受限的一項(xiàng)主要因素。

對(duì)于機(jī)制砂顆粒級(jí)配，已有的研究多是將機(jī)制砂依據(jù)級(jí)配曲線并結(jié)合細(xì)度模數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后將機(jī)制砂劃分為粗砂、中砂或細(xì)砂[3]。但成品機(jī)制砂因受破碎工藝及原材料性能限制，難以符合標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配曲線要求，細(xì)度模數(shù)的大小也無法如實(shí)反映機(jī)制砂顆粒的粒徑分布，不能有效體現(xiàn)中間顆粒含量的大小[4]。因此，《高性能混凝土用骨料》(JG/T 568—2019)通過顆粒的分級(jí)篩余對(duì)細(xì)骨料級(jí)配進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將細(xì)度模數(shù)規(guī)定在2.3～3.2范圍之間，明確了中間顆粒含量對(duì)機(jī)制砂級(jí)配質(zhì)量影響的重要性[5]。對(duì)于級(jí)配評(píng)價(jià)模型，有研究使用泰波級(jí)配和分級(jí)篩余對(duì)級(jí)配質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[6]，其中張超[7]依據(jù)富勒曲線配制出了堆積密度大、孔隙率小的Ⅰ區(qū)機(jī)制砂；黃星浩等[8]縮小了泰波級(jí)配曲線的范圍，認(rèn)為泰波級(jí)配模型參數(shù)n在0.3～0.5范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)制砂級(jí)配良好，但僅針對(duì)M15砂漿進(jìn)行研究。謝華兵[9]以不同級(jí)配的機(jī)制砂配制混凝土，驗(yàn)證了泰波級(jí)配與分級(jí)篩余的偏差值作為級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)的適用性。在此基礎(chǔ)上，該文以機(jī)制砂顆粒級(jí)配為研究對(duì)象，依據(jù)泰波級(jí)配模型，對(duì)比分析細(xì)度模數(shù)、級(jí)配區(qū)間以及泰波級(jí)配評(píng)價(jià)機(jī)制砂顆粒分布狀態(tài)的準(zhǔn)確性，為機(jī)制砂顆粒級(jí)配質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥為巢湖海螺42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

2)成品機(jī)制砂由中電建安徽長九新材料股份有限公司提供，主要成分為石灰?guī)r，細(xì)度模數(shù)為3.1，為Ⅱ區(qū)級(jí)配砂，堆積密度為1 463 kg/m3，石粉含量為8.2%，泥塊含量為2.2%，壓碎值指標(biāo)23.4%，MB值0.7。

3)將機(jī)制砂置于孔徑為0.075 mm的圓形篩上，通過圓形篩且粒級(jí)小于0.075 mm的顆粒即為試驗(yàn)用石粉。

4)粉煤灰取自合肥東凱新型建材有限公司，為Ⅱ級(jí)粉煤灰，需水量比104%，細(xì)度24.55%，含水量0.1%，燒失量2.1%。

5)砂漿拌合用水為實(shí)驗(yàn)室自來水。

1.2 試驗(yàn)方案

1)設(shè)計(jì)不同細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂 將成品機(jī)制砂分別用孔徑為4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.15 mm和0.075 mm的圓孔篩分級(jí)篩成不同粒徑的砂粒組備用，然后將其分別按照表1的分級(jí)篩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制5組機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)在1.9～3.3范圍之間。

表1 不同級(jí)配機(jī)制砂顆粒分級(jí)篩余的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2)配比設(shè)計(jì)及研究方法 參照J(rèn)GJ/T 98—2010對(duì)砂漿配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)情況對(duì)膠砂比和水膠比進(jìn)行調(diào)整，不同強(qiáng)度砂漿配比中的石粉含量固定為25%；使用J-1～J-5組機(jī)制砂配制不同強(qiáng)度等級(jí)水泥砂漿，根據(jù)機(jī)制砂級(jí)配變化對(duì)水泥砂漿性能影響的結(jié)果，對(duì)比分析細(xì)度模數(shù)和泰波級(jí)配兩種機(jī)制砂級(jí)配質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的精確性。試驗(yàn)配比見表2。

表2 不同強(qiáng)度等級(jí)機(jī)制砂砂漿試驗(yàn)配比 /(kg·m-3)

1.3 試驗(yàn)方法

機(jī)制砂特性測(cè)定試驗(yàn)方法參照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ52—2006進(jìn)行；砂漿保水率、稠度及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法均參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 70—2009進(jìn)行。

1.4 泰波級(jí)配模型及級(jí)配評(píng)價(jià)參數(shù)R2

1)泰波級(jí)配模型 現(xiàn)有泰波公式是依據(jù)富勒公式改進(jìn)的通式

式中,Ax為各粒級(jí)累計(jì)篩余率，%；n為泰波級(jí)配參數(shù)；d為各粒級(jí)尺寸，mm；dmax為機(jī)制砂顆粒最大尺寸，mm。

其中，隨著n的增大，機(jī)制砂中的細(xì)顆粒含量逐漸降低。0.3

2)級(jí)配評(píng)價(jià)參數(shù)R2

R2=∑(σi-τi)2

式中，R2為試驗(yàn)級(jí)配與泰波級(jí)配的偏差值；σi為試驗(yàn)級(jí)配對(duì)應(yīng)i級(jí)篩孔時(shí)的累計(jì)篩余率，%；τi為泰波級(jí)配對(duì)應(yīng)i級(jí)篩孔時(shí)的累計(jì)篩余率，%；i為篩孔尺寸，0.075～4.75 mm。

將五組機(jī)制砂的各粒級(jí)累計(jì)篩余率分別與最大密度曲線進(jìn)行比較，以兩者之間分布偏差的平方和進(jìn)行表征，各砂粒組R2見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)配制機(jī)制砂的級(jí)配評(píng)價(jià)

圖2中，J-1和J-2組砂粒0.6 mm以下細(xì)顆粒含量占比較大，粗顆粒含量較少，兩組砂粒級(jí)配曲線的左側(cè)部分和右側(cè)部分均在泰波級(jí)配上限和下限之外；J-3、J-4和J-5組砂粒級(jí)配曲線基本在泰波級(jí)配上限下限曲線范圍內(nèi)，0.3～2.36 mm之間顆粒明顯增加。與泰波級(jí)配上限和下限曲線進(jìn)行比較，五組砂粒的級(jí)配曲線在中部位置的斜率較大、曲線不平滑，且砂粒中間顆粒含量占比越低，曲線斜率越大。

機(jī)制砂顆粒級(jí)配曲線在泰波級(jí)配中的分布狀態(tài)可由R2進(jìn)行表征。依據(jù)表1，各粒組R2排序：J-1>J-2>J-5>J-4>J-3，R2越大代表試驗(yàn)級(jí)配越偏離最大密度曲線對(duì)應(yīng)的理想級(jí)配。因此，結(jié)合泰波級(jí)配曲線和R2大小可直觀評(píng)價(jià)機(jī)制砂不同粒級(jí)顆粒分布的合理性。如果依據(jù)細(xì)度模數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)， J-1和J-2屬于細(xì)砂，J-3和J-4屬于中砂，J-5屬于粗砂，通過細(xì)度模數(shù)僅能判斷機(jī)制砂的粗細(xì)程度，而無法評(píng)價(jià)機(jī)制砂顆粒分布質(zhì)量。這也是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中增加機(jī)制砂分級(jí)篩余作為級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)的原因。

2.2 級(jí)配變化對(duì)砂漿保水率的影響

圖3為機(jī)制砂級(jí)配對(duì)砂漿保水率的影響。不同級(jí)配下， M15和M20砂漿的保水率均大于88%； 而M5和M10砂漿保水率較小，低于88%，不滿足《預(yù)拌砂漿》JG/T 230—2007關(guān)于保水性需大于88%的規(guī)定。

此外，試驗(yàn)級(jí)配與泰波級(jí)配(n=0.45)之間的偏差值R2越小，砂漿保水率越低；偏差越大，保水率越高。各粒組中，J-3組砂粒對(duì)應(yīng)的R2為836×10-4，與最大密度曲線的偏差值最小，各強(qiáng)度等級(jí)砂漿的保水率均到達(dá)最小值。這是由于n為0.45時(shí)，顆粒堆積體系最為緊密，此時(shí)試驗(yàn)級(jí)配分布狀態(tài)接近最大密度曲線，砂粒堆積密度增大，集料堆積體系內(nèi)部的空隙率隨之減少，多余的漿料無法填充孔隙而浮于砂漿表面，引起水份的散失。J-1和J-2砂粒組R2分別為3 312×10-4和2 201×10-4，偏差值較大，此時(shí)級(jí)配分布中1.18 mm以下顆粒含量占比高，砂粒組總比表面積增加，對(duì)水的吸附性增強(qiáng)，保水率上升[11]。因此，機(jī)制砂級(jí)配曲線處于泰波級(jí)配上限和下限范圍內(nèi)時(shí)并不利于維持砂漿的保水性；機(jī)制砂級(jí)配曲線偏離最大密度曲線時(shí)，砂漿保水率反而提高。

2.3 級(jí)配變化對(duì)砂漿稠度的影響

圖4是M5～M20砂漿在不同級(jí)配下稠度算術(shù)平均值的變化情況。隨著機(jī)制砂細(xì)顆粒占比的降低，不同強(qiáng)度砂漿的稠度變化均表現(xiàn)為先增加后減小，整體上級(jí)配的變化對(duì)低強(qiáng)度砂漿稠度的影響更為顯著。其中M5和M10砂漿稠度達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)制砂R2分別為845×10-4和836×10-4，0.6 mm以下顆粒質(zhì)量占比分別為42%和44%；M15和M20砂漿稠度最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的R2分別為836×10-4和2 201×10-4， 0.6 mm以下顆粒質(zhì)量占比分別為44%和56%。說明試驗(yàn)級(jí)配與最大密度曲線偏差值較小時(shí)，有利于提高砂漿稠度；當(dāng)砂漿配比保持不變時(shí)，依據(jù)R2的大小即可預(yù)測(cè)砂漿的合理稠度。這是由于R2較大時(shí)，J-1和J-2組細(xì)顆粒含量和J-5組中間顆粒含量占比較高，砂粒比表面積隨之增加，而單方膠凝材料用量不變時(shí)，膠凝體系無法有效包裹機(jī)制砂顆粒，顆粒間內(nèi)摩擦效應(yīng)增強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)出砂漿干涸，流動(dòng)性降低[12]。

2.4 級(jí)配變化對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5分析可得，級(jí)配的變化對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)砂漿7 d及28 d抗壓強(qiáng)度的影響并不顯著，機(jī)制砂級(jí)配接近最大密度曲線時(shí)，砂漿抗壓強(qiáng)度稍有提高，砂漿抗壓強(qiáng)度主要隨膠砂比的不同而變化。對(duì)于級(jí)配的變化，在配比其他因素不變時(shí)，R2越大，機(jī)制砂兩端尺寸的顆粒篩余量隨之增加，不同粒徑的砂?；ハ嗵畛洳缓侠恚瑹o法形成較為密實(shí)的堆積體系。砂漿受壓承載破壞時(shí)，集料之間的支撐及咬合效應(yīng)也隨之減弱，砂漿強(qiáng)度稍有降低[13]。

2.5 成品機(jī)制砂級(jí)配特性評(píng)價(jià)的驗(yàn)證

對(duì)安徽省機(jī)制砂生產(chǎn)廠進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，共取得15組成品機(jī)制砂樣本。圖6為兩種主要工藝類型機(jī)制砂樣本的顆粒分布狀態(tài)，各組砂樣測(cè)定結(jié)果見表3。

表3 成品機(jī)制砂檢測(cè)結(jié)果

級(jí)配區(qū)間和細(xì)度模數(shù)是評(píng)價(jià)建設(shè)用砂粗細(xì)程度以及砂粒堆積狀態(tài)的常用指標(biāo)。依據(jù)篩分析試驗(yàn)結(jié)果，總樣本中11組為Ⅰ區(qū)砂，細(xì)度模數(shù)在2.9～3.9之間；3組為Ⅱ區(qū)砂，細(xì)度模數(shù)在2.7～3.1之間；1組不在級(jí)配區(qū)間內(nèi)，細(xì)度模數(shù)為4.9，未發(fā)現(xiàn)Ⅲ區(qū)砂，成品機(jī)制砂樣本均屬于中粗砂。所調(diào)研機(jī)制砂樣本多為中間顆粒(0.3～1.18 mm)含量少，粗顆粒(2.36～4.75 mm)和粉料(0.150 mm以下)含量大，與天然砂粒徑分布情況截然不同。

表3測(cè)定結(jié)果表明，成品機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)和級(jí)配區(qū)間與空隙率之間無明顯的嚴(yán)格數(shù)學(xué)關(guān)系，僅使用細(xì)度模數(shù)和級(jí)配區(qū)間并不能真實(shí)地反映機(jī)制砂顆粒的粒級(jí)分布和堆積狀態(tài)。但是，R2卻與空隙率之間呈正比關(guān)系，R2越小，機(jī)制砂空隙率越低，機(jī)制砂級(jí)配曲線更接近泰波級(jí)配中的最大密度曲線，此時(shí)機(jī)制砂內(nèi)部不同粒徑的砂粒逐級(jí)填充形成較為密實(shí)的堆積形態(tài)。

綜上分析，使用R2和分級(jí)篩余共同評(píng)價(jià)機(jī)制砂級(jí)配特性具有較好的合理性和準(zhǔn)確性；而細(xì)度模數(shù)和級(jí)配區(qū)間僅能反映機(jī)制砂的粗細(xì)程度，無法合理表征機(jī)制砂特有的粒級(jí)分布特性。

3 結(jié) 論

a.依據(jù)機(jī)制砂級(jí)配在泰波級(jí)配中的分布情況和R2可直觀評(píng)價(jià)機(jī)制砂各級(jí)粒度的分布質(zhì)量。

b.對(duì)于保水率，機(jī)制砂級(jí)配曲線處于泰波級(jí)配曲線上限和下限范圍內(nèi)時(shí)不利于改善砂漿的保水性能，偏離最大密度曲線時(shí)，砂漿保水率反而提高；對(duì)于稠度，機(jī)制砂級(jí)配曲線與最大密度曲線偏差值較小時(shí)，有利于提高砂漿稠度；對(duì)于抗壓強(qiáng)度，級(jí)配的變化對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響并不顯著，但機(jī)制砂級(jí)配接近最大密度曲線時(shí)有利于提高砂漿的抗壓強(qiáng)度。

c.成品機(jī)制砂多為中粗砂，中間顆粒含量較少。其細(xì)度模數(shù)和級(jí)配區(qū)間與空隙率之間無明顯的嚴(yán)格數(shù)學(xué)關(guān)系，但是R2卻與空隙率之間呈正比關(guān)系。對(duì)于機(jī)制砂，使用R2和分級(jí)篩余共同評(píng)價(jià)機(jī)制砂級(jí)配特性具有更好的合理性和準(zhǔn)確性。