王 熙 程貞樺 李少偉

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350108)

0 引言

砂漿是土木工程建設(shè)必須的建筑材料，砂是其重要組成部分。當(dāng)前，天然砂已因過度開采面臨短缺問題，為此，我國許多地方對(duì)河砂的開采進(jìn)行限制。2020年，福建省國土廳發(fā)布了機(jī)制砂發(fā)展五年計(jì)劃，要求全省在年底前達(dá)到5000萬m3機(jī)制砂的生產(chǎn)能力[1]。由專業(yè)破碎設(shè)備破碎巖石得到的機(jī)制砂，將逐步代替天然砂。機(jī)制砂與天然砂相比，具有棱角更尖銳、不規(guī)則形狀顆粒含量高的特點(diǎn)[2]，導(dǎo)致機(jī)制砂與天然砂的砂漿性能有所不同。

國內(nèi)已有很多機(jī)制砂的砂漿性能和砂漿抗凍機(jī)理方面的研究。陰小琴[3]提出，機(jī)制砂石粉含量在10%左右時(shí)，砂漿性能最佳；孫星海等[4]研究了機(jī)制砂的形貌和巖性對(duì)砂漿性能的影響；周新文等[5]提出，機(jī)制砂顆粒的不規(guī)則形貌，能夠增加砂漿的表觀粘度和硬化后的屈服應(yīng)力。但以上研究側(cè)重于機(jī)制砂的某些特征，未對(duì)機(jī)制砂砂漿在抗凍性能試驗(yàn)中的一些特殊現(xiàn)象做深入討論。

本文以天然砂作為對(duì)照組，以多種不同產(chǎn)地的機(jī)制砂為試驗(yàn)組，分別將這些砂制成相同配合比、相同原材料的水泥砂漿，研究不同機(jī)制砂對(duì)砂漿的和易性、強(qiáng)度和抗凍性能的影響，重點(diǎn)討論了吸水率和試塊干重對(duì)抗凍性能的影響，為工程應(yīng)用提供更多參考。

1 原材料

水泥為同一批生產(chǎn)的P·Ⅰ42.5基準(zhǔn)水泥。

砂為南方路基集團(tuán)使用相同破碎設(shè)備得到的8種機(jī)制砂和采自福州的天然砂，機(jī)制砂的原料來自8個(gè)產(chǎn)地，分別為：荊門、鄭州、江西、泉州、海口、瀏陽、柳州、山西。9種砂的外觀分別如圖1～圖9所示。

圖1 福州天然砂 圖2 荊門機(jī)制砂 圖3 鄭州機(jī)制砂

圖4 江西機(jī)制砂 圖5 泉州機(jī)制砂 圖6 ?？跈C(jī)制砂

圖7 瀏陽機(jī)制砂 圖8 柳州機(jī)制砂 圖9 山西機(jī)制砂

使用標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》(GB/T14684-2011)的方法對(duì)砂的顆粒級(jí)配進(jìn)行檢測(cè)，分計(jì)篩余結(jié)果如表1所示，級(jí)配區(qū)屬、細(xì)度模數(shù)、規(guī)格如表2所示，從表2可以看出，?？跈C(jī)制砂、瀏陽機(jī)制砂的規(guī)格分別為粗砂和細(xì)砂，其余7種砂的規(guī)格都是中砂。

表1 9種砂的分計(jì)篩余

表2 9種砂的級(jí)配區(qū)屬、細(xì)度模數(shù)、規(guī)格

從表1可以看出，和天然砂相比，機(jī)制砂中粒徑大于1.18 mm和小于0.3 mm顆粒更多，其級(jí)配呈現(xiàn)出“兩頭大、中間小”的特點(diǎn)。

2 試驗(yàn)方法

按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)測(cè)定砂漿的強(qiáng)度、水泥膠砂流動(dòng)度，按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70-2009)測(cè)定砂漿的吸水率、保水率、抗凍性能。試驗(yàn)配合比如表3所示。

表3 配合比(質(zhì)量比)

3 結(jié)果和討論

3.1 機(jī)制砂級(jí)配對(duì)砂漿和易性的影響

9種機(jī)制砂的砂漿拌合物的水泥膠砂流動(dòng)度、吸水率、保水率、試塊干重(標(biāo)養(yǎng)到第28 d后，105℃烘干2 d后稱重)分別如圖10～圖13所示。

圖10 水泥膠砂流動(dòng)度

圖11 吸水率

圖12 保水率

圖13 試塊干重

由表2看出，作為所有試驗(yàn)的對(duì)照組的福州天然砂的級(jí)配屬于2區(qū)，規(guī)格為中砂，其級(jí)配和規(guī)格都較為常見，其拌合物的水泥膠砂流動(dòng)度較低、略干稠、保水率較高，其成型的試塊干重也較低，放映出其試塊孔隙較多，密實(shí)程度較差。由此可知，對(duì)照組天然砂相比多數(shù)試驗(yàn)組機(jī)制砂，有更大的需水量，這是由于對(duì)照組天然砂的細(xì)顆粒和粗顆粒相對(duì)機(jī)制砂更少，其粒徑分布表現(xiàn)為“兩頭小、中間大”，其級(jí)配雖然符合2區(qū)要求，但實(shí)際上難以做到密集堆積。江西機(jī)制砂的拌合物的水泥凈漿流動(dòng)度最低、最為干稠、保水率最高，反映出江西機(jī)制砂的石粉含量過大，引起其需水量過大，其成型的試塊的干重最低、吸水率最高，反映出其孔隙最多，密實(shí)程度最差。山西機(jī)制砂的砂漿試塊吸水率最低、干重最高，反映出其孔隙最少，密實(shí)程度最好。這是由于山西機(jī)制砂的(0～0.15)mm范圍內(nèi)的顆粒最多，更多的細(xì)顆?？梢园l(fā)揮填充效應(yīng)[6]，使孔隙減少。由于荊門、瀏陽、泉州、鄭州的機(jī)制砂的級(jí)配互相之間較為接近，都屬于或接近標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14684-2011中的2區(qū)砂，其級(jí)配較合理且細(xì)度模數(shù)大小適中，因此其拌合物的水泥膠砂流動(dòng)度較大、保水率和吸水率適中，可推測(cè)其孔隙規(guī)模較為合適、密實(shí)程度適中。

從以上和易性結(jié)果可以看出，荊門、瀏陽、泉州、鄭州的機(jī)制砂的砂漿的和易性能在九種機(jī)制砂的砂漿中相對(duì)較好，這4種機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)在2.2～2.7的范圍內(nèi)，細(xì)度模數(shù)大小適中意味著砂的級(jí)配合理的可能性較大，級(jí)配合理使砂能較密集地堆積，利于降低漿集比和需水量。

3.2 砂漿強(qiáng)度

由圖14～圖15得出，福州的天然砂和江西的機(jī)制砂所拌合的砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度較低，山西的機(jī)制砂拌合的砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最高，荊門、鄭州、泉州、柳州的機(jī)制砂拌合的砂漿抗折強(qiáng)度較高，荊門、泉州、柳州的機(jī)制砂拌合的砂漿抗壓強(qiáng)度較高。

圖14 抗折強(qiáng)度

圖15 抗壓強(qiáng)度

可以看出，強(qiáng)度和吸水率負(fù)相關(guān)，與和易性、試塊干重都正相關(guān)。

3.3 吸水率和試塊干重對(duì)砂漿抗凍性能的影響

在凍融循環(huán)的過程中，有4種因素同時(shí)起作用：a.因?yàn)樵噳K密實(shí)程度較差，其孔隙較多，固體骨架強(qiáng)度較低，水受凍結(jié)冰的膨脹壓力直接破壞了固體骨架；b.試塊過于密實(shí)，試塊孔隙中的水受凍結(jié)冰發(fā)生體積膨脹，擠壓周圍未結(jié)冰的水，使后者通過氣孔之間的毛細(xì)孔道向周圍氣孔遷移。但由于試塊過于密實(shí)，氣孔之間缺少毛細(xì)孔道，水遷移時(shí)流動(dòng)阻力過大，體現(xiàn)為膨脹壓力。當(dāng)膨脹壓力超過固體骨架的承受能力時(shí)，產(chǎn)生較多微裂縫；c.砂漿的密實(shí)程度適中，氣孔之間有規(guī)模適中的毛細(xì)孔道，使內(nèi)部水分在受結(jié)冰擠壓時(shí)，容易向周圍氣孔遷移，遷移時(shí)流動(dòng)阻力小，作用于固體骨架的膨脹壓力較小[7]，試塊適中的密實(shí)程度也使固體骨架的強(qiáng)度能夠抵抗作用于其上的壓力，較少產(chǎn)生微裂縫；d.凍融循環(huán)的試驗(yàn)環(huán)境使試塊受到比標(biāo)養(yǎng)更好的養(yǎng)護(hù)：當(dāng)試件在水中融化時(shí)，大量水因毛細(xì)作用進(jìn)入試塊內(nèi)部，使試塊深處的水化反應(yīng)有了更加適宜的反應(yīng)條件；當(dāng)試件在空氣中凍結(jié)時(shí)，孔隙中還存在著大量未結(jié)冰的水，這些水為未結(jié)冰的原因有兩個(gè)：

(1)孔隙中的水作為溶劑溶解了大量離子，導(dǎo)致熔點(diǎn)降低；

(2)試塊孔隙中的部分水在結(jié)冰膨脹時(shí)受到約束，只有其中的一部分結(jié)成冰，另一部分形成過冷狀態(tài)。這些未結(jié)冰的水仍然維持著水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

試塊的密實(shí)程度和固體骨架強(qiáng)度與因素a、b、c中哪種因素起作用息息相關(guān)，密實(shí)程度和吸水率有很大的相關(guān)性：吸水率越大，試塊內(nèi)部的溝通各個(gè)氣孔的毛細(xì)孔道越多；固體骨架強(qiáng)度和試塊干重有很大的相關(guān)性：試塊干重越重，固體骨架強(qiáng)度越高。從圖11和圖13可知，江西機(jī)制砂的砂漿試塊吸水率最高、干重最低，因此在其凍融循環(huán)過程中，因素a起絕對(duì)主導(dǎo)作用。由圖16可知，從凍融50次～100次期間，試塊質(zhì)量迅速下降，此時(shí)試塊完全破壞，如圖18所示；福州機(jī)制砂的砂漿試塊吸水率適中、但干重較低，因此因素a起主導(dǎo)作用；柳州、泉州、荊門、鄭州、瀏陽、?？诘臋C(jī)制砂的砂漿試塊吸水率適中、干重適中或較大，因此因素d起主導(dǎo)作用或因素d、c的作用大致相當(dāng)。從圖17可知，此時(shí)試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度超過對(duì)照組。從圖19可知，此時(shí)試塊表面有產(chǎn)生裂紋，但是表面剝蝕輕微；山西的機(jī)制砂的砂漿試塊吸水率最小、干重最大，因此因素b起主導(dǎo)作用，此時(shí)微裂縫隨著凍融次數(shù)增加逐漸產(chǎn)生、擴(kuò)展并形成彼此相通的裂紋網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而加速試塊的表面剝蝕[8]，這種現(xiàn)象見于圖20。從圖16可以看到，山西機(jī)制砂砂漿試塊質(zhì)量隨著凍融次數(shù)增加有緩慢下降趨勢(shì)。從圖17也能看到山西機(jī)制砂砂漿試塊的試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度顯著小于對(duì)照組。

圖16 試塊在凍融循環(huán)過程中質(zhì)量的變化

圖17 凍融循環(huán)后試驗(yàn)組的試塊抗壓強(qiáng)度

圖18 江西機(jī)制砂的砂漿試塊(試驗(yàn)組) 圖19 吸水率適中的砂漿試塊(試驗(yàn)組) 圖20 山西機(jī)制砂的砂漿試塊(試驗(yàn)組)

砂漿抗凍性能的試驗(yàn)需要頻繁地制冷、抽水，消耗大量電能，耗時(shí)也較長。通過檢測(cè)試塊干重和吸水率這兩個(gè)參數(shù)，能較好地推測(cè)砂漿抗凍性能，節(jié)省下凍融循環(huán)的大量能耗，符合當(dāng)下發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的時(shí)代大勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)本文使用的天然砂的細(xì)顆粒和粗顆粒的含量較本文使用的機(jī)制砂更少，導(dǎo)致前者級(jí)配稍差，使得前者的需水量相比后者更大。

(2)機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)在2.2～2.7范圍內(nèi)時(shí)，砂漿的和易性較好，成型后較為密實(shí)。

(3)機(jī)制砂含石粉過多會(huì)增加需水量，導(dǎo)致砂漿干稠、難以成型，成型后不密實(shí)，硬化后吸水率大、孔隙多、強(qiáng)度低。

(4)砂漿試塊的吸水率和干重，分別體現(xiàn)了試塊的毛細(xì)孔道規(guī)模和固體骨架強(qiáng)度，這兩個(gè)因素共同影響了凍融循環(huán)時(shí)試塊內(nèi)部液相的行為，決定了試塊抗凍性能的好壞。