鄭孫博, 陳嘉健*,夏 勇, 周 敏, 楊騰宇, 舒本安

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院,廣東 佛山 528000；2.佛山市交通科技有限公司,廣東 佛山 528000)

0 引 言

隨著我國(guó)大規(guī)模進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，天然砂在很多地區(qū)已近枯竭，又因常年的亂采亂挖，造成了嚴(yán)重的自然生態(tài)破壞，與十九大報(bào)告提出的“建設(shè)美麗中國(guó)讓青山綠水變成金山銀山”相違背。在這種大背景下，中國(guó)正快速進(jìn)入使用機(jī)制砂代替天然砂進(jìn)行工程建設(shè)的新時(shí)期[1-2]。機(jī)制砂系巖石經(jīng)專(zhuān)門(mén)機(jī)械破碎篩分制成，因而有著自身的特性。與天然砂相比，機(jī)制砂具有表面粗糙多孔、有尖銳的棱角、粘結(jié)性能良好等特點(diǎn)[3-5]。機(jī)制砂的母巖品種、堅(jiān)固性、吸水性、顆粒形狀、級(jí)配以及石粉摻量等對(duì)砂漿和混凝土性能產(chǎn)生很大影響。卵石和石灰?guī)r的質(zhì)量較好且分布廣泛，常用于制備機(jī)制砂，該機(jī)制砂已經(jīng)獲得眾多學(xué)者的持續(xù)研究。李鳳蘭等研究表明卵石機(jī)制砂的石粉摻量控制在13%以?xún)?nèi)時(shí)可滿(mǎn)足混凝土拌合物的工作性能和現(xiàn)行規(guī)范對(duì)混凝土基本力學(xué)性能的要求[6]；W.G.Shen教授在研究中表明機(jī)制砂中的石粉可以提高水泥漿體包裹骨料的能力，減小孔隙，使混凝土結(jié)構(gòu)致密化[7]；湯晴教授的研究表明，隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度明顯低于石灰?guī)r機(jī)制砂抗壓強(qiáng)度[8]；W.G.Shen教授在研究中表明機(jī)制砂顆粒形狀和表面紋理對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響小于石粉、粘土塊含量和顆粒級(jí)配對(duì)其性能的影響[9]。

此前的研究表明，石粉摻量對(duì)機(jī)制砂性能起著十分關(guān)鍵的作用[10-13]。D.M.Malhotra研究表明機(jī)制砂石粉摻量為7%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度優(yōu)于河砂[14]；V.L.Bonavetti研究表明在機(jī)制砂中加入10%～15%的石粉不會(huì)對(duì)混凝土的物理力學(xué)性能產(chǎn)生有害影響[15]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1)水泥：中國(guó)廣州石井水泥公司石井牌P.O42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試用水泥主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance index of cement in trial

2)細(xì)骨料：佛山本地石灰?guī)r機(jī)制砂和卵石機(jī)制砂。

3)外加劑：廣東瑞安LS-JS聚羧酸高效減水劑，符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(附條文說(shuō)明)》。

4)水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 機(jī)制砂基本材料性能

分別按JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》[16]和GB/T 14684—2011《建筑用砂》[17]測(cè)試試驗(yàn)機(jī)制砂的基本材料性能，主要包括石粉摻量、亞甲藍(lán)值(MB值)、針片狀含量、級(jí)配、空隙率及壓碎值。

1.2.2 相同石粉摻量下機(jī)制砂巖性對(duì)膠砂性能的影響

不同巖性的機(jī)制砂在表觀密度、堆積密度、細(xì)度模數(shù)、石粉摻量等物性差異較大[18]，而機(jī)制砂中石粉摻量對(duì)膠砂性能的影響最為顯著。因此試驗(yàn)以?xún)煞N機(jī)制砂中最低石粉摻量值為基準(zhǔn)，通過(guò)75 μm篩對(duì)另外一種機(jī)制砂進(jìn)行篩分處理使其達(dá)到相同的石粉摻量值，對(duì)比研究機(jī)制砂石粉摻量相同的情況下，機(jī)制砂巖性對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響。

1.2.3 不同石粉摻量對(duì)機(jī)制砂膠砂性能的影響

通過(guò)水洗及內(nèi)摻石粉的方式，將2種機(jī)制砂分別配制成石粉摻量為0%、5%、10%、15%、20%的幾種類(lèi)型，研究石粉摻量對(duì)流動(dòng)度(初期、0.5 h)和抗壓強(qiáng)度(3 d、28 d)、抗折強(qiáng)度(3 d、28 d)的影響。機(jī)制砂砂漿的流動(dòng)度參考標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》GB/T 2419—2005[19]測(cè)定，依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》[20]測(cè)試膠砂強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 機(jī)制砂基本材料性能

表2為試驗(yàn)測(cè)得的兩種機(jī)制砂的基材材料性能。機(jī)制砂系由巖石經(jīng)破碎而獲得，與天然砂相比最大的特點(diǎn)就是含有大量粒徑小于75 μm的細(xì)粉顆粒(稱(chēng)為石粉)。卵石的形狀多為圓形，表面光滑，質(zhì)地較硬，其主要成分為二氧化硅；而石灰?guī)r的主要成分為碳酸鹽巖，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，與卵石相比較其質(zhì)地偏軟，在機(jī)器破碎過(guò)程中更易產(chǎn)生細(xì)粉。試驗(yàn)測(cè)得卵石機(jī)制砂的壓碎值為8.0%，石粉摻量為4.7%，而石灰?guī)r機(jī)制砂的壓碎值為25%，石粉摻量為8.4%，符合兩種骨料的巖性結(jié)構(gòu)和形成特性。

表2 兩種機(jī)制砂的基本材料性能Table 2 Basic material properties of the two manufactured sand

MB值，表示機(jī)制砂中含泥量大小，亞甲藍(lán)試驗(yàn)是確定細(xì)集料、細(xì)粉、礦粉中是否存在膨脹性粘土礦物并確定其含量的整體指標(biāo)。泥粉大多為松散多孔的層狀結(jié)構(gòu)，顆粒較細(xì)且比表面積大，泥粉含量的增加測(cè)試體現(xiàn)為MB值的增大，將會(huì)大大減低砂漿的流動(dòng)度，同時(shí)降低砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度[21]。試驗(yàn)測(cè)得卵石機(jī)制砂的MB為1.00，石灰?guī)r機(jī)制砂的MB值為2.75，表明在含泥量指標(biāo)上，卵石機(jī)制砂的品質(zhì)優(yōu)于石灰?guī)r機(jī)制砂。

圖1為兩種機(jī)制砂的級(jí)配圖。機(jī)制砂的諸多主要性能參數(shù)中，控制機(jī)制砂質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)為顆粒級(jí)配，良好的級(jí)配對(duì)機(jī)制砂膠砂性能有著重要影響。當(dāng)砂中粒徑較大的細(xì)骨料偏多時(shí)，砂漿會(huì)出現(xiàn)輕微的泌水和離析現(xiàn)象；當(dāng)砂漿中粒徑較小的骨料占多數(shù)時(shí)，將會(huì)降低砂漿的流動(dòng)性。試驗(yàn)測(cè)得兩種機(jī)制砂的級(jí)配均在GB/T14684—2011《建筑用砂》[17]二區(qū)砂的顆粒級(jí)配范圍內(nèi)，二區(qū)砂的級(jí)配范圍對(duì)應(yīng)圖1中的上限和下限。由于卵石機(jī)制砂的空隙率為36%略低于石灰?guī)r機(jī)制砂空隙率為39%，因而卵石機(jī)制砂的顆粒互相填充的密實(shí)度優(yōu)于石灰?guī)r機(jī)制砂，使得卵石機(jī)制砂級(jí)配較優(yōu)。從目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀來(lái)看，使用破碎的機(jī)器不同，機(jī)制砂常存在級(jí)配不良或超出級(jí)配范圍的情況，從有關(guān)機(jī)制砂級(jí)配如何合理控制是工程中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。

圖1 機(jī)制砂級(jí)配圖Fig.1 Grading diagram of manufactured sand

2.2 相同石粉摻量下機(jī)制砂巖性對(duì)膠砂性能的影響

最低石粉摻量為卵石機(jī)制砂的4.7%，對(duì)石灰?guī)r機(jī)制砂進(jìn)行篩分處理使其達(dá)到相同的石粉摻量值，兩種機(jī)制砂膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖2、圖3。從強(qiáng)度結(jié)果分析，卵石機(jī)制砂砂漿的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度幾乎都略高于石灰?guī)r機(jī)制砂，但二者相差不大，且隨著齡期的增加增幅逐漸減小。說(shuō)明不同巖性的機(jī)制砂對(duì)膠砂強(qiáng)度有一定的影響，由于卵石機(jī)制砂質(zhì)地較硬，且級(jí)配良好，使得砂漿結(jié)構(gòu)的骨架較完整，膠砂性能優(yōu)于石灰?guī)r機(jī)制砂。此外，試驗(yàn)的石灰?guī)r機(jī)制砂石粉摻量為4.7%，相較于其原本8.4%的石粉摻量減少了44%，由于石灰?guī)r機(jī)制砂粒徑在0.3 mm以下的顆粒偏少，加之其石粉摻量的減少，不足以填充細(xì)骨料間的間隙，造成砂漿內(nèi)部孔隙較多，導(dǎo)致其強(qiáng)度低于卵石機(jī)制砂。

圖2 砂漿抗折強(qiáng)度Fig.2 Bending strength of mortar

圖3 砂漿抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of morta

2.3 不同石粉摻量對(duì)不同巖性機(jī)制砂膠砂性能的影響

機(jī)制砂流動(dòng)度隨石粉摻量的變化情況試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4，從圖中可以看出隨著石粉摻量的增加，兩種機(jī)制砂的流動(dòng)度都呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樯皾{中摻入石粉時(shí)，增加了砂漿中泥漿體積，有利于減少機(jī)制砂顆粒間的摩擦力，提高了砂漿的流動(dòng)度；但是，當(dāng)石粉摻量較高時(shí)，由于石粉顆粒表面積較大，顆粒表面覆蓋的水量較少，導(dǎo)致砂漿的流動(dòng)度下降。

同時(shí)，圖4中結(jié)果也顯示了卵石機(jī)制砂的初期和0.5 h時(shí)的流動(dòng)度均大于石灰?guī)r機(jī)制砂。這是因?yàn)槁咽瘷C(jī)制砂顆粒形狀偏圓形，有助于砂漿試樣的流動(dòng)，而石灰?guī)r機(jī)制砂顆粒多棱角，不利于砂漿試樣的流動(dòng)。因此，卵石機(jī)制砂砂漿試樣的流動(dòng)度大于石灰石機(jī)制砂砂漿的流動(dòng)度。

圖4 卵石機(jī)制砂流動(dòng)度Fig.4 Flow of pebble manufactured sand

機(jī)制砂砂漿試塊的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度隨石粉摻量的變化情況如圖5～圖8所示。試驗(yàn)表明，在3 d齡期與28 d齡期時(shí)兩種機(jī)制砂的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度都隨著石粉摻量的增加都出現(xiàn)了先增大后減小的情況，且均在石粉摻量為5%時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到峰值，均在石粉摻量為10%附近時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。此外，卵石機(jī)制砂在3 d和28 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度都比石灰?guī)r機(jī)制砂的強(qiáng)度高，這與上文在相同石粉摻量下測(cè)試兩種機(jī)制砂的抗壓強(qiáng)度結(jié)果相同，而且卵石機(jī)制砂的級(jí)配優(yōu)于石灰?guī)r機(jī)制砂，故它表現(xiàn)出較優(yōu)的膠砂性能。從圖6可以看出，在28 d齡期時(shí)，石灰?guī)r機(jī)制砂的抗折強(qiáng)度略高于卵石機(jī)制砂，此規(guī)律和抗壓強(qiáng)度并不一致。該較高的28 d齡期抗折強(qiáng)度可能由于石灰?guī)r機(jī)制砂針片狀含量較低、表面較粗糙，從而在較長(zhǎng)齡期抗折測(cè)試時(shí)產(chǎn)生較高的咬合力。

圖5 3 d抗折強(qiáng)度Fig.5 3 d bending strength

圖6 28 d抗折強(qiáng)度Fig.6 28 d bending strength

圖7 3 d抗壓強(qiáng)度Fig.7 3 d compressive strength

圖8 28 d抗壓強(qiáng)度Fig.8 28 d compressive strength

造成上述機(jī)制砂膠砂強(qiáng)度先增大后減小的機(jī)理如下：砂漿中大部分水泥參與水化發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生具有粘性性能的水化硅酸鈣(C—S—H)凝膠，而此時(shí)只有小部分水泥顆粒被用來(lái)填充細(xì)骨料之間的空隙。隨著石粉的摻入，細(xì)骨料間孔隙主要由石粉進(jìn)行填充，使得砂漿結(jié)構(gòu)的孔隙被細(xì)化，提高了砂漿內(nèi)部孔隙的密實(shí)度，同時(shí)更多的水泥可以參與到水化反應(yīng)中，從而提高了膠砂強(qiáng)度。但隨著石粉摻量的逐漸增加，將會(huì)導(dǎo)致砂漿的級(jí)配變得不合理，小粒徑顆粒增加，大粒徑顆粒減少，使得機(jī)制砂的骨架結(jié)構(gòu)劣化，從而造成膠砂強(qiáng)度降低。

3 結(jié) 論

1)不同巖性機(jī)制砂的基本材料性能表現(xiàn)出不同的特性，因其母巖本身結(jié)構(gòu)成份不同，造成機(jī)制砂的石粉摻量、MB值、針片狀含量、級(jí)配、空隙率及壓碎值均不同。其中，不同巖性的機(jī)制砂的級(jí)配相差較大，卵石機(jī)制砂的級(jí)配優(yōu)于石灰?guī)r機(jī)制砂。

2)在石粉摻量相同的情況下，卵石機(jī)制砂砂漿的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度均高于石灰?guī)r機(jī)制砂砂漿，但二者相差不大，且隨著齡期的增加增幅逐漸減??；不同巖性的機(jī)制砂對(duì)膠砂強(qiáng)度有一定的影響，由于卵石機(jī)制砂質(zhì)地較硬，且級(jí)配良好，使得砂漿結(jié)構(gòu)的骨架較完整。

3)隨著石粉摻量的增加，兩種機(jī)制砂的流動(dòng)度都呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，且卵石機(jī)制砂的初期和0.5 h時(shí)的流動(dòng)度均大于石灰?guī)r機(jī)制砂。

4)卵石、石灰?guī)r機(jī)制砂的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度在3 d齡期與28 d齡期時(shí)都隨著石粉摻量的增加出現(xiàn)了先增大后減小的現(xiàn)象，且均在石粉摻量為5%時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到峰值，均在石粉摻量為10%附近時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。適當(dāng)?shù)氖蹞搅坑幸嬗跈C(jī)制砂膠砂性能的提高，過(guò)量的石粉則會(huì)降低膠砂性能，不同巖性的機(jī)制砂均表現(xiàn)出此特性，其中石粉摻量在5%～10%時(shí)為最佳。

致 謝

本研究項(xiàng)目由建筑科學(xué)研究院和佛山市交通科技有限公司組織完成。鳴謝建筑科學(xué)研究院和佛山市交通科技有限公司對(duì)本項(xiàng)目的指導(dǎo)和支持。