机制砂形态和级配对水泥砂浆工作性能和力学性能的影响.pdf

2024/01 总第 575 期 CONSTRUCTION MACHINERY15交流园地EXCHANGE FORUM伴随着天然砂和河砂的日益短缺，其在混凝土的应用受到严重限制1，2。机制砂作为绿色的可持续建筑材料，其在缓解混凝土用砂的供需矛盾方面具有很好的潜力3。然而，机制砂在制造过程中，由于工艺原因易出现片状颗粒、级配不良等情况，这对混凝土的性能将产生不良影响4。在级配产生的影响方面，罗健勇等选取了累计筛余百分率相近但分计筛余差异性较大的机制砂，以此分析级配对混凝土性能的影响，并指出采用分计筛余百分比表征级配更加合理5。艾长发等以1.18mm为分界点，机制砂形态和级配对水泥砂浆工作性能和力学性能的影响韩玉虎，陈文达，黄佳宇（中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏 连云港 222000）摘要为研究机制砂粒径的物理特性对水泥基材料的影响，采用3种针片状含量、3种单粒径的机制砂配制水泥砂浆，并研究砂粒形态和级配对砂浆工作性能、力学强度、孔结构特征的影响。结果表明：随着针片含量或粒径增加，砂浆的流动性、抗压强度逐渐下降；多害孔的占比也将增大，4.759.5mm粒径对工作性能和抗压强度影响显著，且片状颗粒含量的提升对粒径增大和多害孔比例增大的作用更为显著，应严格控制其含量；细度模数与砂浆的工作性能呈显著的线性关系，而力学性能主要受细度模数和空隙率影响，总体上抗压强度随着细度模数的增大而增大；级配的调整主要是通过影响孔数量和孔径影响宏观性能，尤其是显著增加多害孔数量(800nm)，进而影响砂浆的工作性能和力学强度。关键词机制砂；形态；级配；水泥砂浆；孔结构中图分类号TU528文献标识码A文章编号1001-554X（2024）01-0015-05DOI:10.14189/ki.cm1981.2024.01.025收稿日期 2023-06-14通讯地址 韩玉虎，江苏省连云港市连云区中山中路147号凝土性能之间的相互关系10；刘凤翰等研究了集料的针片状颗粒对混凝土的影响，并发现在含量相同情况下，力学强度随片状颗粒的增大而下降11。但总体上，关于机制砂形态对水泥基材料的影响仍缺乏系统研究。目前，尽管关于机制砂特性对水泥基材料性能的影响已开展相关研究，但在研究片状颗粒对性能的影响时主要研究了6种级配下的混凝土性能，指出了影响机制砂级配特性的关键因素，以及累计筛余百分比的控制方法6；芮捷等研究了机制砂细度模数对高强混凝土的工作性能、力学性能和抗渗性能；俞爱月通过与河砂复配从而改善机制砂的级配，并发现可显著提高沙井的强度和耐久性8。在颗粒形态方面，机制砂中的片状颗粒是影响水泥基材料的重要因素，宋少民等提出了机制砂中的片状颗粒定义及检测方法9；梁辉研究了不同表面粗糙度砂（机制砂、卵石）混凝土性能的影响，进而建立了颗粒特性与混建筑机械16交流园地EXCHANGE FORUM是通过在级配合格中掺入片状颗粒的形式，难以分离级配与形态对水泥基材料性能的影响12，13。而且，当前关于机制砂颗粒粒径大小对水泥砂浆的影响规律也尚不明确。为此，本文通过实验设计分别研究片状颗粒形态、级配对水泥砂浆的性能影响，为机制砂水泥基材料的设计与应用提供理论依据。1 原材料与试验配比1.1 原材料水泥采用河北石家庄的普通硅酸盐42.5水泥，基本特性测试结果见表1。采用河北某新型材料公司生产的机制砂，细度模数为2.78，石粉含量为7.5%，推挤密度为1745kg/cm，表观密度为2640kg/cm。减水剂选择陕西某新材料公司的聚羧酸高性能减水剂，减水率为24%30%。1.2 试验配合比为分别探究机制砂形态、级配对水泥砂浆的影响，本文设计了如下试验方案，其中水灰比均为0.5，胶砂比均为1:3。（1）考虑机制砂形态的试验方案。机制砂形态的试验设计考虑了两种情况：相同片状颗粒含量下的不同 颗 粒 粒 径 试 验 组（X0、X1、X2、X3），其中X0为对照组，无片状颗粒；而X1-X3的片状颗粒均为10%，且分别存在于1.182.36mm、2.364.75mm、4.759.5mm中。相同颗粒粒径分布的不同颗粒含量试验组（X4、X5、X6），具有相同的分计筛余百分比，但片状颗粒含量分别为10%、20%、30%。（2）考虑机制砂级配的试验方案。设计了11种具有相近累计筛余百分比，但分计筛余率有显著区别的级配。各机制砂的级配如图1所示，相关的物理特性见表2。1.3 试验方法（1）水泥砂浆的工作性能试验。按照ISO法采用水泥胶砂拌合机成型砂浆试件，使用跳桌法测试砂浆的流动度。在水和减水剂拌合均匀后，从搅拌机中拾取适量砂浆分两层倒入上口内径70mm、下口100mm、高为60mm的截锥圆模中，均匀振捣后立刻开启跳桌振动25s，记录胶砂底面最大扩散直径。（2）水泥砂浆的力学性能试验。按照ISO法采用水泥胶砂拌合机成型砂浆试件，首先将矿渣和粉煤灰、水泥构成的胶凝体系混合均匀后倒入拌合机，均匀搅拌30s后，加入机制砂均匀混合30s，后加入配置好的减水剂与水的混合溶液，低速搅拌30s，最后高速搅拌60s后装入三联模中，并按照规范将其振动、成型、脱模，随后再将其置于标准恒温恒湿条件下养生28d后进行相关的力学性能测试。按照水泥胶砂强度试验方法，对每个配比的3个试件进行28d抗压试验，并计算其满足统计特征的平均强度值。（3）孔结构的微观试验。表1 42.5硅酸盐水泥基本特性比表面积/(mkg-1)氯离子含量/%烧失量/%凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3d7d3d7d3510.0091.392453214.57.123.247.3表2 不同机制砂形态对水泥砂浆性能影响试验设计编号G1G2G3G4G5G6G7G8G9G10G11细度模数2.452.552.652.652.752.862.963.063.063.063.16表观密度/(kg/m)26702660272027302670265027302650269026802680堆积密度/(kg/m)15401530154015601570161016001580151015401560图1 不同级配的机制砂筛孔/mm4.751.180.152.360.30.60.075G1G5G3G7G10G2G6G9G4G8G11100602080400累计筛余/%2024/01 总第 575 期 CONSTRUCTION MACHINERY17粒径范围/mm流动度/mm无片状颗粒1601401501301551351451251.182.362.364.754.759.5针片含量/%流动度/mm1601401501201301551251351451150102030图2 不同粒径、不同含量片状颗粒的砂浆流动性采用压汞法测试水泥砂浆的孔结构，针对成型好的标准三联模试件，将其切割成尺寸相等的立方体试件置于广口瓶中，并采用无水乙醇终止水化反应。随后在85的环境中烘干试件，干燥冷却后，采用自动压汞仪测试砂浆的孔结构分布。2 试验结果及分析2.1 机制砂形状对砂浆性能影响2.1.1 工作性能图2展示了不同粒径、不同含量的片状颗粒对水泥砂浆工作性能的影响。当针片含量固定为10%时，随着片状颗粒粒径的增大，砂浆流动性几乎呈线性下降；且与对照组相比，3种粒径范围的流动度损失分别为7.2%、13.2%、16.8%。在混合粒径中，随着针片含量的增加，流动度逐渐损失且损失速率加快，3种针片含量下的流动度损失分别为10.2%、13.5%、20.4%。在机制砂中，片状颗粒粒径的增大或含量的增加将使得机制砂的孔隙率增大，且使得砂外部的水泥浆体包裹厚度减少。进一步的，由于机制砂中非片状颗粒质地均匀，形成浆体后空隙分布均匀，具有较好的流动性；随着片状颗粒的增加，颗粒之间的摩擦力增加阻碍了颗粒间的相互流动，从而降低了工作性能。2.1.2 力学性能图3展示了不同粒径、不同含量的片状颗粒对水泥砂浆抗压强度的影响。类似地，当针片含量固定为10%时，无论是7d还是28d抗压强度，片状颗粒粒径对砂浆的抗压强度影响较小；其中，针对3种粒径范围，7d和28d的抗压强度削减率分别为1.9%8.2%，3.2%7.8%，且在4.759.5mm范围内的粒径对抗压强度的影响相对其余两种更大。然而，抗压强度受针片状颗粒含量的影响却较为显著，3种含量下对7d和28d的抗压强度削减率分别为1.5%18.2%、4.8%17.9%。相比质地均匀的机制砂，针片状颗粒更加薄弱，在荷载作用下更容易发生破碎，使得水泥砂浆更易出现薄弱区域进而使抗压强度降低。由此可见，粒径范围的增加，将增加片状颗粒破碎的可能性，尤其是较大粒径变化范围内，如4.759.5mm；而当针片状含量提高时，此时水泥砂浆的薄弱区域将增加。故与颗粒粒径变化相比，抗压强度受针片状含量的变化更加图4 不同粒径、不同含量片状颗粒的孔径分布粒径范围/mm无片状颗粒 1.182.362.364.754.759.5孔径占比/%100020nm100200nm20100nm200nm608040200针片范围/%1002030孔径占比/%100020nm100200nm20100nm200nm608040200图3 不同粒径、不同含量片状颗粒的砂浆抗压强度粒径范围/mm无片状颗粒 1.182.362.364.754.759.5抗压强度/MPa507d28d304020100针片范围/%0102030抗压强度/MPa507d28d304020100建筑机械18敏感。2.1.3 孔结构分析通过压汞法测试了不同水泥砂浆的孔结构特征，不含片状颗粒的对照组孔隙率为12.58%，在单粒径且针片含量为10%的试验组中，3种粒径下的 孔 隙 率 分 别 为13.17%、13.22%、14.92%；而3种针片含量下的孔隙率分别为13.62%、14.72%、16.83%。由此可见，针片含量和粒径的增加均将导致孔隙率增大，且变化趋势与强度的衰减结果基本吻合。此外，根据水泥基材料中孔径大小的有害程度定义，图4展示了不同粒径、不同含量的片状颗粒对水泥砂浆孔径占比的影响。结果表明，尽管片状颗粒对孔隙率的变化影响轻微，但对多害孔的影响却较为显著，即200nm的孔径占比，从10%增加至19%，尤其是800nm以上的孔径，而对少害孔、有害孔及无害孔等微孔径的占比影响较少。而针片含量的增加仍然主要影响多害孔的比例，且比粒径增加产生的效果更显著，最大比例为26%。由于孔结构将影响砂浆的工作性能和力学性能，由此可见，与片状颗粒粒径相比，颗粒含量是影响水泥砂浆性能的关键因素。2.2 机制砂级配对砂浆性能影响2.2.1 工作性能为描述颗粒级配对砂浆流动度的影响，采用细度模数表征不同级配的机制砂，图5为细度模数与流动度的关系。通过试验发现，尽管有些试验组的级配曲线并不相同，但细度模数相近的试验组，其流动度结果也基本一致。由此可见，细度模数与砂浆工作性能具有显著的线性相关性。细度模数越大，表明机制砂的比表面积越小，从而达到相同的流动度所需的用水量更小。交流园地EXCHANGE FORUM表3 不同级配下孔结构测试结果级配类型总孔体积/(mL/g)总孔面积/(m/g)平均孔径/nm孔隙率/%关键孔径/nmG10.08870412.5339231.69617.30429.42576G50.07436810.4675231.80814.963229.41904G90.0675369.4763231.9213.742429.42242.2.2 力学性能图6为不同级配下砂浆的抗压强度。总体结果表明，随着细度模数的增加，砂浆的抗压强度逐渐提高，因为细度模数越大，砂浆中的骨架效果越显著。然而，级配对砂浆抗压强度的影响并不完全服从细度模数对抗压强度的影响规律。对比图6中不同级配、不同细度模数的计算结果可知，G8-G10试验组中，砂浆的细度模数均一致，但抗压强度仍存在显著差异，其中这3种试验组的孔隙率逐渐下降。由此可见，级配对抗压强度的影响还与空隙率有关。通过对比试验结果发现，砂浆强度随着空隙率增加而出现平缓的降低趋势，这表明机制砂细度模数对抗压强度的影响高于空隙率，且在其余条件不变的情况下，细度模式越大在一定程度上可促进强度的形成。在上述研究的11种级配中，发图5 不同级配下砂浆的流动度细度模数流动度/mm16910151211131482.22.63.02.42.83.2Equationy=A+B*xA-6.150B6.59967R-Square(COD)0.8560195%Cofidence Band流动度Fitting95%Prediction Band图6 不同级配下砂浆的抗压强度2.32.62.73.02.42.52.82.93.23.1细度模数抗压强度/MPa7d28d506030402010G1G5G3G7G2G6G9G4G8G11G10级配类型抗压强度/MPa7d28d50603040201002024/01 总第 575 期 CONSTRUCTION MACHINERY19现第4组强度显著低于其他试验组，其空隙率、细度模数、堆积密度与其他实验组均无显著差异。这是因为该组的级配曲线表现出两端粒径范围内占比少，而中间占比多，即级配曲线保证了计算细度模数的3个关键点位的占比，但整体的颗粒占比组成却出现较为严重的集中。由此可见，机制砂级配对抗压强度的影响，仅通过空隙率和细度模数并不完全可解释强度变化规律，还应对级配的连续性方面进行比较，以避免间断级配对抗压强度造成的不利影响。2.2.3 孔结构分析为阐述不同级配对孔结构特征的影响，选择了典型的3种结构，测试了相应的孔体积、面积、孔径等情况，结果见表3。结果表明，3种级配下的砂浆孔隙率排序依次为G1G5G9，同时也符合细度模数的排序情况。此外，颗粒级配对平均孔径、关键孔径的影响较小，而对总孔面积、体积影响显著，表明级配的调整对影响砂浆的微观结构非常显著，主要通过影响孔数量和孔径影响宏观性能。由此可见，机制砂的级配不良，将导致多害孔数量（800nm）的显著增加。而比表面积小、界面过渡区少的机制砂组成的砂浆，其具有良好的致密性，因此可通过优化孔隙结构，减少多害孔的占比，从而提高砂浆的总体力学性能。3 结束语本文通过室内试验研究了不同机制砂形态、级配对水泥砂浆工作性能和力学性能的影响，同时利用压汞法分析了孔结构的变化特征，得出如下主要结论：（1）随着针片含量或粒径增加，机制砂的空隙率也增大，颗粒间内摩擦力增大，从而使得砂浆的流动性、抗压强度逐渐下降；且4.759.5mm粒径对工作性能和抗压强度影响更加显著，应严格控制其含量。（2）针片颗粒含量或粒径的增加，均会导致多害孔的占比增大，4.759.5mm针片颗粒下，片状颗粒含量的提升对粒径增大对多害孔比例增大的作用更为显著，因此建议严格控制机制砂中片状颗粒的含量。（3）机制砂级配对砂浆工作性能的影响主要归因于细度模数的作用，细度模数与工作性能呈显著的线性关系；而级配对砂浆的力学性能的影响主要受细度模数和空隙率影响，总体上抗压强度随着细度模数的增大而增大。但除此之外，还应重点关注级配的连续性，间断级配将对砂浆强度造成不利影响。（4）级配的调整对影响砂浆的微观结构非常显著，其主要通过影响孔数量和孔径影响宏观性能；机制砂的级配不良，将导致多害孔数量（800nm）的显著增加，影响砂浆的总体工作和力学性能。参考文献1 吴大鸿.中国公路行业机制砂混凝土 发展综述J.中国公路,2023(08):28-33.2 卢都友,吕忆农.加强基础研究确保 机制砂石混凝土耐久性J.混凝土世 界,2011(04):68-72.3 赵先鹏,陈巍,杜焕成.公路水泥混凝 土用人工砂石集料研究现状J.公路 交通科技,2006(08):80-81+88.4 徐浩,陈飞进,傅宏鑫,等.机制砂在 干混砂浆中的应用进展J.市政技术,2023,41(03):12-18.5 罗健勇,于本田,苏俊辉,等.机制砂 颗粒级配对混凝土性能的影响研究 J.公路,2022,67(09):384-388.6 艾长发,彭浩,胡超,等.机制砂级配 对混凝土性能的影响规律与作用效 应J.混凝土,2013(01):73-76.7 芮捷,刘唐志,王兵,等.机制砂级配 对高强混凝土性能的影响研究J.中 外公路,2014,34(01):298-300.8 俞爱月.石屑机制砂特性及其对水泥 砂浆和混凝土性能影响J.福建建设 科技,2023(02):74-76.9 宋少民,郭丹.机制砂片状颗粒含量 对水泥胶砂与混凝土性能的影响J.混凝土,2015(12):60-62.10 梁辉.机制砂粒形特征对混凝土工作 性能的影响及配合比实验研究D.太原:太原理工大学,2022.11 刘凤翰,陈晓玲.水泥混凝土用粗集 料针片状颗粒含量试验研究J.四川 建筑科学研究,2012,38(05):163-165.12 刘焕强,杨雪青,陈渊召.机制砂中 云母含量对水泥基材料性能影响的 试验研究J.华北水利水电大学学报(自然科学版),2021,42(06):60-65.13 王军伟,安明喆,刘亚洲,等.机制砂 物理特性对水泥胶砂流变性能的影 响及机理J.中国铁道科学,2021,42(02):19-27.