机制砂在装配式混凝土中的应用研究_余晓红.pdf

117建筑科技2023 年 第 3 期建筑材料Building Material机制砂在装配式混凝土中的应用研究Study on the Application of Mechanized Sand in Assembled Concrete余晓红1,林志芬2,张鑫3（1.上海市浦东新区物业管理事务中心,上海 201315;2.上海心圆房地产开发有限公司,上海200120;3.上海市建筑科学研究院有限公司,上海 200032）摘要：目前已经有不少关于机制砂混凝土的研究,但对于机制砂装配式混凝土的研究还很缺乏,尚未见到关于机制砂装配式混凝土耐久性的报道。采用天然砂、混合砂和不同石粉含量的机制砂分别配制了装配式混凝土,并选择其最佳砂率。结果表明,随着机制砂中石粉含量的提高,混凝土的最佳砂率呈逐渐下降的趋势;随着机制砂中石粉含量的增加,机制砂混凝土所需的减水剂掺量逐渐增大。所有混凝土都具有良好的工作性能,不同石粉含量的机制砂混凝土的抗压强度、抗折强度、劈拉强度、抗渗性能和抗冻性能与天然砂混凝土基本相同。机制砂混凝土的收缩值明显高于天然砂混凝土。关键词：机制砂;装配式混凝土;力学性能;耐久性能中图分类号：TU521 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）03-0117-050引言装配式建筑是指围护结构、支架及设备管线等部分采用预制部品、部件组装而成的建筑,具有构件质量好、施工周期短、施工精度高、环境影响小、节能环保等优点,是未来建筑业的发展趋势。“十二五”之后,国家提出了“建筑工业化、住宅产业化”的发展目标,大量推广装配式建筑,装配式混凝土的消耗量快速增加1-3。砂分为天然砂和机制砂,作为细骨料,其用量约占混凝土总质量的1/3。天然砂为短时期内不可再生资源,其资源短缺、开采限制、价格上涨等问题日期突出,难以满足市场的巨大需求。机制砂是指经出土开采、机械破碎、筛分而制成,粒径小于4.75 mm的岩石颗粒4,5。因天然砂的短缺,机制砂已经被大量使用,机制砂替代天然砂是未来的发展趋势。谢开仲等6研究了石粉含量对机制砂混凝土力学性能的影响,结果表明随着石粉含量的增加,机制砂混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量和抗折强度先增大后减小,石粉含量为3%左右时力学性能最好,并提出了机制砂混凝土立方体抗压强度与弹性模量之间的换算公式。孟亚锋等7研究了机制砂在混凝土中的适应性,结果表明采用石英岩机制砂能够配制出C20C120不同强度等级的混凝土,不同岩性的机制砂对C60高性能混凝土都具有很好的适应性。孙胜伟8研究了石粉含量对C30和C50机制砂混凝土性能的影响,结果表明机制砂中适量的石粉有利于改善机制砂混凝土的工作性能,对于C30混凝土和C50混凝土,机制砂中最佳石粉含量分别为10%15%、7%10%。本文采用不同石粉含量的机制砂配制了装配式混凝土,研究其工作性能、力学性能和耐久性能。1原材料及试验方法1.1原材料水泥采用海螺PO 42.5水泥,主要物料力学性能如表1所示。118建筑科技2023 年 第 3 期建筑材料Building Material表1水泥主要物理力学性能密度/gcm-3比表面积/m2kg-1标准稠度用水量/%凝结时间/min抗压强度/MPa初凝终凝3 d28 d3.0535328.623329321.250.4减水剂采用聚羧酸高性能减水剂,掺减水剂混凝土主要性能如表2所示。表2掺减水剂混凝土主要性能种类减水率/%含气量/%28 d收缩率比/%凝结时间差/min泌水率比/%抗压强度比/%初凝终凝1 d3 d7 d 28 d标准型271.89310450232 198 177 159实验所用的细骨料为天然砂和机制砂,机制砂为中电建安徽长九新材料股份有限公司生产的灰岩矿机制砂。将天然砂和机制砂等质量混合,得到混合砂;机制砂干筛0.075 mm以下的颗粒含量为5%,向机制砂中分别添加2%、5%、7%、10%石粉制成机制砂7%、机制砂10%、机制砂12%和机制砂15%。这7种砂的主要物理力学性能如表3所示,颗粒级配如表4所示。由此可知这7种砂的表观密度、松散堆积密度、坚固性和压碎指标都达到标准GB/T 14684-2011建设用砂的要求,天然砂、混合砂满足天然砂2区中砂的级配要求,不同石粉含量的机制砂都满足机制砂2区中砂的级配要求。随着机制砂中石粉含量的增加,亚甲蓝MB值逐渐增大,机制砂10%、机制砂12%和机制砂15%的亚甲蓝MB值大于1.4 gkg-1。表37种砂的主要物理力学性能种类表观密度/kgm-3松堆密度/kgm-3紧堆密度/kgm-3松堆空隙率/%紧堆空隙率/%振实空隙率/%亚甲蓝MB值/gkg-1单级最大压碎指标%坚固性/%天然砂2 6201 5001 650433737-4混合砂2 6801 5801 7504135350.584机制砂2 6901 5701 7704234351.084机制砂7%2 7101 4901 6504539391.284机制砂10%2 7101 5101 7004437371.584机制砂12%2 7001 5701 7704234341.684机制砂15%2 7001 5601 8004233331.884表47种砂的颗粒级配筛孔尺寸/mm累计筛余百分率/%天然砂混合砂机制砂机制砂7%机制砂10%机制砂12%机制砂15%4.7591000002.362011776651.18383033322928270.60584958575351490.30917081817876720.1598929190878582细度模数2.92.52.72.72.52.52.4粗骨料分为510 mm、1020 mm、1631.5 mm 3种规格,主要物理力学性能如表5所示。混凝土试验采用的连续粒级碎石由510 mm碎石、1020 mm碎石、1631.5 mm碎石按304030质量比例配制而成。表53种规格石子的主要物理力学性能种类针片状颗粒/%软弱颗粒/%表观密度/kgm-3松堆密度/kgm-3紧堆密度/kgm-3松堆空隙率/%紧堆空隙率/%压碎指标/%坚固性/%51070.42 7201 3501 5705042103102060.32 7201 4001 60049411021631.530.32 7201 3701 580504292119建筑科技2023 年 第 3 期建筑材料Building Material筛除石粉0.075 mm以上部分颗粒,用勃氏比表面积仪测得比表面积为3 36 m2/kg,亚甲蓝MB值为4.0 gkg-1。1.2实验方法混凝土的水胶比为0.5,选择37%、39%、41%、43%和45%共5个砂率进行试验,配合比如表6所示。表6不同砂率混凝土配合比材料用量/kgm-3砂率（%）/序号备注水水泥骨料减水剂37394143451603201 8702.241-11-21-31-41-5天然砂1603201 8702.722-12-22-32-42-5混合砂1603201 8703.363-13-23-33-43-5机制砂1603201 8703.844-14-24-34-44-5机制砂7%1603201 8704.165-15-25-35-45-5机制砂10%1603201 8704.486-16-26-36-46-5机制砂12%1603201 8704.807-17-27-37-47-5机制砂15%骨料的性能测试参照标准GB/T 14684-2011建设用砂和GB/T 14685-2011建设用卵石、碎石,混凝土的性能测试参照标准GB/T 50080-2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准、GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准和GB/T 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准。2结果及分析2.1机制砂混凝土的最佳砂率从表7中可以看出,在保证良好工作性的条件下,编号为1-4、2-3、3-4、4-3、5-2、6-2和7-1的混凝土强度较高,因此7种砂配制的混凝土的最佳砂率分别为43%、41%、43%、41%、39%、39%和37%。由此可知,随着机制砂中石粉含量的提高,最佳砂率有逐渐减小的趋势。主要原因是随着机制砂中石粉含量的增加,混凝土拌合物的浆料逐渐增多,造成砂率较大时浆料过多,石子偏少,易造成混凝土坍落度损失增大。表7不同砂率混凝土的性能序号坍落度/mm扩展度/mm工作性描述抗压强度/MPa保水性 黏聚性其他1 d7 d 28 d1-1165460较好较差浆料不足16.6 26.5 36.51-2165395较好一般包裹性一般17.8 28.9 39.81-3185480较好较好包裹性良好18.1 27.2 37.81-4170410好好包裹性良好14.7 27.4 37.41-5190455好好包裹性良好14.6 25.7 35.02-1200570好好浆料不足18.5 26.5 37.72-2180560较好较好有堆积18.1 26.7 39.7序号坍落度/mm扩展度/mm工作性描述抗压强度/MPa保水性 黏聚性其他1 d7 d 28 d2-3180535较好较好良好18.5 28.9 39.52-4180565较好较好良好19.2 27.0 38.02-5200580较好较好良好18.8 26.2 38.33-1165400较好较好良好17.3 24.1 31.63-2205515好好良好17.8 24.7 36.23-3195480好好良好16.7 23.8 37.83-4210470好好好16.1 25.7 38.73-5200470好好浆多16.6 20.2 36.74-1195570较好较好良好18.6 29.3 41.94-2190540较好较好良好18.5 27.4 38.34-3190530好好良好17.7 25.5 39.04-4190475好好浆多,良好18.0 26.9 36.44-5200505好好浆多,有损失 17.4 29.3 38.85-1200580较好一般良好18.4 28.7 35.35-2200565较好较好良好17.5 27.2 37.65-3190560较好较好良好16.8 27.6 33.65-4200530好好良好,有损失18.3 29.2 38.45-5200475较好较好浆多,有损失 18.3 27.5 38.46-1180440好一般石子多18.2 26.2 38.86-2200470好好良好17.3 29.5 39.26-3190405好好有损失18.0 29.5 34.86-4195415好好良好,有损失 17.4 25.3 37.06-5210480好好浆多,有损失 17.4 28.4 36.07-1190450好好良好20.0 29.8 39.17-2190470好好良好,有损失18.9 27.6 39.87-3180390好好良好,有损失18.6 26.7 33.27-4210455好好浆多20.2 29.3 37.37-5210460好好浆多20.1 30.3 37.72.2机制砂混凝土的拌合物性能采用7种砂分别配制混凝土,都采用最佳砂率,混凝土配合比如表8所示。表8最佳砂率混凝土配合比序号材料用量/kgm-3砂率/%备注水水泥骨料减水剂11603201 8702.7243天然砂21603201 8703.2041混合砂31603201 8704.0043机制砂41603201 8704.3241机制砂7%51603201 8704.6439机制砂10%61603201 8704.6439机制砂12%71603201 8704.9637机制砂15%（续表7）120建筑科技2023 年 第 3 期建筑材料Building Material由表9可知,机制砂混凝土的初、终凝时间明显短于天然砂和混合砂混凝土,不同石粉含量的机制砂混凝土凝结时间差别不大。主要原因是在水泥水化过程中,石粉起到了晶核的作用,促进了C3S和C3A的水化,缩短了凝结时间9。表9混凝土拌合物性能序号坍落度/mm扩展度/mm含气量/%泌水率/%压力泌水率比/%凝结时间/min备注初始1h初始1h初始1h初凝终凝1190 170 540 465 3.72.7054.1595810天然砂2190 180 570 550 3.22.0059.9620777混合砂3220 210 535 475 3.23.1043.7425590机制砂4210 190 600 415 2.12.4044.1475660机制砂7%5205 200 545 430 1.82.0063.6490690机制砂10%6205 200 515 445 2.22.3052.3480670机制砂12%7210 210 540 495 1.71.6055.1545710机制砂15%由图1可知,当水胶比和单位用水量一定时,为达到相同的混凝土拌合物流动性,天然砂混凝土所需的减水剂用量最少,且随着机制砂中石粉含量的增加,机制砂混凝土所需的减水剂掺量逐渐增大。主要原因是石粉的比表面积较大,石粉含量越高,包裹细颗粒所需的单位用水量越大。当用水量固定时,随着石粉含量的增加,浆体的黏滞性和混凝土拌合物的黏聚性增加,流动性变差10。图1混凝土的减水剂掺量2.3机制砂混凝土的抗压强度由图2可知,同级配石子和相同水泥、不同砂配制的混凝土的1 d、7 d和28 d抗压强度基本相同。目前的研究表明,机制砂中的石粉有利于提高混凝土的抗压强度,一方面因石粉在水泥水化初期对Ca(OH)2和C-S-H的形成起晶核作用,加速了C3S和C3A的水化过程,其本身能与C3A反应生成水化碳酸铝钙,有利于早期强度的发展;另一方面因石粉在一定程度上改善了机制砂的堆积密度,在混凝土中起到了很好的填充作用,增加了浆体和界面过渡区的密实度,提高了混凝土的强度11。图2混凝土的抗压强度2.4机制砂混凝土的抗折强度由图3可知,不同石粉含量的机制砂混凝土的抗折强度与天然砂和混合砂混凝土抗折强度值相当。石粉也有利于提高混凝土的抗折强度,主要原因是石粉增强了混凝土的保水性,使石粉在骨料界面的富集程度降低,改善了混凝土中水泥石与骨料的过渡区,因此提高了混凝土的抗折强度11。图3混凝土的抗折强度2.5机制砂混凝土的劈拉强度由图4可知,不同石粉含量的机制砂混凝土的劈拉强度与天然砂和混合砂混凝土劈拉强度值相当。石粉也有利于提高混凝土的劈拉强度,主要原因是石粉在一定程度上改善了121建筑科技2023 年 第 3 期建筑材料Building Material机制砂的颗粒级配,且丰富了混凝土的浆体含量,提高了保水性,减少了混凝土中的自由水,改善了混凝土中富集于粗集料表面的泌水,减小了混凝土界面过渡区的厚度,因此提高了混凝土的劈裂抗拉强度11。图4机制砂混凝土的劈拉强度2.6机制砂混凝土的耐久性能由表10可知,7种砂配制的混凝土的28 d抗渗性能都达到了P6要求,机制砂混凝土的抗冻性能与天然砂混凝土基本相同,50次和100次冻融循环后的重量损失率都为0。经过100次冻融循环后,所有混凝土的相对动弹模都略有下降,但都不低于90%。石粉有利于提高混凝土的抗渗性能和抗冻性,主要原因是：石粉一方面补充了混凝土中的粉体材料,使拌合物中的浆料增多,改善了拌合物的离析泌水情况;另一方面其优化了混凝土的颗粒级配,减小了颗粒间的空隙,提高了混凝土的密实度,因此提高了混凝土的抗渗性能和抗冻性10。此外,可以发现天然砂混凝土的28 d收缩值较小,机制砂混凝土的28 d收缩值较大,主要原因是机制砂中的石粉含量较高,吸附了大量的游离水,提高了混凝土中浆体含量,导致混凝土收缩值增大。表10混凝土耐久性能试验结果编号28 d抗渗性能28d收缩值(10-6)抗冻性能重量损失率/%相对动弹模/%50次100次50次100次1P62540097922P62740097943P63350096934P63520096925P62850096916P63180097927P63220096923结语（1）采用不同石粉含量的机制砂可以配制出具有良好工作性能的装配式混凝土,其抗压强度、抗折强度和劈拉强度与天然砂混凝土基本相同。随着石粉含量的提高,机制砂混凝土的最佳砂率呈逐渐下降的趋势。（2）当水胶比和单位用水量一定时,为达到相同的混凝土拌合物流动性,随着机制砂中石粉含量的增加,机制砂混凝土所需的减水剂掺量逐渐增大。（3）机制砂混凝土的抗渗性能和抗冻性能与天然砂混凝土基本相同,而28 d收缩值明显高于天然砂混凝土。参考文献：1 蔡洁,周清忘.关于装配式混凝土结构的发展和认识J.科技风,2019(1):120-121.2 李昌盛.论新型建筑产业化与装配式混凝土结构发展J.福建建材,2018(10):1-3.3 宋柯贤,王天鹏,贾其萃,等.浅谈装配式混凝土建筑的发展J.科技与创新,2019(11):77-78.4 赵岩,张云龙,王静,等.机制砂对混凝土性能影响的研究现状J.四川建材,2017,43(9):13-14，16.5 邓芳芳.机制砂在混凝土中的应用研究进展J.科技资讯,2018,16(10):78-80.6 谢开仲,王红伟,肖杰,等.石粉含量对机制砂混凝土力学性能影响试验J.建筑科学与工程学报,2019,36(5):31-38.7 孟亚锋,谢兼量,沈卫国,等.机制砂在混凝土中适应性研究J.混凝土,2019,(5):58-61.8 孙胜伟.石粉含量对C30和C50机制砂混凝土性能的影响J.水利与建筑工程学报,2019,17(3):160-163.9蔡基伟.石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究D.武汉：武汉理工大学,2006.10 赵社民.机制砂品质对混凝土性能的影响D.太原：太原理工大学,2016.11 王稷良.机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究D.武汉：武汉理工大学,2008.收稿日期：2023-05-06作者简介：余晓红,博士研究生,高级工程师,从事旧住房更新改造工作,现供职于上海市浦东新区物业管理事务中心。通信地址：上海市浦东新区秀浦路2388号3号楼15楼。