机制砂品质对混凝土质量的影响

随着我国经济建设的进一步发展，混凝土的产量越来越大，随之引起混凝土原材料天然砂的需求剧增。部分地区由于天然砂稀缺，机制砂被越来越广泛地应用于各种混凝土工程［1］。机制砂是把山石破碎成粒径＜5mm的适合建筑使用的砂子。相比起天然砂，机制砂的颗粒特性在于表面粗糙，棱角多，颗粒较粗。质量不好的机制砂颗粒级配不均匀，级配差，颗粒之间的空隙率大［2］。机制砂由于棱角多，不圆润，表面积也比天然砂大。从时间和范围来看，机制砂的大规模使用已成趋势。但在机制砂使用含粉量的控制及其在混凝土中的作用在不同地区的认识差别很大。

目前市场生产的机制砂细度模数在2.4～3.2，颗粒级配稳定，但大多表现出两头多中间少的情况，即大颗粒和细颗粒比较多，中间颗粒缺乏［3-4］。机制砂应用于混凝土中，主要问题表现在新拌混凝土的单位需水量高，和易性难以控制，这主要是由于机制砂在破碎及粉磨过程中产生了裂隙、空隙或孔洞，相同砂率和单位用水量情况下，这些缺陷和细颗粒增大了机制砂的比表面积，吸附了更多的自由水，导致混凝土的坍落度降低，不利于配制泵送混凝土。

王立华等［9］的研究认为当配合比相同时，机制砂中石粉含量增大，混凝土的含气量和坍落度线性减小，抗压强度线性增大，与岩性无关。杨玉辉等［10］的研究表明当机制砂中石粉含量＜5%时，石粉含量变化对砂浆工作性无不利影响；但当石粉含量＞5%时，随机制砂中石粉含量的提高，砂浆的塑性黏度和屈服应力增大，显著劣化砂浆的工作性能。本文主要通过不同亚甲蓝值、不同含粉量、不同细度模数的机制砂配制C20，C30和C50混凝土，研究机制砂的品质对不同强度等级混凝土的拌合物性能及力学性能的影响。

一、试验材料及试验方法

1.1 试验采用太原地区混凝土生产所用原材料

1) 胶凝材料试验所用水泥为吉港P·O42.5级水泥，其基本性能如表1 所示。

   Ⅱ级粉煤灰细度为19%，需水比为103%，烧失量为4.3%。矿粉S95矿粉，比表面积为420m2/kg，流动度比为97%， 28d活性指数为101%。

2) 细骨料取不同批次、不同产地的机制砂3 种，机制砂A为碎屑，细度模数2.5，亚甲蓝值4.2，含粉量23%；机制砂B细度模数为2.8，亚甲蓝值为2.0，含粉量为18%；机制砂C细度模数3.2，亚甲蓝值0.8，含粉量为12%。

3) 粗骨料粗骨料为太原卧虎山石料厂，粒径5～25mm连续级配，压碎指标10.9%，针片状含量3%，表观密度2730kg/m3。

4) 外加剂试验所用外加剂为聚羧酸高性能减水剂，含固量23%，减水率35%。

1.2试验方法

采用不同产地的3种细度模数、含粉量和亚甲蓝值均不同的3 种机制砂A，B，C分别配制C20，C30和C50等级的混凝土，按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080-2002分别测试其拌合物的坍落度、扩展度；按《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002测试混凝土的7d和28d抗压强度。配合比如表2所示。

二、试验结果及分析

由于商品混凝土搅拌站每日混凝土的产量很大，因此对原材料的需求量也很大，许多商混站需要采购不同厂家的砂石骨料，由于不同砂石厂家的母岩性质和粉磨设备不同，常造成商混站采购的机制砂品质差别很大。机制砂的亚甲蓝值主要与母岩性质有关，细度模数与含粉量主要受粉磨设备及粉磨时间的影响，通常是可调整的。细度模数的物理意义是在砂的粒径范围内各级筛孔的累计筛余的平均值，目前机制砂的颗粒级配普遍表现为两头多中间少的情况，即大颗粒和细颗粒比较多，中间颗粒缺乏，因此细度模数小于2.8的机制砂含粉量较高，含粉量低的机制砂细度模数大多超过3.0。在本试验中所用的机制砂其细度模数、含粉量及亚甲蓝值有良好的线性相关性。

2.1 混凝土拌合物的试验结果及分析

混凝土拌合物是一个多相复合体系，理想的混凝土拌合物的状态应该是粗骨料悬浮在由水泥砂浆组成的浆体中。在胶凝材料及粗细骨料用量不变的情况下，机制砂的细度模数越大、含粉量越低，用于包裹其表面所需的水泥浆数量就越少，但是相应的粗细集料所构成骨架的孔隙率越高，需要填充的水泥浆体越多。而机制砂的亚甲蓝值主要用来评价粒径＜0.080mm的颗粒对于外加剂的吸附性。因此机制砂的细度模数、含粉量及亚甲蓝值对胶凝材料用量不同的不同等级混凝土的影响不同。

表3～5分别列出了使用A，B，C3种品质依次降低的机制砂配制的C20，C30，C50混凝土的流动性及强度数据。由表3～5可见，对于各强度等级的混凝土，随着机制砂细度模数的减小，含粉量的增加，混凝土外加剂掺量显著增加，拌合物的坍落度、坍落扩展度均降低。理论上说，在胶凝材料用量和砂率不变的情况下，机制砂的细度模数减小，含粉量增加，则新拌混凝土的流动性下降，黏度增大，混凝土的强度降低。其原因是微细颗粒越多，表面积越大，随着含粉量的增加，包裹粉体所需的水量增加，导致在固定用水量的条件下混凝土的黏滞性增加，从而混凝土的流动性降低。

但是对于C20混凝土，采用C机制砂配制的混凝土包裹性很差，浆体的黏度低，同时对外加剂的掺量非常敏感，外加剂稍过量混凝土便离析扒底。B机制砂配制的混凝土包裹性一般，浆体黏度适中，对外加剂掺量不敏感。采用A机制砂配制的C20混凝土包裹性良好，流动性一般，浆体稍黏。因此，从拌合物的和易性来评估，C20混凝土宜采用细度模数小、含粉量高的A机制砂配制。

对于C50混凝土，由于胶凝材料用量大，采用A机制砂配制时由于含粉量高，亚甲蓝值大，导致细粉对外加剂的吸附量相应增大，尽管外加剂掺量高达4.32%，初始坍落度仅210mm，且1h后坍落度和扩展度均损失很大，因此对于高强度等级混凝土，应选用细度模数较大、含粉量低、亚甲蓝值小的机制砂配制。

2.2混凝土力学试验结果及分析

通过分析表3～5中混凝土的7d及28d强度数据可知，采用细度模数为2.5、含粉量为23%、亚甲蓝值为4.2的A机制砂配制的C20混凝土强度比细度模数为3.2，含粉量为12%、亚甲蓝值为0.8的C机制砂配制的C20混凝土28d强度高16.9%。分析其原因主要是C20混凝土胶凝材料用量较低，当细骨料的细度模数较大时，粗、细骨料所构成骨架的孔隙率较大，当水泥浆体不能充分填充这些空隙时，容易在硬化后的混凝土中形成对强度不力的有害孔隙。根据吴中伟的混凝土中的孔级划分，将孔划分为下列孔级：孔径＜20nm(无害级孔，20～50nm(少害级孔)，50～200nm(有害级孔)，＞200nm(多害级孔)，并提出减小孔隙率，除去多害孔，减少有害孔就能得到较高的密实度和强度。因此，A机制砂中较高的含粉量能减少低强度等级混凝土的有害孔隙，提高混凝土的密实度从而提高混凝土的强度。对于C50混凝土，采用C机制砂配制的混凝土7d和28d强度均高，B机制砂配制的混凝土次之，A机制砂配制的混凝土强度不能达到C50混凝土的设计强度。这是由于高强度混凝土胶凝材料用量大，浆体足以充分填充粗、细骨料堆积形成的空隙，同时由于含粉量低、亚甲蓝值低，C机制砂对水和外加剂的吸附较少，混凝土拌合物的和易性优良。而含粉量高、亚甲蓝值也高的A机制砂需要吸附大量的外加剂和自由水，这些细粉颗粒不具有水化活性，水分挥发后在其周围形成了孔隙，使混凝土孔隙率增大，同时这些孔隙与周围孔隙连通的几率也增加了，终影响硬化后混凝土的强度。

三、结语

机制砂的品质对混凝土拌合物的性能及硬化后混凝土的力学性能有很大影响，但不同品质的机制砂对不同强度等级的混凝土影响不同。细度模数小、含粉量高、亚甲蓝值高的机制砂适宜配制中低强度的混凝土，而细度模数大、含粉量低、亚甲蓝值低的机制砂适宜配制中高强度的混凝土。使用优质的机制砂配制混凝土不仅能减少外加剂的使用量，同时能降低坍落度的损失。