浅谈风化砂及机制砂对混凝土性能的影响

刘旭

（保定市永泰建设工程质量检测有限公司，河北 保定 071051）

0 引言

随着我国城市化进程的发展，建筑规模不断扩大，混凝土用量随之增加，而作为混凝土重要组成部分的天然砂资源也日益紧缺。为保障混凝土供应，诸多地区已采用风化砂和机制砂取代天然砂用于生产，而各地原材料品质的差别也对混凝土质量稳定性造成严重影响。

本文针对风化砂、机制砂和天然砂在混凝土中的应用进行对比试验，简要分析风化砂和机制砂相对于天然砂的优缺点。

1 原材料

1.1 砂的特点及主要性能指标

天然砂主要指河砂，是天然石在自然状态下，经水的作用力长时间反复冲撞、摩擦产生的，其成份较为复杂，表面有一定光滑性，杂质含量多。随着河砂的大量无节制开采，环保对资源的管控，目前天然河砂面临着资源紧缺，开采及采购成本较高的现状。

风化砂是地表岩层风化过程的产物。由于风化砂的特征是颗粒呈棱角状、空隙多、强度较弱、粒径分布不均匀、质地软，造成其耐久性较差、吸水性大、物理力学性质较不稳定。

机制砂是指经过碎石机械破碎加工以及筛分处理得到的，粒径在 5.00mm 以下的碎石微粒。机制砂受岩石材料和加工生产工艺影响较大，普遍存在级配不合理、石粉含量相对较高、颗粒呈现棱角不规则的形态等问题，同时，机制砂的比表面积相比河砂更大，机制砂的粘结性能较好、石质坚硬。因其特点所拌制的混凝土较天然砂抗压抗折强度较高，但因为有时因其级配不合理易产生泌水现象。

本文所用三种砂的主要性能指标见表 1。

1.2 其他原材料

水泥：河北京兰水泥有限公司 P·O42.5 水泥，标稠用水量 27.6%，比表面积 348m2/kg，3d 抗折强度5.9MPa、抗压强度 29.8MPa，28d 抗折强度 8.7MPa、抗压强度 50.2MPa。

表 1 三种砂的主要性能指标

粉煤灰：保定大唐电厂，F 类 Ⅱ 级，细度 16%，烧失量 5.8%，需水量比 99%，28d 活性 78%。

矿渣粉：保定乾华，S95 级，比表面积 460m2/kg，28d 活性102%。

石子：满城 5～25mm 连续级配碎石，含泥量0.7%。

外加剂：保定慕湖恒源新型建材有限公司产聚羧酸系高性能减水剂，固含量为 12.36%，减水率 29.5%。

水：饮用水。

2 试验方案

2.1 试验方案

以普通 C30 混凝土配合比为基准（见表 2），使用天然砂、风化砂和机制砂进行试配，分别记为 S1、S2、S3。在保证混凝土拌合物达到相同工作性能时，对不同砂所需的外加剂和用水量进行对比分析；对混凝土拌合物的和易性及 1h 坍落度保留值进行对比分析；留置相应的试件，养护至不同龄期时进行抗压强度对比分析。

表 2 基准配合比 kg/m3

2.2 依据标准

JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》。

3 试验结果及分析

三种砂所配制混凝土的工作性能与抗压强度对比试验数据如表 3 所示。

表 3 三种砂混凝土试验数据

首先，S2 与 S3 的外加剂用量和拌合用水量均高于S1。对于 S2 拌合物，因风化砂的特性，表面空隙多、吸水性强，只有提高外加剂用量和拌合用水量，让自由水饱和，才能保障其工作性能；而 S3 拌合物，因机制砂中石粉含量较高，会吸收一部分外加剂和拌合水，所以其用量也高于 S1。

其次，S1 与 S3 的和易性良好，S2 的和易性较差；在初始坍落度相同情况下，S1 和 S3 的 1h 坍落度保留值明显高于 S2。对于 S3 拌合物，机制砂细度模数偏大、级配不合理、颗粒呈棱角不规则的形态，但由于其中含有大量的石粉，增加了拌合物的黏性，使得拌合物和易性得到改善，且石粉对于水分的吸附是物理吸附，之后还会逐步释放出来以供水化反应使用，所以 1h 坍落度保留值与 S1 相差不大；而 S2 拌合物，风化砂颗粒呈棱角不规则形态，且空隙率较大、吸水性强，其保水性及黏聚性较差，所以拌合物初始状态及 1h 坍落度保留值均表现不佳。

第三，混凝土试件的各龄期抗压强度对比，S3 最高，S1 次之，S2 最低。对于 S2 拌合物，由于风化砂需水量较大，增加了实际水胶比，虽然其颗粒的棱角形态会增加与水泥浆体结合面的粘结力，但其自身强度较低，在压力作用下，其自身结构会先于粘结界面发生破坏，因此试件抗压强度最低；对于 S3 拌合物，由于机制砂中石粉的填充作用，使得混凝土的孔隙率减小，从而提高混凝土的密实度，同时机制砂中颗粒呈棱角状态，颗粒粗糙，大大增加了与水泥浆体的粘结力，从而改善强度。

4 结论

通过对比试验可以看出，使用风化砂的混凝土拌合物不仅和易性差、坍落度损失快，且硬化后强度较低、耐久性差；使用机制砂的混凝土拌合物，在通过石粉调节级配后，不仅和易性良好、坍落度损失较小，且硬化后强度较高。所以在原材料把控上，要杜绝风化砂用于主体结构。而机制砂可以取代河砂用于混凝土生产，达到绿色、经济、环保的综合效益。