多种机制砂的砂浆性能研究

王 熙 程贞桦 李少伟

(福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350108)

0 引言

砂浆是土木工程建设必须的建筑材料，砂是其重要组成部分。当前，天然砂已因过度开采面临短缺问题，为此，我国许多地方对河砂的开采进行限制。2020年，福建省国土厅发布了机制砂发展五年计划，要求全省在年底前达到5000万m3机制砂的生产能力[1]。由专业破碎设备破碎岩石得到的机制砂，将逐步代替天然砂。机制砂与天然砂相比，具有棱角更尖锐、不规则形状颗粒含量高的特点[2]，导致机制砂与天然砂的砂浆性能有所不同。

国内已有很多机制砂的砂浆性能和砂浆抗冻机理方面的研究。阴小琴[3]提出，机制砂石粉含量在10%左右时，砂浆性能最佳；孙星海等[4]研究了机制砂的形貌和岩性对砂浆性能的影响；周新文等[5]提出，机制砂颗粒的不规则形貌，能够增加砂浆的表观粘度和硬化后的屈服应力。但以上研究侧重于机制砂的某些特征，未对机制砂砂浆在抗冻性能试验中的一些特殊现象做深入讨论。

本文以天然砂作为对照组，以多种不同产地的机制砂为试验组，分别将这些砂制成相同配合比、相同原材料的水泥砂浆，研究不同机制砂对砂浆的和易性、强度和抗冻性能的影响，重点讨论了吸水率和试块干重对抗冻性能的影响，为工程应用提供更多参考。

1 原材料

水泥为同一批生产的P·Ⅰ42.5基准水泥。

砂为南方路基集团使用相同破碎设备得到的8种机制砂和采自福州的天然砂，机制砂的原料来自8个产地，分别为：荆门、郑州、江西、泉州、海口、浏阳、柳州、山西。9种砂的外观分别如图1～图9所示。

图1 福州天然砂 图2 荆门机制砂 图3 郑州机制砂

图4 江西机制砂 图5 泉州机制砂 图6 海口机制砂

图7 浏阳机制砂 图8 柳州机制砂 图9 山西机制砂

使用标准《建设用砂》(GB/T14684-2011)的方法对砂的颗粒级配进行检测，分计筛余结果如表1所示，级配区属、细度模数、规格如表2所示，从表2可以看出，海口机制砂、浏阳机制砂的规格分别为粗砂和细砂，其余7种砂的规格都是中砂。

表1 9种砂的分计筛余

表2 9种砂的级配区属、细度模数、规格

从表1可以看出，和天然砂相比，机制砂中粒径大于1.18 mm和小于0.3 mm颗粒更多，其级配呈现出“两头大、中间小”的特点。

2 试验方法

按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)测定砂浆的强度、水泥胶砂流动度，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009)测定砂浆的吸水率、保水率、抗冻性能。试验配合比如表3所示。

表3 配合比(质量比)

3 结果和讨论

3.1 机制砂级配对砂浆和易性的影响

9种机制砂的砂浆拌合物的水泥胶砂流动度、吸水率、保水率、试块干重(标养到第28 d后，105℃烘干2 d后称重)分别如图10～图13所示。

图10 水泥胶砂流动度

图11 吸水率

图12 保水率

图13 试块干重

由表2看出，作为所有试验的对照组的福州天然砂的级配属于2区，规格为中砂，其级配和规格都较为常见，其拌合物的水泥胶砂流动度较低、略干稠、保水率较高，其成型的试块干重也较低，放映出其试块孔隙较多，密实程度较差。由此可知，对照组天然砂相比多数试验组机制砂，有更大的需水量，这是由于对照组天然砂的细颗粒和粗颗粒相对机制砂更少，其粒径分布表现为“两头小、中间大”，其级配虽然符合2区要求，但实际上难以做到密集堆积。江西机制砂的拌合物的水泥净浆流动度最低、最为干稠、保水率最高，反映出江西机制砂的石粉含量过大，引起其需水量过大，其成型的试块的干重最低、吸水率最高，反映出其孔隙最多，密实程度最差。山西机制砂的砂浆试块吸水率最低、干重最高，反映出其孔隙最少，密实程度最好。这是由于山西机制砂的(0～0.15)mm范围内的颗粒最多，更多的细颗粒可以发挥填充效应[6]，使孔隙减少。由于荆门、浏阳、泉州、郑州的机制砂的级配互相之间较为接近，都属于或接近标准GB/T 14684-2011中的2区砂，其级配较合理且细度模数大小适中，因此其拌合物的水泥胶砂流动度较大、保水率和吸水率适中，可推测其孔隙规模较为合适、密实程度适中。

从以上和易性结果可以看出，荆门、浏阳、泉州、郑州的机制砂的砂浆的和易性能在九种机制砂的砂浆中相对较好，这4种机制砂的细度模数在2.2～2.7的范围内，细度模数大小适中意味着砂的级配合理的可能性较大，级配合理使砂能较密集地堆积，利于降低浆集比和需水量。

3.2 砂浆强度

由图14～图15得出，福州的天然砂和江西的机制砂所拌合的砂浆抗压强度和抗折强度较低，山西的机制砂拌合的砂浆抗压强度和抗折强度最高，荆门、郑州、泉州、柳州的机制砂拌合的砂浆抗折强度较高，荆门、泉州、柳州的机制砂拌合的砂浆抗压强度较高。

图14 抗折强度

图15 抗压强度

可以看出，强度和吸水率负相关，与和易性、试块干重都正相关。

3.3 吸水率和试块干重对砂浆抗冻性能的影响

在冻融循环的过程中，有4种因素同时起作用：a.因为试块密实程度较差，其孔隙较多，固体骨架强度较低，水受冻结冰的膨胀压力直接破坏了固体骨架；b.试块过于密实，试块孔隙中的水受冻结冰发生体积膨胀，挤压周围未结冰的水，使后者通过气孔之间的毛细孔道向周围气孔迁移。但由于试块过于密实，气孔之间缺少毛细孔道，水迁移时流动阻力过大，体现为膨胀压力。当膨胀压力超过固体骨架的承受能力时，产生较多微裂缝；c.砂浆的密实程度适中，气孔之间有规模适中的毛细孔道，使内部水分在受结冰挤压时，容易向周围气孔迁移，迁移时流动阻力小，作用于固体骨架的膨胀压力较小[7]，试块适中的密实程度也使固体骨架的强度能够抵抗作用于其上的压力，较少产生微裂缝；d.冻融循环的试验环境使试块受到比标养更好的养护：当试件在水中融化时，大量水因毛细作用进入试块内部，使试块深处的水化反应有了更加适宜的反应条件；当试件在空气中冻结时，孔隙中还存在着大量未结冰的水，这些水为未结冰的原因有两个：

(1)孔隙中的水作为溶剂溶解了大量离子，导致熔点降低；

(2)试块孔隙中的部分水在结冰膨胀时受到约束，只有其中的一部分结成冰，另一部分形成过冷状态。这些未结冰的水仍然维持着水化反应继续进行。

试块的密实程度和固体骨架强度与因素a、b、c中哪种因素起作用息息相关，密实程度和吸水率有很大的相关性：吸水率越大，试块内部的沟通各个气孔的毛细孔道越多；固体骨架强度和试块干重有很大的相关性：试块干重越重，固体骨架强度越高。从图11和图13可知，江西机制砂的砂浆试块吸水率最高、干重最低，因此在其冻融循环过程中，因素a起绝对主导作用。由图16可知，从冻融50次～100次期间，试块质量迅速下降，此时试块完全破坏，如图18所示；福州机制砂的砂浆试块吸水率适中、但干重较低，因此因素a起主导作用；柳州、泉州、荆门、郑州、浏阳、海口的机制砂的砂浆试块吸水率适中、干重适中或较大，因此因素d起主导作用或因素d、c的作用大致相当。从图17可知，此时试验组的抗压强度超过对照组。从图19可知，此时试块表面有产生裂纹，但是表面剥蚀轻微；山西的机制砂的砂浆试块吸水率最小、干重最大，因此因素b起主导作用，此时微裂缝随着冻融次数增加逐渐产生、扩展并形成彼此相通的裂纹网络，进而加速试块的表面剥蚀[8]，这种现象见于图20。从图16可以看到，山西机制砂砂浆试块质量随着冻融次数增加有缓慢下降趋势。从图17也能看到山西机制砂砂浆试块的试验组的抗压强度显著小于对照组。

图16 试块在冻融循环过程中质量的变化

图17 冻融循环后试验组的试块抗压强度

图18 江西机制砂的砂浆试块(试验组) 图19 吸水率适中的砂浆试块(试验组) 图20 山西机制砂的砂浆试块(试验组)

砂浆抗冻性能的试验需要频繁地制冷、抽水，消耗大量电能，耗时也较长。通过检测试块干重和吸水率这两个参数，能较好地推测砂浆抗冻性能，节省下冻融循环的大量能耗，符合当下发展绿色经济的时代大势。

4 结论

(1)本文使用的天然砂的细颗粒和粗颗粒的含量较本文使用的机制砂更少，导致前者级配稍差，使得前者的需水量相比后者更大。

(2)机制砂的细度模数在2.2～2.7范围内时，砂浆的和易性较好，成型后较为密实。

(3)机制砂含石粉过多会增加需水量，导致砂浆干稠、难以成型，成型后不密实，硬化后吸水率大、孔隙多、强度低。

(4)砂浆试块的吸水率和干重，分别体现了试块的毛细孔道规模和固体骨架强度，这两个因素共同影响了冻融循环时试块内部液相的行为，决定了试块抗冻性能的好坏。