机制砂片状颗粒含量对水泥胶砂与混凝土性能的影响

机制砂片状颗粒含量对水泥胶砂与混凝土性能的影响

宋少民 郭丹

北京建筑大学 土木与交通工程学院
 

摘要

机制砂颗粒形状是否良好是评价机制砂品质的重要方面。本文通过研究不同片状颗粒含量机制砂对水泥胶砂和混凝土流动性、强度、耐久性的影响，提出片状机制砂的定义及检测方法，同时提出片状含量合理控制范围，为今后机制砂相关标准片状颗粒技术指标制定提供参考。研究表明，随着片状机制砂含量的增加，水泥胶砂和混凝土的各项性能随之下降。对于水泥胶砂用机制砂，片状颗粒含量不宜超过10%；对混凝土用机制砂，片状颗粒含量不宜超过20%。片状颗粒对高强度等级混凝土的影响要高于低强度等级混凝土。

关键词：机制砂，片状颗粒，混凝土性能，条形孔筛

0.引言

细骨料是混凝土的主要组分，约占混凝土体积总量的 30％-40％，其性质的好坏将直接影响到新拌混凝土和硬化后混凝土的性能。为了配制工作性符合要求的混凝土，表面粗糙、多角或者细长的颗粒与表面光滑、粒形浑圆的颗粒相比，需要更多的浆体，从而影响性能和成本。廉慧珍[2]指出砂石质量是影响混凝土质量的关键。天然河砂颗粒形状相对较好，一般不存在粒形问题。而机制砂则普遍存在不规则颗粒形状—片状颗粒的问题。季韬[3]指出由于针片状颗粒较多且表面凹凸不平，机制砂具有较大的比表面积，随着机制砂比表面积的增大，混凝土拌合物的坍落度减小。对于骨料粒形，Fletcher等介绍了一种基于计算机控制的骨料成像体系（AIMS）来描述骨料形状。H．He研究了细骨料表征的不同试验方法，认为不同种类砂的颗粒形状尺寸等指标用图像分析法、筛析法、激光衍射法等不同方法研究得到的特性表征是不一样的。王稷良也指出常规测试机制砂粗糙度的试验方法不能准确反映出机制砂的颗粒形貌特征。目前关于机制砂，相关标准没有细骨料片状颗粒的定义和指标要求，更没有建立片状颗粒含量的检测方法，细骨料的颗粒形状对预拌混凝土工作性、强度以及耐久性的影响还缺少系统研究。本文提出了片状颗粒的定义和检测方法，通过试验研究了机制砂不同片状颗粒含量对水泥胶砂和混凝土的影响。

1.原材料及试验方法

本试验采用金隅P.O 42.5水泥，需水量比和烧失量分别为98%和 3.2%的 Ⅱ级粉煤灰，比表面积和活性分别为453 m2/kg和89%的S95级矿粉。

采用细度模数为3.1的石灰岩机制砂和花岗岩机制砂，5-25mm连续级配石灰岩碎石，采用减水率33%的聚羧酸减水剂。

我们提出的片状颗粒定义为：1.18mm以上的机制砂颗粒中最小一维尺寸小于该颗粒所对应粒径范围平均粒径0.45倍的颗粒。机制砂规则颗粒和片状颗粒如图1所示；机制砂片状颗粒含量根据我们依据定义开发的条形孔筛（如图2所示）试验所得。筛子共3种型号，条形筛孔宽分别为为0.8mm、1.6mm和3.2mm，分别检测1.18-2.36mm 、2.36-4.75mm、4.75-9. 50mm三个粒径范围的片状砂。

检测步骤：取500g烘干或风干砂，筛除1.18mm以下砂样，将剩下的砂进行筛分，然后将1.18-2.36mm 、2.36-4.75mm、4.75-9. 50mm三个粒径区的砂分别放到条形孔宽为0.8mm、1.6mm和3.2mm的筛子中进行筛分，称取各筛筛下颗粒质量，并相加得到筛下颗粒总质量G。G除以砂样总质量500g所得百分比即为机制砂中片状颗粒含量。

选择含片状颗粒10%、20%、30%的机制砂做胶砂试验。试验各原材料用来如表1所示，混凝土配合比如表2所示。

表1 胶砂试验原材料用量 单位：g

 

表2 混凝土配合比 单位：kg/m3

▲图1 机制砂规则颗粒（左）和片状颗粒（右）

▲图2 机制砂片状颗粒条形孔试验筛示意

2.试验结果与讨论

2.1 机制砂片状颗粒含量对水泥胶砂性能的影响

不同含量片状砂砂浆流动度图3所示。

▲图3 机制砂片状颗粒含量对砂浆流动度的影响
 

由图3可知，对于花岗岩机制砂，不含片状颗粒的机制砂胶砂流动度为165mm，当片状颗粒含量分别为10%、20%、30%时，砂浆流动度分别下降了6.7%、10.9%、13.9%。对于石灰岩岩机制砂，不含片状颗粒的机制砂胶砂流动度为185mm，当片状颗粒含量为10%、20%、30%时，砂浆流动度分别下降了8.6%、16.2%、20%。对于两种机制砂，当片状颗粒含量为20%，砂浆流动度降低10%以上。

不同含量片状砂胶砂强度如表4所示。由这些数据可以看出，当片状颗粒含量不大于10%时，对胶砂的抗折、抗压强度影响不太大，但含量在20%以上时，对胶砂的抗折、抗压强度影响较大，下降10%左右。所以对于胶砂来说，片状颗粒的含量不应超过10%。

表4 不同片状颗粒含量的胶砂强度 单位：MPa

 

2.2 机制砂片状颗粒含量对混凝土性能的影响

2.2.1.机制砂片状颗粒含量对混凝土坍落度的影响

不同含量片状颗粒对不同强度混凝土坍落度的影响如图4所示。

▲图4 机制砂片状颗粒含量对不同强度等级混凝土坍落度的影响
 

由图可知，对于C30混凝土，初始坍落度200mm，当片状颗粒含量分别为20%、30%时，坍落度分别下降5%、10%。对于C50混凝土，初始坍落度220mm，当片状颗粒含量为20%、30%时，坍落度分别下降7.3%、9.1%。由此可见，要保证良好的流动性，片状颗粒不应超过20%。

2.2.2 片状颗粒对混凝土强度的影响

图5是机制砂不同片状颗粒含量混凝土28d抗压强度，由图可以看出，随着片状颗粒含量的增加，混凝土立方抗压强度下降。对于C30和C50混凝土，当片状颗粒含量超过30%时，混凝土立方抗压强度下降10%以上。

▲图5 机制砂不同片状颗粒含量混凝土的28d抗压强度
 

机制砂不同片状颗粒含量混凝土28d抗折强度图6所示。

▲图6 机制砂不同片状颗粒含量混凝土的28d抗折强度
 

由图可知，片状颗粒含量对高强混凝土抗折强度影响略高于低强度混凝土。分析原因，随着混凝土强度等级的提高，骨料的品质越来越显得重要。配制高强度混凝土时，更因控制机制砂片状颗粒含量。

2.2.3.机制砂片状颗粒含量对混凝土氯离子扩散系数的影响

混凝土28d氯离子扩散系数结果见表5。

表5 混凝土28d氯离子扩散系数(×10-14m2/s)

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对于C30混凝土，当片状颗粒含量为20%时，两种砂氯离子扩散系数增加20%以上；对于C50石灰岩砂混凝土，当片状颗粒含量为30%时，氯离子扩散系数增加50%以上。可说明片状砂含量对混凝土渗透性的影响是明显的；片状砂含量对高强混凝土的渗透性影响也大于对低强混凝土的影响，从片状砂粒形及骨料强度方面综合分析原因：强度越高，水胶比越低，混凝土内部结构越密实，片状砂发挥的影响越大，即机制砂片状颗粒含量高，孔隙率高于正常粒形颗粒，故在硬化混凝土结构中，同样骨料用量条件下，含片状颗粒高的混凝土内部孔隙率越大，扩散系数增大证明了这一点分析。所以考虑混凝土耐久性时，混凝土应该控制机制砂片状颗粒含量。

3.结论

（1）提出机制砂片状颗粒的定义，制定了条形孔筛片状颗粒检测方法。

（2）随着机制砂片状砂含量的增加，水泥胶砂流动度和强度随之下降。当片状颗粒含量为20%时，水泥胶砂流动度和强度下降10%以上。

（3）随着机制砂片状砂含量的增加，混凝土强度和抗渗性随之下降。当片状颗粒含量为30%时，混凝土强度下降10%以上，氯离子扩散系数增加20%以上。

（4）对于水泥胶砂用机制砂，片状颗粒含量不宜超过10%。对混凝土用机制砂，片状颗粒含量不宜超过15%。

（5）机制砂片状颗粒含量对高强度混凝土影响要高于低强度混凝土。