不同細度模數(shù)人工砂應用于混凝土的性能研究

黃勁，呂寅，張麗，李莎，王義恒

（華新混凝土骨料事業(yè)部，湖北　武漢　430073）

不同細度模數(shù)人工砂應用于混凝土的性能研究

黃勁，呂寅，張麗，李莎，王義恒

（華新混凝土骨料事業(yè)部，湖北武漢430073）

在天然砂資源日益枯竭的情況下，急需發(fā)展人工砂替代細骨料的推廣應用。本試驗就細度模數(shù)為 2.2、2.8 及 3.2 的三種不同規(guī)格人工砂，分別在“人工砂＋天然砂”摻配使用及單摻直接使用情況下作為細骨料，應用于混凝土中對于拌合物的工作性能影響進行試驗研究，從而形成不同細度人工砂應用于混凝土中的最佳優(yōu)選方案，以實現(xiàn)兼顧混凝土工作性能和經(jīng)濟性的目的。

人工砂；細度模數(shù)；工作性能；摻配比例

0　引言

出于保護生態(tài)環(huán)境的目的，目前河砂的開采日益收緊，后續(xù)河砂持續(xù)供應及價格優(yōu)勢將面臨較大沖擊，故須加緊尋求替代資源，以保障今后混凝土生產(chǎn)的可持續(xù)進行[1-2]。此次試驗就采用人工砂替代河砂后對混凝土各項性能的影響進行研究，以探討采用人工砂后對混凝土工作性能的改善作用及采用人工砂混凝土的可行性。在此基礎(chǔ)上，進一步形成人工砂混凝土配合比優(yōu)化調(diào)整方案，以實現(xiàn)兼顧混凝土工作性能和經(jīng)濟性的目的[3]。

1　試驗原材料及試驗設備

1.1試驗原材料

（1）水泥 (C)：襄陽華新 P·O42.5 水泥，比表面積360m2/kg，28d 抗壓強度 51.2MPa。

（2）礦粉 (BFS)：慧可 S95 級，流動度比 102%，7 天活性指數(shù) 80%，28 天活性指數(shù) 99%。

（3）粉煤灰 (FA)：襄陽天健Ⅱ級粉煤灰，細度 17.3%，需水量比 102%。

（4）人工砂 (S1)：分別選取細度模數(shù)為 2.2、2.8 及 3.2三種不同破碎規(guī)格產(chǎn)品，MB 值 1.25。

（5）天然砂：江砂 (S2) 細度模數(shù)為 1.7，河砂 (S3) 細度模數(shù)為 3.1。

（6）碎石 (S)：5～25mm 連續(xù)級配。

（7）外加劑 (PC)：西卡聚羧酸減水劑，含固量 19%。

1.2人工砂及天然砂篩分結(jié)果

各類砂的篩分結(jié)果見圖 1～5。

圖1　細度 2.2 人工砂篩分曲線

圖2　細度 2.8 人工砂篩分曲線

圖3　細度 3.2 人工砂篩分曲線

圖4　細度 1.7 江砂篩分曲線

圖5　細度 3.1 河砂篩分曲線

根據(jù)篩分結(jié)果，上述人工砂均不滿足 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢測方法標準》中混凝土用砂顆粒級配區(qū)間，使用過程中宜進行顆粒級配優(yōu)化。

1.3試驗設備及試驗方法

（1）混凝土的制備、坍落度與擴展度測定方法，均按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。成型試塊在標準養(yǎng)護后，分別測定其 3d、7d、28d 抗壓強度。

（2）混凝土力學性能試驗采用英國 ELE ADRAuto-3000全自動多功能混凝土力學試驗機。

2　單摻人工砂情況下的應用試驗

試驗就單摻人工砂作為混凝土中細集料直接使用，以探明人工砂在未經(jīng)處理情況下直接使用的可行性。

由于人工砂細度模數(shù)不同，故在膠凝材料及用水量一定的情況下，通過調(diào)整砂率和外加劑摻量使混凝土得到相同的出機狀態(tài)[4]。混凝土試驗配合比及性能測試結(jié)果見表 1。

由表 1 試驗結(jié)果可知，在混凝土出機工作狀態(tài)基本一致的情況下，采用 2.8 細度模數(shù)人工砂其外加劑摻量最低，坍落度損失相對較小；A-1 組的人工砂較細，砂率不宜較大，混凝土整體級配不良，在外加劑摻量大幅高于 A-2 的情況下 1h坍落度損失亦非常明顯；對于 A-3，由于人工砂細度模數(shù)達到3.2，人其顆粒級配中 600μm 以下顆粒較少，故對于骨料之間的填充效應大幅降低，應用過程中必須加大砂率，由于人工砂含泥量亦較高，其在外加劑摻量達到 2.1% 情況下仍然坍落度損失較大[5]。由力學性能試驗結(jié)果可知，采用 2.8 細度模數(shù)人工砂情況下粗細骨料間的堆積效應較好，力學性能最佳。由此，在采用人工砂單摻使用情況下，應優(yōu)選細度模數(shù)為 2.8的人工砂產(chǎn)品。

表1　單摻人工砂的混凝土試驗配合比及性能

3 “人工砂+天然砂”摻配條件下的人工砂應用試驗

目前湖北地區(qū)的人工砂較多為小廠生產(chǎn)，對于產(chǎn)品的技術(shù)控制往往達不到規(guī)范中的級配篩分要求，單獨使用人工砂往往出現(xiàn)出機坍落度小、坍落度損失大的情況，故混凝土生產(chǎn)站點往往采用“人工砂+天然砂”的摻配方案進行細骨料的顆粒級配優(yōu)化以滿足使用需求[6-7]。試驗就不同細度模數(shù)人工砂與天然砂摻配比例進行優(yōu)化，實現(xiàn)最佳摻配方案選擇。

3.1細度模數(shù) 2.2 人工砂摻配試驗

由于該規(guī)格人工砂細度模數(shù)較小，屬于細砂，為改善級配狀況，其宜與細度模數(shù)較大的天然砂（河砂細度模數(shù) 3.1）摻配使用。混凝土試驗配合比及性能測試結(jié)果見表 2 和圖 6。

由表 2 試驗可知，在砂率相同的情況下隨著細骨料中天然砂摻量的提高，混凝土外加劑用量逐漸降低，B-1 中人工砂摻量最高（達到 55%），其坍落度損失最大；配合比 B-3，則由于出機狀態(tài)一致的情況下其所需的外加劑摻量較小，不利于坍落度損失的控制，故其 1h 后的坍落度損失亦較大，故生產(chǎn)過程中應適當提高外加劑摻量以優(yōu)化混凝土工作性能損失；而配合比 B-2 為較理想的級配情況對于人工砂混凝土的工作性能改善最為明顯。

表2　細度模數(shù) 2.2 人工砂摻配試驗

圖6　配合比 B-2 工作狀態(tài)

3.2細度模數(shù) 2.8 人工砂摻配試驗

對于細度模數(shù) 2.8 人工砂，試驗采用其與江砂摻配方式作為混合細骨料應用于混凝土，其配合比及性能測試結(jié)果見表 3 和圖 7。

對于細度模數(shù) 2.8 的人工砂而言，隨著江砂摻入比例的提高，混凝土中外加劑用量逐漸提高。上述試驗結(jié)果表明，采用“人工砂+天然砂”砂中的江砂摻量不宜小于 40%，此主要由于人工砂中的泥、石粉含量較高，宜采取提高江砂摻量的方式來降低其在摻配細集料中的比例[8]，同時隨著江砂摻量的提高，混凝土和易性大幅改善，并可通過提高外加劑摻量的措施來減小混凝土坍落度損失。

試驗將配合比 C-3 中“人工砂+天然砂”方案下的混凝土骨料級配狀況與理論級配分布曲線進行擬合（見圖 8），可知人工砂細度模數(shù)為 2.8，江砂摻量為 45% 時，骨料整體的級配曲線最佳。

圖8　骨料級配曲線擬合圖

3.3細度模數(shù) 3.2 人工砂摻配試驗

當人工砂細度模數(shù)達到 3.2 情況下，其宜與江砂摻配使用。混凝土試驗配合比及性能測試結(jié)果見表 4 和圖 9。

圖9　配合比 D-3 工作狀態(tài)

表 3　細度模數(shù) 2.8 人工砂摻配試驗

隨著江砂摻入比例的提高，混凝土外加劑摻量亦出現(xiàn)逐漸提高的趨勢，對比配合比 D-2 與 C-3 可知，在江砂摻量一致的情況下，C-3所需的外加劑摻量較 D-3 可減少 0.13%，同時 1h 損失情況亦有所改善，即使用 2.8 人工砂的經(jīng)濟效益更佳；對于配合比 D-3，在大幅提高外加劑摻量使混凝土出機明顯泌水的情況下混凝土 1h 坍落度損失依然十分明顯，無法適應人工砂的生產(chǎn)應用。

4　結(jié)論

（1）人工砂顆粒級配未滿足規(guī)范要求的條件下直接應用于混凝土，人工砂單摻作為混凝土細骨料的情況下，細度模數(shù)為 2.8 的人工砂產(chǎn)品工作性能及力學性能效果最佳。

（2）在采用“人工砂+天然砂”作為混凝土中細骨料的情況下，細度模數(shù)為 2.2 的人工砂產(chǎn)品宜采用“人工砂+河砂”摻配方案，細度模數(shù)為 2.8 及 3.2 的人工砂產(chǎn)品宜采用“人工砂+江砂”摻配方案。

（3）對于“人工砂+江砂”摻配方案，采用細度模數(shù)為2.8 人工砂產(chǎn)品，同時江砂摻量為細骨料 45% 時的應用效果最佳。

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[3] 江京平．人工砂在高性能混凝土中的應用及技術(shù)指標探討[J]． 新型建筑材料，2001, (5): 29-31．

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[通訊地址] 湖北武漢市洪山區(qū)光谷大道國際企業(yè)中心英才樓（430073）

黃勁（1981—），男，湖北武漢，碩士，工程師，主要從事混凝土配合比設計及耐久性研究。