砂的細度對水泥基材料性能的影響

朱 涵，劉乾利，于 泳

(1.天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.天津大學濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津 300072)

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砂的細度對水泥基材料性能的影響

朱 涵1,2，劉乾利1，于 泳1

(1.天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.天津大學濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津 300072)

本文選用了四種不同粒徑的砂(粗砂、中砂、細砂和特細砂)，考慮了兩種不同的水灰比(0.35和0.5)，研究了砂的細度對砂漿力學性能、自由收縮性能、抗開裂性能和微觀結構的影響。其中通過力學性能試驗測定了試件的抗壓強度和抗折強度；采用直接長度的測量方法測定試件不同齡期的自由收縮量；采用圓環試驗方法研究砂漿的抗開裂性能，在鋼環內表面黏貼應變片，通過測得的應變計算砂漿的約束應力；對試樣進行掃描電鏡試驗，觀察砂和水泥石的界面過渡區的微觀結構。試驗結果表明，砂的粒徑對砂漿的力學性能、自由收縮、約束收縮和微觀結構都有較大影響。使用特細砂的砂漿各項性能均最差；使用中砂的砂漿各項性能最好，尤其是其自由收縮和抗開裂性能。

砂的細度； 自由收縮； 抗開裂性能； 微觀結構

圖1 細骨料粒徑分布圖Fig.1 Particle size of fine aggregates

1 引 言

水泥基材料早期體積變化會影響其最終體積穩定性導致裂縫的形成[1]。裂縫的出現不僅影響建筑物的外觀，更危及建筑物的正常使用以及結構的耐久性[2]。目前，國內外對于水泥基材料早期的收縮開裂性能已進行了大量的研究。文獻[3]研究了不同強度、水灰比的水泥基材料的抗開裂性能，研究結果表明低水灰比高強度的水泥基材料抗開裂性能較差。文獻[4]研究了礦物摻和料(粉煤灰、硅灰、礦渣等)對水泥基材料收縮開裂性能的影響，得出結論摻粉煤灰和礦渣粉均使水泥基材料早期抗裂性改善，且摻粉煤灰的改善作用優于礦渣粉。文獻[5]研究了減縮劑對水泥基材料收縮開裂的影響，研究結果表明減縮劑提高水泥基材料的抗開裂性能主要是針對干燥收縮，對于水中養護和半絕熱條件，減縮劑無補償收縮的效應。文獻[6]研究了橡膠對水泥基材料收縮開裂性能的影響，研究結果表明橡膠的摻入可以有效的改善水泥基材料的抗開裂性能。文獻[7]的研究表明，纖維的摻入可以改善水泥基材料的塑性開裂性能。目前對水泥基材料收縮開裂的研究主要是針對不同外加劑或材料對水泥基材料收縮開裂性能的改善。而砂作為水泥基材料的重要組成，目前的研究缺少關于砂的細度對水泥基材料收縮開裂性能的影響。

本文主要研究了砂的細度對水泥基材料力學性能、自由收縮和抗開裂性能的影響，并采用掃描電鏡的方法對砂和水泥石的界面進行了微觀分析。

2 試 驗

2.1 原材料和配合比設計

實驗所用水泥為P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；水為普通自來水；砂采用4種粗細程度不同的河砂，分別為粗砂(CS)、中砂(MS)、細砂(FS)和特細砂(ES)，其粒徑分布如 所示，相應的細度模數分別為3.5、2.8、2.0和1.5。本文實驗設計中灰砂比為0.4，考慮兩種水灰比0.5和0.35，共配置8組配合比材料，并按照JGJ/T70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》測量砂漿的稠度。砂漿稠度隨水灰比和橡膠粒徑的減小而降低。試驗配合比和稠度見表 1。

表1 砂漿配合比Tab.1 Mix proportion of mortars

2.2 試驗方法

2.2.1 力學性能試驗

砂漿抗壓和抗折強度試驗參照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行。抗折試塊尺寸40 mm×40 mm×160 mm，每組配合比制備3個試塊。使用抗折試驗后的試塊進行抗壓試驗。所有試塊澆筑完成1 d后拆模，標準養護28 d，進行抗折和抗壓試驗。

2.2.2 自由收縮試驗

砂漿自由收縮試塊尺寸40 mm×40 mm×160 mm兩端預留銅測釘，每組配合比制備3個試塊。試塊澆筑完成2 d后拆模并測定其初始長度l0(測量精度0.001 mm)，拆模后將試塊置于溫度(20±2) ℃，相對濕度(60%±5%)的環境中，定期測量試件長度。記錄第N天測得的試件長度為l mm，計算試件的收縮率εSN=(l0-lN)/lb。其中，lb為試件的測量標距，本實驗中lb=140 mm。

2.2.3 開裂試驗

砂漿開裂試驗采用圓環法[8,9]，試驗裝置見圖 2。圖中內環為鋼環，外環為砂漿。鋼環為Q345，鋼環內半徑RIS=152.5 mm，厚度t1=12.5 mm，高度h=150 mm。砂漿環內半徑RIM=165 mm，厚度t2=38 mm。在鋼環內表面中間高度處，沿圓周等距粘貼4個應變片。應變片型號BX120-5AA，電阻(120±0.1) Ω，靈敏度系數為2.08。砂漿環分2層澆筑，每層插搗150下，用塑料薄膜密封砂漿環上表面。澆筑完成48 h后拆模，并在砂漿環上表面涂刷防水材料，保持上表面密封。將試件置于室溫(20±2) ℃，相對濕度60%±5%的環境中，用一臺應變儀連接所有應變片，應變采集頻率1次/15 min，將測得的鋼環內表面環向應變εsteel傳輸給電腦，εsteel發生突變的時刻即為砂漿開裂的時刻。對所得的數據進行處理，根據文獻[10]給出的理論公式(1)～(3)計算砂漿最大環向應力σmax的發展，圖 3所示為試驗應力計算圖。

圖2 圓環試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of ring test device

圖3 應力計算圖解Fig.3 Illustration for computing stress

(1)

(2)

(3)

式中，r為砂漿環任意一點的半徑；σ(r)為砂漿任意一點的環向約束應力，σmax為砂漿最大環向約束應力；ROS和RIS分別為鋼環的外半徑和內半徑，ROM和RIM分別為砂漿環的外半徑和內半徑，ROS=RIM；ES是鋼環的彈性模量；Pin為砂漿收縮對鋼環產生的均勻壓力；εsteel(t)為任意時刻測得的鋼環內表面應變。

2.2.4 掃描電鏡試驗

水泥漿和集料之間的界面過渡區ITZ是水泥基材料中最薄弱的環節[11]，使用掃描電鏡研究不同粒徑砂和水泥漿體界面的微觀結構。將砂漿制成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣，表面磨平后抽真空并噴金，在掃描電鏡(SEM)下觀察砂-水泥漿體過渡區界面。

3 結果與討論

3.1 力學性能試驗結果

從表2中可知，水灰比越大強度越低，砂的粗細對水泥砂漿強度大小的影響次序為：粗砂>中砂>細砂>特細砂。

表2 力學性能試驗結果Tab.2 Results of mechanical tests

3.2 自由收縮試驗結果

圖4所示為8組配合比材料自由收縮試驗結果。從圖4(a)可以看出，0.5水灰比條件下4種砂漿的自由收縮量M1-E>M1-F>M1-C>M1-M，與圖4(b)的結論一致，砂漿的自由收縮量隨著砂的粒徑減小先減小后增大。M1-E組的自由收縮量較M1-M組的自由收縮量增大了30.9%；M2-E組的自由收縮量較M2-M組的自由收縮量增大了45.0%。說明砂的粒徑對低水灰比砂漿的自由收縮性能影響更大。

砂漿的早期收縮主要是由于其化學收縮和干燥收縮共同作用的結果。對比圖4(a)和圖4(b)可以看出，當砂的粒徑相同時，砂漿的早期0～3 d自由收縮量M2組大于M1組，此時影響砂漿收縮量的主要因素是其化學收縮，因此水灰比較小的M2組收縮量大。之后砂漿的自由收縮量M1組大于M2組，此時影響砂漿收縮量的主要因素是其干燥收縮，因此含水量較多的M1組收縮量較大。本試驗配合比條件下，水灰比0.5組的砂漿自由收縮量大于水灰比0.35組的砂漿，說明本試驗條件下對砂漿自由收縮占主導作用的是干燥收縮。

圖4 試件自由收縮Fig.4 Free shrinkage ratio of specimen

3.3 圓環開裂試驗結果

圖5所示為8組材料在拆模后鋼環內表面環向應變με隨時間發展的曲線。圖6所示為按照1、2、3節進行計算得出的砂漿最大環向應力σmax隨時間發展的曲線圖。兩圖中曲線發生突變的時刻即為試件開裂的時刻。

對比圖(a)和圖(b)可以看出，相同砂的條件下，水灰比0.35組砂漿開裂早于水灰比0.5組砂漿，且0.35水灰比的砂漿最大環向應力σmax發展更快、極限應力更大。

同一組內，相同水灰比條件下，開裂順序是ME，MF，MC，MM。其中使用特細砂的ME組最先開裂，使用中砂的MM組最后開裂。從圖 6可以看出，相同水灰比條件下，使用特細砂(ES)的砂漿最大環向應力σmax發展最快；使用中砂(MS)的砂漿最大環向應力σmax發展最慢、極限應力最大，因此開裂最慢。使用中砂(MS)的砂漿抗開裂性能最好，其次是使用粗砂(CS)和細砂(FS)的砂漿，使用特細砂(ES)的砂漿抗開裂性能最差。

3.4 掃描電鏡試驗結果

圖7所示為使用掃描電鏡觀察得到的砂-水泥石界面過渡區的形貌，其中圖7(a)所示為樣本放大60倍后的形貌，圖7(b)所示為界面區域放大400倍后的水泥石形貌。通過圖7(a)可以看出，水泥石和砂之間存在明顯的界面，其中界面最不明顯的是圖7(b)M1-M樣品，說明中砂(MS)和水泥石的結合最緊密。從圖7(b)可以看出，界面過渡區的水泥石密實度差別較大，使用中砂(MM)的界面區水泥石最緊密，其次是粗砂(CS)和細砂(FS)，水泥石最疏松的是特細砂(ES)。

圖5 鋼環內表面環向應變隨時間發展曲線圖Fig.5 Development of the inner surface strain of the steel ring

圖6 砂漿最大環向應力σmax隨時間發展曲線圖Fig.6 Development of stress σmaxof mortar

圖7 掃描電鏡(SEM)試驗結果Fig.7 Scanning electron microscopy (SEM) test results

3.5 試驗結果分析

分析第2節中的試驗結果可以發現砂的粒徑對砂漿的抗壓、抗折強度、自由收縮量、抗開裂性能和微觀結構都有很大的影響。中砂和粗砂對砂漿強度的影響不大，但是細砂和特細砂都會降低砂漿的強度，尤其是特細砂。而且砂的細度對水灰比0.35的砂漿力學性能影響比對0.5水灰比砂漿的力學性能影響明顯。分析這一原因主要是由于隨著砂的細度降低，砂的表面積增大，相應的界面過渡區域增大，砂漿的薄弱層增多，強度降低增大。

砂漿的開裂是由多種因素共同造成的，砂漿的自由收縮受到約束時內部產生約束應力，當砂漿內部的約束應力超過其極限應力時，砂漿開裂。通過圖 6可以看出，水灰比0.35的砂漿的極限應力大于水灰比0.5的砂漿；但是水灰比0.35的砂漿在本試驗的約束條件下，最大環向應力σmax發展更快，因此先于水灰比0.5的砂漿達到極限應力，發生開裂。同水灰比條件下使用中砂的砂漿自由收縮量最小，內部約束應力的發展最慢，開裂時的約束應力最大，抗開裂性能最好。

對于水泥基材料，水泥石和砂之間存在界面薄弱區域。界面區域存在微裂紋，隨著水泥基材料外部約束力增大，內部微裂發展形成宏觀裂縫，導致試件開裂。因此微觀界面微裂紋少，水泥石緊密、孔隙少的材料抗開裂性能更好。使用掃描電鏡分析不同種砂和水泥石的微觀界面，可以發現中砂和水泥石的結合最為緊密，界面過渡區的孔隙較少，水泥石更為緊密，微裂紋較少。因此使用中砂(MS)的砂漿抗開裂性能最好。當使用粗砂(CS)時，雖然界面過渡區的孔隙較多、水泥石疏松，但是其界面少于中砂(MS)與水泥石的界面，因此使用粗砂(CS)的砂漿性能較使用中砂(MS)的砂漿降低不多。但是使用細砂和超細砂的砂漿，其力學性能、收縮性能和抗開裂性能都較差，分析其原因主要有兩方面：一方面，其界面過渡區薄弱、水泥石疏松，微裂紋較多；另一方面，其表面積較大、界面過渡區較多。這兩方面共同導致細砂和特細砂砂漿微裂紋較多，因此當試件受到外部約束力時，試件容易形成宏觀裂縫而開裂。

4 結 論

試驗結果表明，砂的粒徑對砂漿的力學性能、自由收縮性能、約束收縮性能以及微觀結構都有較大的影響：

(1)使用中砂和粗砂對砂漿的力學性能影響不大，使用細砂和特細砂會降低砂漿的抗壓和抗折強度。尤其是低水灰比(水灰比為0.35)的砂漿若采用特細砂，相較于使用中砂的砂漿，其抗壓和抗折強度分別降低了26.0%和14.9%；

(2)相同的溫濕度條件下，使用中砂的砂漿自由收縮量小于使用粗砂、細砂以及特細砂的砂漿的自由收縮量；

(3)使用中砂的砂漿的抗開裂性能好于使用粗砂、細砂和特細砂的砂漿的抗開裂性能；

(4)掃描電鏡試驗結果表明，中砂與水泥石的界面粘結更為緊密，微裂縫較少。

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Effect of Sand Fineness on the Properties of Cement Based Materials

ZHUHan1,2,LIUQian-li1,YUYong1

(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Tianjin Key Laboratory of Civil Engineering Structure & New Materials,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Considering the two kinds of different water cement ratio (0.35 and 0.5),four kinds of different particle sizes of sand (coarse sand,medium sand,fine sand and especially fine sand) were used to study the influences of sand fineness on the mechanical properties,free shrinkage performance,cracking resistance and microstructure of mortars .The compressive strength and flexural strength of the specimens were tested as mechanical properties.The free shrinkage of the specimens on different ages were tested through directly length measuring method.The cracking resistance of the mortars were evaluated by ring tests,and strain gauges were pasted on inside of the steel ring,then,the constraint stress of the mortar was calculated through the measured strain.Scanning electron microscopy was carried out on the samples,interface microstructure of transition zone was observed.The experimental results show that the sizes of sand influence greatly on mechanical properties,free shrinkage performance,cracking resistance and microstructure of mortars.The mortar with especially fine sand performed the worst.The mortar with medium sand performed the best,especially its' properties of free shrinkage and cracking resistance.

the fineness of sand;free shrinkage;cracking resistance;microstructure

朱 涵(1956-)，男，博士，教授.主要從事建筑材料耐久性的研究.

于 泳，博士研究生.

TQ172

A

1001-1625(2016)10-3247-06