淺談風化砂及機制砂對混凝土性能的影響

劉旭

（保定市永泰建設工程質量檢測有限公司，河北 保定 071051）

0 引言

隨著我國城市化進程的發展，建筑規模不斷擴大，混凝土用量隨之增加，而作為混凝土重要組成部分的天然砂資源也日益緊缺。為保障混凝土供應，諸多地區已采用風化砂和機制砂取代天然砂用于生產，而各地原材料品質的差別也對混凝土質量穩定性造成嚴重影響。

本文針對風化砂、機制砂和天然砂在混凝土中的應用進行對比試驗，簡要分析風化砂和機制砂相對于天然砂的優缺點。

1 原材料

1.1 砂的特點及主要性能指標

天然砂主要指河砂，是天然石在自然狀態下，經水的作用力長時間反復沖撞、摩擦產生的，其成份較為復雜，表面有一定光滑性，雜質含量多。隨著河砂的大量無節制開采，環保對資源的管控，目前天然河砂面臨著資源緊缺，開采及采購成本較高的現狀。

風化砂是地表巖層風化過程的產物。由于風化砂的特征是顆粒呈棱角狀、空隙多、強度較弱、粒徑分布不均勻、質地軟，造成其耐久性較差、吸水性大、物理力學性質較不穩定。

機制砂是指經過碎石機械破碎加工以及篩分處理得到的，粒徑在 5.00mm 以下的碎石微粒。機制砂受巖石材料和加工生產工藝影響較大，普遍存在級配不合理、石粉含量相對較高、顆粒呈現棱角不規則的形態等問題，同時，機制砂的比表面積相比河砂更大，機制砂的粘結性能較好、石質堅硬。因其特點所拌制的混凝土較天然砂抗壓抗折強度較高，但因為有時因其級配不合理易產生泌水現象。

本文所用三種砂的主要性能指標見表 1。

1.2 其他原材料

水泥：河北京蘭水泥有限公司 P·O42.5 水泥，標稠用水量 27.6%，比表面積 348m2/kg，3d 抗折強度5.9MPa、抗壓強度 29.8MPa，28d 抗折強度 8.7MPa、抗壓強度 50.2MPa。

表 1 三種砂的主要性能指標

粉煤灰：保定大唐電廠，F 類 Ⅱ 級，細度 16%，燒失量 5.8%，需水量比 99%，28d 活性 78%。

礦渣粉：保定乾華，S95 級，比表面積 460m2/kg，28d 活性102%。

石子：滿城 5～25mm 連續級配碎石，含泥量0.7%。

外加劑：保定慕湖恒源新型建材有限公司產聚羧酸系高性能減水劑，固含量為 12.36%，減水率 29.5%。

水：飲用水。

2 試驗方案

2.1 試驗方案

以普通 C30 混凝土配合比為基準（見表 2），使用天然砂、風化砂和機制砂進行試配，分別記為 S1、S2、S3。在保證混凝土拌合物達到相同工作性能時，對不同砂所需的外加劑和用水量進行對比分析；對混凝土拌合物的和易性及 1h 坍落度保留值進行對比分析；留置相應的試件，養護至不同齡期時進行抗壓強度對比分析。

表 2 基準配合比 kg/m3

2.2 依據標準

JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》、GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》。

3 試驗結果及分析

三種砂所配制混凝土的工作性能與抗壓強度對比試驗數據如表 3 所示。

表 3 三種砂混凝土試驗數據

首先，S2 與 S3 的外加劑用量和拌合用水量均高于S1。對于 S2 拌合物，因風化砂的特性，表面空隙多、吸水性強，只有提高外加劑用量和拌合用水量，讓自由水飽和，才能保障其工作性能；而 S3 拌合物，因機制砂中石粉含量較高，會吸收一部分外加劑和拌合水，所以其用量也高于 S1。

其次，S1 與 S3 的和易性良好，S2 的和易性較差；在初始坍落度相同情況下，S1 和 S3 的 1h 坍落度保留值明顯高于 S2。對于 S3 拌合物，機制砂細度模數偏大、級配不合理、顆粒呈棱角不規則的形態，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，且石粉對于水分的吸附是物理吸附，之后還會逐步釋放出來以供水化反應使用，所以 1h 坍落度保留值與 S1 相差不大；而 S2 拌合物，風化砂顆粒呈棱角不規則形態，且空隙率較大、吸水性強，其保水性及黏聚性較差，所以拌合物初始狀態及 1h 坍落度保留值均表現不佳。

第三，混凝土試件的各齡期抗壓強度對比，S3 最高，S1 次之，S2 最低。對于 S2 拌合物，由于風化砂需水量較大，增加了實際水膠比，雖然其顆粒的棱角形態會增加與水泥漿體結合面的粘結力，但其自身強度較低，在壓力作用下，其自身結構會先于粘結界面發生破壞，因此試件抗壓強度最低；對于 S3 拌合物，由于機制砂中石粉的填充作用，使得混凝土的孔隙率減小，從而提高混凝土的密實度，同時機制砂中顆粒呈棱角狀態，顆粒粗糙，大大增加了與水泥漿體的粘結力，從而改善強度。

4 結論

通過對比試驗可以看出，使用風化砂的混凝土拌合物不僅和易性差、坍落度損失快，且硬化后強度較低、耐久性差；使用機制砂的混凝土拌合物，在通過石粉調節級配后，不僅和易性良好、坍落度損失較小，且硬化后強度較高。所以在原材料把控上，要杜絕風化砂用于主體結構。而機制砂可以取代河砂用于混凝土生產，達到綠色、經濟、環保的綜合效益。