不同機制砂對混凝土工作性能的影響及改善措施

王玉乾 Serina Ng* 劉 磊 Mirko Cruber 王進春

1.石家莊市長安育才建材有限公司 河北石家莊 051530；2.河北省混凝土用功能性材料工程技術研究中心 河北石家莊 051530；3.河北省建筑化學添加劑產業技術研究院 河北石家莊 051530；4.四川砼道科技有限公司 四川成都 611139

隨著建筑行業的快速發展，河道不斷開采，天然砂資源日益短缺，機制砂已經是制備混凝土常用的材料之一[1-3]。質量優異，級配良好的機制砂可制備出性能優良的混凝土[4-6]。但目前市場上機制砂質量參差不齊，大量機制砂生產設備簡陋、控制不嚴格，所制砂質量存在問題，主要包括細度模數過大、粗顆粒過多、級配不合理、形貌差、亞甲藍值過高、石粉含量過多等，這些現象嚴重影響混凝土的工作性能，使得混凝土施工困難[7-9]。本文結合項目案例，闡述不同機制砂對混凝土工作性能的影響，分析影響原因，并提出相應的改善措施。

1 工程案例

1.1 案例一

四川涼山州某工程項目，面臨機制砂過粗問題。該項目機制砂由當地某砂廠提供，其顆粒級配如表1與圖1所示。

表1 機制砂粒徑分布

圖1 機制砂顆粒級配部分

通過公式(1)計算該砂的細度模數：

=3.5

(1)

結合國標《GB/T14684-2011建設用砂》，由表1、圖1以及公式1可以得出，該機制砂屬于I區粗砂，2.36mm和1.18mm處的篩余嚴重偏多，存在明顯粗顆粒多、細顆粒少的現象。用該機制砂所制混凝土狀態如圖2，混凝土配合比如表2，混凝土外加劑配方如表3。

表2 混凝土配合比(kg/m3)

表3 外加劑配方(kg/t)

圖2 混凝土狀態

從圖2可知，該機制砂所制混凝土包裹性差、露石多、表面泌水嚴重，這是粗砂混凝土常見的現象，主要由于該砂粗顆粒過多、細顆粒較少，導致混凝土級配不合理，空隙率大，沒有足夠的漿體包裹石子以及鎖住自由水。

針對上述問題我們的調整思路主要包括兩點：混凝土配合比和外加劑，具體如下：

(1)配合比調整：由于項目要求不能對膠凝材料和用水量進行改變，因此我們調整混凝土的砂率，將砂率從43%提高到46%，這也是粗砂的常見調整思路，調整后混凝土配合比如表4，混凝土狀態如圖3。

表4 混凝土配合比(kg/m3)

圖3 混凝土狀態

由圖3可知，調整配合比后，混凝土工作性能有所改善，露石明顯減少，主要原因為砂率提高，混凝土中砂漿含量提高，石子含量降低，有更多的砂漿對石子進行包裹，因此露石現象得以改善，但仍沒有完全解決，且混凝土表面依然存在泌水現象。

(2)外加劑調整：針對混凝土保水性差的問題，解決思路為增加增稠保水劑組分的用量，提高混凝土的黏聚性，使得水分不易流失；針對包裹性差的問題，通過提高引氣劑用量，增加漿體體積來改善，但需要注意保證混凝土含氣量在控制指標內；其次，通過使用更多的糖做緩凝劑也可以提高混凝土的黏聚性，鑒于此調整混凝土外加劑配方如表5。

表5 外加劑配方(kg/t)

依然采用表4作為混凝土配合比，使用表5的外加劑進行混凝土試配，混凝土狀態如圖4。

圖4 混凝土狀態

由圖4可知，當提高砂率，同時調整外加劑配方后，混凝土工作性良好，無明顯露石和泌水現象，混凝土工作性得到改善的主要原因為混凝土黏聚性提高和漿體體積增加。同時對混凝土容重與含氣量進行測試，實測容重為2409kg/m3，含氣量為3.0%，混凝土容重和含氣量均在控制范圍內。因此通過對混凝土配合比和外加劑的同時調整，成功改善了粗砂混凝土的工作性能。

1.2 案例二

重慶某商混公司砂含粉量過高問題。該項目機制砂由當地某砂廠提供，其顆粒級配如表6與圖5，其他指標如表7。

表6 機制砂粒徑分布

表7 物理指標

圖5 機制砂顆粒級配部分

由表6、表7和圖5可知，該機制砂為中砂，顆粒級配中0.3mm及以下的顆粒含量過多，且石粉含量極高，用該機制砂所制混凝土技術性能如表10，其中混凝土配合比如表8，外加劑配方如表9。

表8 混凝土配合比(kg/m3)

表9 外加劑配方(kg/t)

表10 混凝土性能

該項目所制混凝土為C40泵送混凝土，由試驗結果可知，通過此機制砂所制混凝土流動性一般，倒提排空時間為29.8s，可見流速非常慢。此混凝土很難用于泵送，主要原因為該機制砂含粉量過高。相對于砂粒，石粉顆粒小，比表面積大，吸水量高，同時還吸附外加劑，當砂中含有大量石粉時，部分拌和水和外加劑被石粉吸附，因此可導致混凝土外加劑摻量高、流動性差、黏度高、流速慢等不良現象的發生。

針對上述問題，分別從混凝土配合比和外加劑兩方面進行調整，首先從混凝土配合比方面調整，由于該混凝土存在問題是由砂中石粉含量過高引起，因此可以考慮適當降低砂率(降低砂用量，提高石子用量)，這樣可以降低混凝土中石粉總量，但要注意若砂率太低，砂漿量不夠，也會影響混凝土工作性能，針對該項目，我們將混凝土砂率由43%降低到40%，調整后的混凝土配合比如表11。

表11 混凝土配合比(kg/m3)

針對混凝土黏度過高問題，從外加劑方面調整，可以嘗試提高引氣劑用量，不使用糖作為緩凝劑。也可以保持其他不變，用降粘型聚羧酸減水劑替代常規聚羧酸減水劑，進行外加劑復配。針對該項目，我們分別嘗試上述兩種方法配制混凝土外加劑，外加劑配方如表12。

表12 外加劑配方(kg/t)

通過表8配合比和表9外加劑進行混凝土試驗，試驗結果如表13。

表13 混凝土性能

由表13可知，調整配合比和外加劑配方后混凝土流動性提高，外加劑摻量降低，倒提排空時間大幅降低，流速加快，混凝土工作性能得到明顯改善，該混凝土可容易進行泵送。因此針對混凝土發黏問題，可采取改變混凝土砂率，調整減水劑類型，調整外加劑中緩凝劑、引氣類型和用量等手段。

1.3 案例三

重慶某公路項目機制砂亞甲藍值(MB值)過高問題。該項目機制砂由當地某砂廠提供，其顆粒級配如表14與圖6，其他指標如表15。

表14 機制砂粒徑分布

表15 物理指標

圖6 機制砂顆粒級配部分

由圖6和表14、表15可知，該機制砂級配良好，屬于2區中砂，但MB值過高，MB值是判斷機制砂中小于0.075mm顆粒的主要成分是黏土還是石粉，當MB值≤1.4時，機制砂中0.075mm顆粒主要為石粉，當MB值>1.4時，機制砂中0.075mm顆粒主要為黏土。該項目所用機制砂MB值為2.2，遠遠大于1.4，說明該機制砂含泥量非常大。黏土是一種層狀結構可吸水膨脹的物質，當其摻入混凝土時，會對混凝土中的減水劑和自由水進行吸附，使得作用于水泥顆粒的外加劑和拌和水不足，從而導致混凝土出現流動性差、坍落度損失快、外加劑摻量高等現象，嚴重影響混凝土的工作性能。

該機制砂在此項目混凝土中使用后，混凝土性能如表18所示，其中混凝土配合比如表16，外加劑配方如表17。

表16 混凝土配合比(kg/m3)

表17 外加劑配方(kg/t)

表18 混凝土性能

從上述試驗結果可知，使用高MB值機制砂后，混凝土流動性差，損失快，通過提高外加劑摻量可以滿足混凝土出機具有良好的流動性，但損失快的問題仍然無法解決，造成該現象的原因為機制砂中黏土對外加劑和拌和水的吸附。

針對上述問題，我們依然從混凝土配合比和外加劑配方兩個方面進行調整。配合比方面，因為在成混凝土存在問題的原因為砂中的黏土，如果減少砂的用量，黏土的量也會降低，因此我們可以通過降低砂率調整配合比，但砂率不能降低太多，否則砂漿不夠會影響混凝土的工作性，該項目中我們將砂率由45%降低到43%，配合比如表19。外加劑方面針對混凝土出機流動性差的問題，我們增加外加劑中減水劑的組分，針對混凝土損失快的問題我們增加保坍劑的組分。其次，我們在外加劑中引入抗泥組分，該組分可抑制混凝土吸水膨脹，從而減弱其對混凝土的影響，調整后的外加劑配方如表20。通過上述配合比與外加劑進行混凝土試驗，試驗結果如表21。

表19 混凝土配合比(kg/m3)

表20 外加劑配方(kg/t)

表21 混凝土性能

從上述試驗結果可知，當配合比調整后，外加劑摻量不變，混凝土流動性和損失均得到改善，混凝土工作性良好。因此針對機制砂MB值較高的問題，可以通過降低砂率、提高減水劑和保坍劑的用量以及添加抗泥劑的手段進行改善。

2 結論

(1)目前大量工程項目上所用的機制砂，由于生產過程中設備簡陋、控制不嚴格，所制機制砂存在顆粒較粗、級配不合理、粒型差、含粉量過高、亞甲藍值過高等問題，嚴重影響混凝土的工作性能。

(2)針對質量較差的機制砂混凝土，通過混凝土配合比和外加劑調整可有效改善混凝土的工作性能。