機(jī)制砂棱角性和級配關(guān)系研究

伍 川

(中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000)

1 引 言

目前國內(nèi)關(guān)于機(jī)制砂在混凝土中應(yīng)用的研究已有很多，相關(guān)研究表明，隨著高性能減水劑技術(shù)及粉煤灰等摻和料在混凝土中應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)機(jī)制砂中的石粉含量在合理范圍內(nèi)(約7%～10%)時(shí)，配制出的高標(biāo)號(hào)混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能均滿足要求。但目前機(jī)制砂的應(yīng)用仍主要局限于中低標(biāo)號(hào)混凝土中，在高標(biāo)號(hào)混凝土中應(yīng)用很少，且多與天然砂混合使用。

機(jī)制砂代替河砂作為細(xì)集料配制混凝土，除機(jī)制砂中石粉對混凝土性能有明顯影響外，機(jī)制砂棱角性較強(qiáng)、級配偏粗也是影響混凝土性能的重要因素。而目前關(guān)于機(jī)制砂棱角性、級配對混凝土性能影響的研究尚少，有研究通過配制不同強(qiáng)度等級混凝土拌合物工作性試驗(yàn)，確定了一個(gè)機(jī)制砂全級配標(biāo)準(zhǔn)，該全級配從滿足混凝土工作性能角度出發(fā)，將Ⅰ、Ⅱ區(qū)混合。細(xì)集料級配顯著影響混凝土工作性能，因此在設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)必需細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)，砂越細(xì)(細(xì)度模數(shù)越小)，提高混凝土工作性的細(xì)顆粒越多，通過0.3 mm、0.15 mm篩的砂對于混凝土的工作性、抹面和泌水較重要，因此，需要足夠的細(xì)集料維持良好的黏聚性和塑性。對于河砂混凝土，要求通過0.3 mm至少應(yīng)達(dá)到15%，而通過0.15 mm大于3%；對于高性能混凝土，由于膠凝材料用量較大，拌合物中有保持足夠黏度的細(xì)粉料(礦物摻和料)，故砂中粉細(xì)料應(yīng)盡量少，最好的砂要求0.6 mm篩的累計(jì)篩余大于70%，0.3 mm篩的累計(jì)篩余為85%～95%，而0.15 mm篩的累計(jì)篩余大于98%。也有研究表明，砂的細(xì)度模數(shù)約等于3.0時(shí)，混凝土工作性最好，抗壓強(qiáng)度最高。為規(guī)范和推廣機(jī)制砂在高標(biāo)號(hào)凝土中的應(yīng)用，研究機(jī)制砂棱角性、級配對混凝土性能的影響具有重要意義。

2 機(jī)制砂棱角性研究

2.1 細(xì)集料棱角性試驗(yàn)方法

(1)美國標(biāo)準(zhǔn)細(xì)集料棱角性試驗(yàn)方法

美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)研究中強(qiáng)調(diào)細(xì)集料棱角性指標(biāo)的重要性，提出了標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法—AASHTO TP33(“細(xì)集料未壓實(shí)空隙率方法”)。該法將干燥的細(xì)集料試樣通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)漏斗漏入一個(gè)經(jīng)標(biāo)定的圓筒，以細(xì)集料的空隙率反映棱角性，空隙率越大，意味著細(xì)集料的內(nèi)摩擦角越大、表面構(gòu)造越粗糙。

在AASHTO TP33方法中，規(guī)定了三種測定棱角性的試驗(yàn)方法。

A方法：有下列級配組成：2.36～1.18 mm 44 g、1.18～0.60 mm 57 g、0.60～0.30 mm 72 g、0.30～0.15 mm 17 g。試樣質(zhì)量合計(jì)190 g，按照上述質(zhì)量混合在一起進(jìn)行空隙率的測定。

B方法：試樣是用2.36～1.18 mm、1.18～0.60 mm、0.60～0.30mm 三組試樣分別取190 g進(jìn)行試驗(yàn)，棱角性由三個(gè)空隙率的平均值表示。

C方法：取190 g經(jīng)4.75 mm篩過篩的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。該方法所用試樣不需預(yù)先用水清洗。

(2)法國標(biāo)準(zhǔn)細(xì)集料棱角性試驗(yàn)方法

法國AFNOR NF P 18-564/1981采用了細(xì)集料的流值試驗(yàn)評價(jià)其棱角性。該方法是將過篩后的1 000 g干燥集料通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)漏斗，漏入一個(gè)圓筒，以細(xì)集料的流出時(shí)間作為其棱角性評價(jià)指標(biāo)。漏斗流出孔有12 mm和16 mm兩種，并按照最大粒徑的不同分別選擇2.36 mm或4.75 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩過篩。

(3)我國標(biāo)準(zhǔn)細(xì)集料棱角性試驗(yàn)方法

我國現(xiàn)行《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ058-2000)中關(guān)于細(xì)集料棱角性的評定有細(xì)集料棱角性試驗(yàn)(間隙率法)(T0344-2000)和細(xì)集料棱角性試驗(yàn)(流動(dòng)時(shí)間法)(T0345-2005)兩種方法。

細(xì)集料棱角性試驗(yàn)(間隙率法)(T0344-2000)，按照最大粒徑的不同選擇2.36 mm或4.75 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩過篩，除去大于最大粒徑的部分，然后將細(xì)集料清洗后用0.075 mm篩過篩，取篩上部分按AASHTO TP33法中C組試樣的方法進(jìn)行試驗(yàn)。T0344與C法類似，不同的是T0344要求清洗掉0.075 mm以下的部分。我國相關(guān)規(guī)范中沒有關(guān)于未壓實(shí)空隙率的技術(shù)要求。

細(xì)集料棱角性試驗(yàn)(流動(dòng)時(shí)間法)(T0345-2005)，試驗(yàn)方法與法國AFNOR NF P 18-564/1981的方法相近，不同是的T0345-2005為按照一定體積取樣，而AFNORNF P 18-564/1981為按照一定質(zhì)量取樣。

本試驗(yàn)采用細(xì)集料棱角性試驗(yàn)(流動(dòng)時(shí)間法)(T0345-2005)，分粒徑測定機(jī)制砂棱角性時(shí)采用Φ12 mm漏斗。

2.2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

為對比不同巖性機(jī)制砂棱角性，本試驗(yàn)選取河砂、石灰?guī)r機(jī)制砂、花崗巖機(jī)制砂、玄武巖機(jī)制砂四種細(xì)集料。試驗(yàn)步驟如下。

(1)對四種細(xì)集料進(jìn)行水洗，洗去0.075 mm以下粉料；

(2)對四種細(xì)集料進(jìn)行篩分，保留0.075～4.75 mm粒徑；

(3)測定四種細(xì)集料各檔粒徑下(0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm)表觀密度；

(4)流動(dòng)時(shí)間法測定各檔粒徑下細(xì)集料棱角性。

2.3 不同粒徑機(jī)制砂棱角性

各粒徑下河砂、石灰?guī)r機(jī)制砂、花崗巖機(jī)制砂、玄武巖機(jī)制砂表觀密度及棱角性試驗(yàn)結(jié)果如表1、圖1所示。

表1 不同粒徑機(jī)制砂棱角性

由圖1可以看出，集料粒徑在0.6～2.36 mm之間時(shí)，四種巖性細(xì)集料流動(dòng)時(shí)間隨粒徑減小而縮短，棱角性減弱，而粒徑在0.15～0.3 mm之間時(shí)，四種巖性細(xì)集料流動(dòng)時(shí)間都略有增加，棱角性增強(qiáng)。

同粒徑不同巖性的細(xì)集料相比，河砂流動(dòng)時(shí)間明顯低于三種機(jī)制砂，棱角性最弱；粒徑在0.6～2.36 mm之間時(shí)，流動(dòng)時(shí)間由高到低依次為玄武巖機(jī)制砂、石灰?guī)r機(jī)制砂、花崗巖機(jī)制砂，粒徑在0.15～0.6 mm之間時(shí)，三種機(jī)制砂的棱角性相差很小。

圖1 不同粒徑下集料棱角性示意圖

3 機(jī)制砂棱角性和級配的關(guān)系

3.1 試驗(yàn)方案

對四種集料由細(xì)到粗組合成六組級配，其中細(xì)砂2組、中砂2組、粗砂2組，測定各組級配下細(xì)集料的流動(dòng)時(shí)間，選用Φ16 mm漏斗。各檔集料累計(jì)篩余和級配曲線如表2、表3、圖2。

表2 累計(jì)篩余/%

表3 分計(jì)篩余/%

圖2 級配曲線

3.2 不同級配細(xì)集料棱角性

不同級配下四種細(xì)集料流動(dòng)時(shí)間如圖3所示，由圖可以看由細(xì)到粗的六種級配下，河砂的流動(dòng)時(shí)間均明顯低于機(jī)制砂。河砂、石灰?guī)r機(jī)制砂、花崗巖機(jī)制砂流動(dòng)時(shí)間隨級配變粗，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，即棱角性隨級配變粗先減弱后增強(qiáng)。其中河砂、石灰?guī)r機(jī)制砂的流動(dòng)時(shí)間最小值在中砂范圍內(nèi)，花崗巖最小值在細(xì)砂范圍內(nèi)。玄武巖機(jī)制砂流動(dòng)時(shí)間隨級配變粗呈增大趨勢，即級配越粗玄武巖機(jī)制砂棱角性越強(qiáng)。

圖3 不同級配細(xì)集料棱角性

相同級配下不同巖性細(xì)集料流動(dòng)時(shí)間如圖4所示，由圖可以看出，6種級配下河砂流動(dòng)時(shí)間最短；當(dāng)細(xì)集料級配在中砂范圍內(nèi)時(shí)，三種巖性機(jī)制砂棱角性比較接近；當(dāng)細(xì)集料級配在粗砂范圍內(nèi)時(shí)，棱角性由強(qiáng)到弱依次為玄武巖機(jī)制砂、花崗巖機(jī)制砂、石灰?guī)r機(jī)制砂；當(dāng)細(xì)集料級配較細(xì)時(shí)，石灰?guī)r機(jī)制砂棱角性最強(qiáng)，花崗巖機(jī)制砂和玄武巖機(jī)制砂棱角性接近。

圖4 不同巖性細(xì)集料流動(dòng)時(shí)間

4 結(jié) 論

(1)級配越粗玄武巖機(jī)制砂棱角性越強(qiáng)。

(2)當(dāng)細(xì)集料級配在粗砂范圍內(nèi)時(shí)，棱角性由強(qiáng)到弱依次為玄武巖機(jī)制砂、花崗巖機(jī)制砂、石灰?guī)r機(jī)制砂；當(dāng)細(xì)集料級配較細(xì)時(shí)，石灰?guī)r機(jī)制砂棱角性最強(qiáng)，花崗巖機(jī)制砂和玄武巖機(jī)制砂棱角性接近。