機制砂高強自密實砂漿的力學性能和微觀結構研究

張麗杰

（阜新恒澤建設工程有限公司，遼寧 阜新 123200）

在保證良好工作性能和自密實特性的情況下，河砂高強自密實砂漿抗壓強度能夠達到61.7MPa，一般適用于鋼筋密集區灌漿、預應力空島和混凝土結構加固等[1-2]。然而，受限于自然環境以及天然砂資源有限等諸多因素，選用機制砂替代天然砂勢必成為未來發展趨勢。

機制砂具有石粉含量高、表面粗糙、棱角尖銳等特點，在普通機制砂砂漿配制時存在易離析泌水、保水性差和需水量大等缺點[3]。通過復摻粉煤灰和硅灰可以提高砂漿強度，有效防止泌水的發生，并且復摻石灰石粉和礦渣配制的機制砂砂漿強度、保水性、稠度整體優于復摻石灰石粉與粉煤灰砂漿[4-6]。機制砂石粉含量在一定程度上決定著高強機制砂砂漿用水量，并且對砂漿工作性能和早期力學性能也會造成較大影響，石粉含量超過5%時顯著影響著砂漿屈服應力，使得砂漿塑性黏度大幅度提升[7-10]。目前，對于高強自密實砂漿的配合比設計《砌筑砂漿配合比設計規程》尚未給出明確的計算公式，按設計規程配制的砂漿也無法滿足高強自密實的特性，對此仍有待深度研究。

本文在全計算方法和固體砂石體積法中引入γ1、γ2改進用水量計算式，通過復摻硅灰和粉煤灰配制高強自密實砂漿，并進一步研究該砂漿的微觀結構和力學性能，以期為實際工程應用提供一定技術支持。

1 砂漿配合比設計

1.1 試驗材料

水泥：海螺P·O 42.5 級通用硅酸鹽水泥，主要性能參數見表1；膠凝材料：S95 高活性微礦粉和Ⅰ級粉煤灰，主要性能參數見表2；減水劑：蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑，固含量45%，減水率28%；機制砂：花崗巖人工機制砂，主要性能參數見表3。

表1 水泥性能指標

表2 膠凝材料性能指標

表3 機制砂性能指標

1.2 計算方法

目前，我國主要利用全計算方法和固體砂石體積法設計自密實混凝土配合比，也有學者綜合利用這兩種方法[9]。本文結合機制砂石粉含量高、密度大、表面粗糙等特點及配合比設計理念，通過多次調整高效減水劑和用水量摻量設計M40、M30、M20 高強自密實砂漿，并進一步提出全定量配合比公式。

1.3 材料用量

1）機制砂用量。設β、ρ s為機制砂用量系數和表觀密度，結合砂質量狀況β取0.41，利用公式Ms=β?ρs計算機制砂用量。

2）水膠比。設η、κ為礦物摻合料占膠凝材料的比例和膠凝系數，考慮礦物摻合料質量κ取0.4，利用下式計算水膠比：

式中：Mw、Mb——用水量和膠凝材料用量。

3）用水量。根據全計算方法和用水量受機制砂石粉含量的影響特征，對用水量計算式引入γ1、γ2加以改進，具體如下：

式中：Vs、Va——1m3砂漿中砂和水的體積；ρc、ρd——水泥和礦物摻合料的密度，kg/m3；μ——礦物摻合料百分比，%；γ1、γ2——修正系數，取值區間0.82～0.86、/0005～0.01，試驗中γ1、γ2取0.86和0.005；Mf——粉煤灰用量。

2 試驗結果與分析

2.1 砂漿的工作性能

目前，主要有砂漿擴展度筒和微縮V 型漏斗測試砂漿工作性能。根據《混凝土外加劑應用技術規范》測試砂漿擴展度（表4），探討高強自密實砂漿擴展度受不同減水劑、粉煤灰摻量的影響，最優配合比如表5 所示。

表4 砂漿擴展度測試結果

表5 自密實砂漿最優配合比 kg/m3

結果表明，減水劑摻量和水膠比相同情況下，機制砂砂漿擴展度小于河砂砂漿，究其原因是顆粒圓潤、表面光滑的河砂提高了砂漿流動度。對于砂漿的配制，由于機制砂石粉含量高、表面粗糙、密度較大很容易產生浮漿和流漿現象，為改善其保水性可以調整膠凝材料用量，一般粉煤灰摻量≤20%。膠凝材料用量越多則砂漿水膠比越小，相應的流動性越差，為改善自密實砂漿工作性能可以增大高效減水劑摻量，控制減水劑用量不宜超過0.5%～1.0%。

2.2 砂漿的力學性能

根據《水工混凝土試驗規程》、《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》對高強自密實砂漿試樣(70.7mm×70.7mm×70.7mm)進行劈裂抗拉試驗和抗壓試驗，采用2000kN 數顯壓力試驗機測試砂漿試樣的3d、7d、14d、28d 劈裂抗拉強度以及抗壓強度；依據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》對高強自密實砂漿試樣(40mm×40mm×160mm)進行抗折試驗，應用DKZ-5000 型電動抗折試驗機測定砂漿試樣的3d、7d、14d、28d 抗折強度，不同齡期砂漿力學性能，如圖1 所示。

圖1 不同齡期的砂漿力學性能

從圖1 可以看出，高強自密實砂漿中摻入硅粉可以使其3d、7d 抗壓強度達到28d 的54.8%～61.0%和67.1%～74.3%，早期強度較高；28d 抗壓強度高出設計強度約10MPa，各組均符合設計強度要求。水膠比相同情況下，機制砂、河砂自密實砂漿的劈裂抗拉強度為抗壓強度的1/14～1/12 和1/12～1/10，并且河砂自密實砂漿抗壓強度低于機制砂砂漿，機制砂高強自密實砂漿28d折壓比平均值0.22。

根據砂漿抗壓裂縫情況以及破壞形態，高強自密實砂漿中間部位受壓掉落，上下底面的完整性較好，具有良好的抗壓效果和塑性。依據砂漿劈裂抗拉情況，機制砂砂漿裂縫從下端不斷延伸到上端，總體呈曲線發展態勢；河砂砂漿裂縫從中部貫穿，整體呈直線發展態勢，破壞邊界相對平整。結合砂漿抗折破壞形態，機制砂砂漿裂縫豎直貫穿整個試樣，破壞斷面傾斜，而河砂砂漿斷裂比較整齊。

本試驗選用的機制砂具有片狀較多、棱角尖銳、粒徑粗糙等特點，機制砂與水泥漿體間的嵌鎖效應和機械咬合力較大，有效提高了漿體與細骨料的粘結性及砂漿的整體力學性能。其次，試驗所用機制砂具有較高的石粉含量(7.0%)，石粉粒徑小于硅灰、粉煤灰及水泥，對漿體具有較好的填充作用，有利于提高結構密實度和砂漿力學性能。機制砂自密實砂漿28d 劈裂抗拉、抗壓和抗折強度較河砂自密實砂漿提高了17.2%、9.2%、15.3%。因此，在保證工作性的情況下，本試驗所涉及的全定量配合比計算式能夠滿足機制砂高強自密實砂漿力學性能要求。

2.3 砂漿的孔徑分布

本試驗利用SEM 3100 掃描電子顯微鏡觀察不同倍數下的高強自密實砂漿試樣的微觀結構，對不同強度等級砂漿孔結構利用YG-97A 電容式壓汞儀進行測試，結果如圖2。根據吳中偉對孔的分類成果和實測孔徑大小，將機制砂砂漿中的孔劃分成多害孔、有害孔、少害孔、無害孔，所對應的孔徑大小 為≥200mm、100mm～200mm、20nm～100nm、＜20nm，

圖2 砂漿孔徑分布特征

結果顯示，M20、M30 強度等級機制砂砂漿中以多害孔(孔徑≥200mm)為主，多害孔占總孔隙率的80%和66%；M40 機制砂砂漿中以少害孔(孔徑～20～100nm)為主，少害孔、多害孔占總孔隙率的52%和32%。隨著膠凝材料用量的增多及機制砂砂漿強度的提高，水化物能夠有效填充砂漿中的多害孔，使得少害孔所占比例不斷減小，明顯提高砂漿密實度。此外，砂漿的力學性能與其內部不同類型孔洞占比密切相關，即有害孔洞所占比例越高則砂漿力學性能越差。

2.4 砂漿的微觀結構

將標準養護28d 的砂漿試樣取出，經抗壓試驗后取表面中間平整薄片，制作成5mm×5mm 的試樣，經干燥噴金處理后用于掃描電鏡觀測。壓汞試樣選用10mm×10mm 的薄片，干燥處理設備為恒溫烘箱。

高強自密實砂漿力學性能既受砂漿與水泥漿體界面過渡區性質的影響，還與配合比直接相關，其中過渡界面區性質主要取決于砂漿的微觀結構特征。砂漿是由水化膠凝漿體和砂所組成的兩相微結構，砂與膠凝材料的界面過渡區相對薄弱，而過渡區強度取決于微裂縫的數量、分布以及孔的尺寸和體積。在顯微鏡下觀察M20、M30、M40 砂漿試樣的微觀形貌，M20 機制砂砂漿的水化程度較低、水膠比較大且28d 水化產物C-S-H 膠凝量少，相比于M30、M40 砂漿其機制砂結合程度較低；同時，水化產物分布于部分粉煤灰表面，由此表明粉煤灰參與了二次水化，但反應速度較慢。C30 砂漿水化產物存在比較明顯的較大孔洞，細微裂縫分布較多未能形成較好的整體，在一定程度上抑制了砂漿性能的改善和強度的提升。M30、M40 機制砂砂漿的細微裂縫分布較少，漿體更加密實，水化產物可以構成比較連續的整體。具體而言，M40 水化程度較高所生成的C-S-H 凝膠較多，對砂漿孔隙的填充效應比較明顯；摻入的硅灰具有填充漿體內孔結構的作用，可以提高集料與漿體的連接程度及漿體的微觀結構致密程度。M20 機制砂砂漿孔隙較大，孔洞水化物相對較少未能很好的填充孔洞，砂漿內部堆積物松散，整體密實度較低；M40 機制砂砂漿表面有大量薄板層狀六角Ca(OH)2和少量針狀鈣礬石，砂漿內部孔洞較少，界面整體性和密實性良好。因此，砂漿劈裂抗拉強度和抗壓強度受水化物的形態分布及數量影響較大。

3 結論

1）文章以全計算方法和固定砂石體積法為依據，通過γ1、γ2改進用水量計算公式。摻20%粉煤灰時機制砂砂漿具有良好的保水性，經擴展度試驗確定最優減水劑摻量，在此基礎上提出全定量配合比計算方法。

2）本研究所配制的砂漿3d、7d 抗壓強度達到28d 的54.8%～61.0%和67.1%～74.3%，早期強度較高，28d 抗壓強度高出設計強度符合設計強度要求。水膠比相同情況下，機制砂自密實砂漿的劈裂抗拉強度為抗壓強度的1/14～1/12，并且河砂自密實砂漿抗壓強度低于機制砂砂漿，機制砂自密實砂漿28d 劈裂抗拉、抗壓和抗折強度較河砂自密實砂漿提高了17.2%、9.2%、15.3%。

3）水膠比越大、水化程度越低則機制砂高強自密實砂漿中水化物整體性越差，內部孔洞越多；水膠比越小則Ca(OH)2、C-S-H 凝膠填充孔洞的效果越好，所形成的整體越穩定。所以，膠凝材料用量的越高越有利于填充水化物填充砂漿的有害孔洞，提高少害孔洞所占比例和砂漿的整體力學性能。