人工砂中石粉含量對水泥砂漿性能的影響分析

張春妮 （廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司，廣東 廣州 510000）

混凝土行業發展速度越來越快，砂石集料發生了改變，天然砂數量逐漸減少，現已逐漸被人工砂所替代。人工砂主要指的是母巖被機械破碎成直徑5mm的巖石顆粒，母巖在破碎后存在粒徑小于0.16mm 的顆粒，主要由礦物質成分組成，與母巖自身性質相同。在相關研究過程中，人工砂中石粉可以發揮出填充效果，此過程可以改善人工砂顆粒配比，優化水泥砂漿自身的和易性。但如果人工砂的比例控制不合理，容易降低其物理力學性能及耐久性，密實度方面也會下降，嚴重影響人工砂漿的使用效果。當前我國針對水工混凝土中石粉含量允許范圍需要控制在6%~18%之間，以此確保人工砂可以被有效利用。

1 人工砂簡介

根據國家相關規定，在通過除土處理后的機制砂和混合砂都可被稱為人工砂。其中，機制砂主要指的是機械破碎后，利用篩分方式將粒徑控制在4.75mm以下的巖石顆粒，其中不能含有軟質巖和風化巖石顆粒。

混合砂主要指的是機制砂和天然砂混合成為一種砂體。混合物砂體在配比方面未做出規定，只要滿足混凝土各項性能需要即可。在混合砂應用后，需按照人工砂技術要求和檢驗方法對其自身性能做出檢驗分析[1]。

2 試驗方法

2.1 原材料的選擇

原材料主要包括人工砂、石粉、水泥等，其中，人工砂需要選擇水電站工程或者混凝土系統生產的人工砂，石粉含量需要控制在15%左右，在配比方面需要依據基準砂標準，通過人工水洗或者石粉配置，將其控制在不同的石粉含量階段，不同的石粉含量人工砂在物理性能方面的參數如表1所示。

石粉需要選擇某個水電站或者混凝土系統生產的人工砂，篩分后顆粒直徑應該控制在0.16mm左右。水泥應選擇熱硅酸鹽水泥，此類水泥的物理力學性能如表2所示。

表2 熱硅酸鹽水泥物理力學性能

石粉（人工砂）、水泥化學成分如表3所示。

表3 石粉（人工砂）、水泥化學成分/%

2.2 試驗方法

在不同的石粉含量方面，水泥砂漿配合比如表4所示，在表格中可以看出整體標準按照水泥膠砂強度檢驗標準做出分析，在分析過程中發現，砂漿在攪拌后需要進行振實和養護操作。如果選擇利用NLD-3型水泥膠砂流動度測量操作，需要按照相關規范方法進行水泥砂漿流動度的分析，在實際分析過程中對砂漿凝結時間使用儀器進行測定分析，針對砂漿凝結時間裝置在規格40mm×40mm×160mm的試件上進行試驗。在水泥砂漿養護1d 后進行養護操作，后續針對各個階段的水泥砂漿抗折強度做出分析，同時還可以針對干縮率做出試驗操作分析[2]。對于壓力試驗而言，需使用YAW-300型壓力試驗機進行試驗操作，在試驗操作過程中可以有效明確砂漿干縮后的試驗數據，此時干縮后的試件尺寸暫未發生變化，兩端預埋金屬均成功脫模，后被放入養護室內，在溫度和濕度方面也做出了有效控制，后續針對不同的時間可以對試件的尺寸做出記錄。在抗滲性試驗方面主要按照水工混凝土的試驗規范進行分析，在實際分析過程中試件需要將尺寸控制在70mm×80mm×30mm，整體形狀需呈現出圓錐體，養護一個月后，可選擇使用水泥抗滲設備對其進行具體的抗滲試驗操作。

表4 不同石粉含量人工砂配制的水泥砂漿配合比表

3 試驗結果與討論

3.1 流動度的影響

針對不同的石粉含量對水泥砂漿流動速度做出分析對比，可以看出石粉越多流動性會越低，石粉越少流動性會越快，在石粉含量變化后，流動速度也會發生一定變化。如果石粉含量可以控制在25%左右，流動速度在升高后，直接下降至1.3mm左右[3]。形成此類現象的原因是石粉顆粒逐漸降低，含量增加后，砂漿體系中顆粒會達到一定配比需求，最終發揮出填充效果，以此改善砂漿體系的顆粒配比，促使體系密度不斷增大，讓其釋放出水泥砂漿絮凝結構的作用，此項工作對于砂漿流動性具有幫助意義。除此之外，針對石粉含量方面的增加，細顆粒數量不斷提升，水泥砂漿拌合物在用水量方面就會增加，促使砂漿流動性逐漸降低。在石粉含量較小的情況，填充效應會占據一定優勢，在砂漿流動性不斷增大后，其自身水分含量會不斷提升，因此砂漿的流動性會不斷下降。

3.2 凝結時間的影響

人工砂石粉含量對砂漿凝結時間的影響如圖1 所示。從圖1 可以看出，不同含量石粉的水泥砂漿，其凝結時間存在一定差異性，凝結時間會隨著石粉含量的升高不斷下降，石粉含量控制在10%~25%的情況下，會隨著幅度減少變得逐漸緩慢。其主要原因是石粉含量的增加會造成砂漿中細顆粒數量的不斷增加，在拌合后用水量和水泥用量均未發生變化時，水泥砂漿中顆粒平均間距會不斷下降，此時對于水泥而言是更為有利的一種初凝結構需求，因此會降低凝結時間。除此之外，石粉自身的主要成分為石灰石，在細小顆粒方面可以將其作為輔助凝膠材料進行應用，促使水泥砂漿自身膠體比例的下降，最終縮短凝結時間。

圖1 人工砂石粉含量對砂漿凝結時間的影響

3.3 水泥砂漿強度的影響

不同的石粉含量在水泥砂漿不同的時間段，無論是抗折還是抗壓強度方面均會發生一定的變化[4]。在相關研究過程中發現，石粉含量的不斷增加抗折強度具有一定的規律可循，呈現出先升后降的趨勢，其中石粉含量在25%的情況下，砂漿的抗壓強度在整體水平上會出現先增大后減小的現象，如果石粉含量達到25%，砂漿在28d的情況下，抗壓強度最高，整體強度在不斷增加后變化幅度會持續下降。

主要原因是石粉中微顆粒是輔助凝膠材料，此時部分砂漿存在水化反應，在水化反應結束后消耗了體系中片狀氫氧化鈣的產物，最終生成了水化碳氯酸鈣的產物，還降低了氫氧化鈣的含量，因此砂漿在結構方面更加密實，此時強度也會不斷增加。其次，石粉含量增加后，砂漿體系中細顆粒數量也會不斷提升，有效改善了砂漿體系的顆粒配比，因此體系的密實度增加了，改變了水泥砂漿顆粒配比，在體系密實度不斷增加達到最大比值后，石粉含量如果仍然持續增加，則會呈現出降低密實度的情況，此時砂漿在抗折和抗壓強度方面又呈現出下降的情況。石粉含量對砂漿抗折、抗壓強度的影響如圖2所示。

圖2 石粉含量對砂漿抗折、抗壓強度的影響

3.4 干縮率的影響

不同的石粉含量會對水泥砂漿干縮率造成影響，在試驗兩個月后，水泥砂漿干縮率會受到石粉含量的影響，但是整體影響效果較小。直至試驗120d后，隨著石粉含量的不斷增加，水泥砂漿在干縮率方面會出現先增大后減少的情況，此后砂漿在干縮過程中也會不斷加大。石粉含量在20%的時候，砂漿干縮比60d 試驗的效果更為明顯，其他試驗時間段砂漿干縮率與兩個月試驗周期相比，整體變化較小。形成此類問題的主要原因是石粉中微顆粒細化了砂漿自身的結構，造成孔隙的縮小，毛細管中收縮力會逐漸增強，此時砂漿干縮力度也會不斷發生改變。除此之外，石粉會形成填充效應，填充率發生變化后，水泥砂漿在密度方面也會產生變化，因此干縮率會呈現出不斷下降的趨勢。一般情況下，石粉含量控制在18%時，毛細管液體率會呈現出下降的趨勢，此時整體效果會不斷加強，砂漿干縮率也會提升；但是在石粉含量超過18%后，填充效應占據主導地位，但是干縮率不會發生變化。

3.5 抗滲性的影響

在不同的石粉含量下水泥砂漿抗滲試驗結果如表5所示。由表5可以看出，幾組水泥砂漿的不透水性系數均等于19.6MPa·h，因此不難看出在本次試驗背景下，石粉含量對于水泥砂漿抗滲性能自身的影響并不大。其主要原因是石粉含量不斷下降，如果對M-5 砂漿作出分析，可以看出內部結構變得更為緊密，在抗滲性方面可以滿足相關規范要求，此時石粉的增加會提升砂漿自身體系的密實度，最終讓其形成更為良好的抗滲性能。此過程中的研究方法與前期階段的研究方法存在一定差異性，需要將其進行區分。

表5 石粉含量對砂漿抗滲性能的影響

4 結語

綜上所述，人工砂漿的流動性會隨著石粉含量的增加發生改變，只有石粉含量超過8%的情況下，石粉填充效應才可完善骨料的配比，最終釋放出水泥砂漿絮凝作用，有效應對流動性。人工砂水泥砂漿在凝結時間方面，石粉含量增加，凝結時間會下降，石粉可以降低水泥砂漿里面的顆粒感，同時還可加快水泥砂漿的初凝結構，使其小顆粒化，最終縮短凝結時間。人工砂水泥漿抗壓和抗折強度隨著石粉含量的不斷增加形成先增后降的規律，其中石粉含量在25%左右時，石粉會對砂漿強度造成影響，其中抗壓強度的變化較大。人工砂的石粉含量超出25%后，密實度會下降。針對人工砂漿干縮情況，石粉含量持續升高，干縮會呈現出先增大后減小的情況。