机制砂在普通干混砂浆中的应用研究

1、机制砂在普通干混砂浆中的应用研究 摘要:试验研究了不同比例机制砂替代河砂对干混砌筑砂浆的抗折和抗压强度的影响，采用机制砂制备出不同强度等级的干混砌筑砂浆和干混抹面砂浆，并进一步研究了机制砂替代石英砂对抗裂抹面砂浆工作性能、强度与收缩性能的影响。研究认为，合理工艺制备出的机制砂可以完全代替河砂制备不同强度等级的干混砌筑砂浆与干混抹面砂浆;机制砂替代量为50%时不仅能提高普通干混砂浆的抗折性能，且能改善抹面砂浆收缩性能。 关键词:生产工艺;机制砂;干混;砌筑砂浆;抹面砂浆1前言 目前混凝土一直是人类最大宗的建筑结构材料。作为混凝土主要组成部分之一的砂，包括天然砂和人工砂两种，后者又分为机制砂和由机

2、制砂与天然砂混合而成的混合砂。目前，我国砂的年产量高达7亿多吨，大多数是天然砂。天然砂是一种地方性资源，它具有分布不均匀、短时间内不可再生、不适宜长距离运输等特点。在我国的很多地区由于开采过度等原因已导致天然砂资源接近枯竭，还有很多地方已经开始禁采或限采天然砂，这样一来，工程建设用砂的供需矛盾便日渐凸现出来。随着混凝土技术的迅速发展，现代混凝土对的技术要求越来越高，能满足其要求的天然砂越来越少，甚至没有。这样，人工砂在工程中的地位越来越重，成为建设用砂的重要来源。使用机制砂替代河砂在国内外已成为混凝土行业可持续发展的一种趋势。 干混砂浆属于商品砂浆，最初国内称其为预混(干)砂浆，后来又称为干粉

3、料、干混料、干粉砂浆或干拌砂浆。干混砂浆的主要组成成分包括胶凝材料、细骨料、外加剂等固体材料。干混砂浆具有保水性适当、和易性优异以及使用方便等优点。相比较而言，发达国家在砂浆商品化的进程方面起步较早，并且已取得十分成功的开发、生产和应用经验。早在19世纪，奥地利就发明了预混(于)砂浆，到20世纪60年代，欧洲的预混(干)砂浆得到迅速发展。我国直到20世纪90年代末才开始加大宣传力度和采用政府政策引导、干预的措施，积极灌输商品砂浆的观念，通过投人一定的人力、物力进行开发研究，以科研单位牵头制定了一些相关规程，取得了一定的成绩。 目前，国内许多学者已经对干粉砂浆展开了相关研究，研究内容主要集中在根

4、据本地原料的特点研制最佳配料方案、开发满足客户不同需要的新品种、开发国产的生产设备及相关检测设备和降低设备投资成本等几个方面。 干混砂浆在中国经过短短几年的发展，已经逐渐显示出其在品质、效率、经济和环保等方面的优越性。干混砂浆的用途必将越来越广泛，另一方面，天然河砂供应越来越紧缺，价格增长加快。本文主要研究机制砂干混砂浆的配制技术和对其部分性能产生的影响，探讨机制砂代替河砂与石英砂配制干混砂浆产生的相关影响，对机制砂在干混砂浆中的工程应用和相关研究起到一定指导意义。2试验原材料与方法2. 1试验原材料试验中所采用的水泥为江南小野田P.II52.5硅酸盐水泥;粉煤灰(FA):二级粉煤灰。水泥和粉

5、煤灰的化学组成见表1。增稠剂采用浙江中维生产的纤维素醚，黏度15000MPa .s ., 试验中采用的机制砂由浙江湖州鹿山坞矿业有限公司提供。2. 2机制砂生产工艺 目前，国内机制砂的一般生产工艺流程可简单地分为以下几个阶段:块石粗碎中碎细碎筛分除尘机制砂。但是传统的生产方法由于破碎过程简单，缺少机制砂颗粒整形工艺步骤，湿法除粉效果可控性不高，这样的机制砂产品存在粒型棱角尖锐、方角体过多、颗粒表面孔缝较多以及石粉含量过高等问题，再加上不同产地原料之间的差异，导致目前机制砂品质不高，性能不稳定。 实验所用机制砂的生产原料为湖州鹿山坞矿业有限公司加工精品石料过程中产生的3 5mm尾矿废石颗粒。由于

6、石料在加工为精品石料颗粒的过程中已经历了粗碎、中碎和细碎等过程，因此其后续生产过程主要特点在于多次回笼筛分整形和除粉。流程图如图1所示。尾矿石料通过国际先进的VI8000型立式冲击破碎机进行细破，之后根据实际需要，通过振动筛分离大粒径颗粒，多次回笼通过VI8000型立式冲击破碎机整形。整形后的机制砂还要通过新型石粉分离机进行除粉处理。 采用干法除粉对机制砂石粉含量进行控制。目前国内广泛采用的分选设备为CXFL系列高效粗细粉分离机，该设备虽然利用了重力作用，通过风力将铁矿粉与杂质分离，但物料在风选筒内所做运动为自由落体运动，历时短，分离效果不够理想，而且除粉量不能根据实际需要进行控制。湖州鹿山坞

7、矿业有限公司研制出一种新型砂粉分离机，这种新型砂粉分离机提供15个不同级别的风挡，通过调节进风量对机制砂的石粉含量进行有效控制。该设备已申请国家专利。 通过VI8000型立式冲击破碎机的多次整形破碎，增加了机制砂中间粒径颗粒的数量，改善了级配和颗粒形貌，大大改善表面粗糙程度，使其更加接近天然河砂的品质;通过新型石粉分离机的处理，机制砂石粉含量更加合理并且便于使用。2. 3试验方案 首先在保证干混砌筑砂浆的稠度在(80士10)mm范围内的前提下，猫聚性和强度达到有关标准要求为目标，确定等级为M10的干混砌筑砂浆基本配合比;在此基础上研究机制砂按照不同比例取代天然砂对干混砌筑砂浆工作性和强度的影响

8、，以期找到机制砂对干混砌筑砂浆强度的影响规律。接着，参考上述规律，完全利用机制砂制备不同强度等级的干混砌筑砂浆(M5.0, M10, M30)与干混抹面砂浆(M5. 0, M10, M20) o 其次，针对已有的抗裂抹面砂浆配方，使用机制砂替代其中的细骨料(石英砂)成分，研究机制砂对其工作性、强度以及收缩性能产生的影响，探讨利用机制砂改进抗裂抹面砂浆配方的可行性。2. 4试验方法 砂浆抗压与抗折强度测试按照水泥胶砂强度检验方法(GB/T 17671-1999)进行，试件为40mm X 40mm X 160mm三联模。砂浆稠度与收缩测试参照建筑砂浆基本性能试验方法标准(JGJ/T 70-2009

9、)，收缩试块尺寸为40mm X40mm X 160mm，两端使用502快干胶粘接金属测头，测长采用量程为0.01mm千分尺。3结果与讨论3. 1不同比例机制砂替代河砂对干混砌筑砂浆性能的影响 首先使用河砂配制M10干混砌筑砂浆的目标为稠度在(80士10)mm范围内，保水性和戮聚性良好，强度达到设计强度，选定基准配合比为:水胶比为0. 7，胶砂比为1：4，矿物掺合料为粉煤灰，最佳掺量为胶凝材料用量的20%，纤维素醚掺量0.05%。在基本配合比的基础上，研究机制砂取代河砂对M10干混砌筑砂浆工作性和强度的影响规律，为下一步使用机制砂制备不同强度等级的干混砌筑砂浆与干混抹面砂浆打好基础。 选择0、3

10、0%、50%、 70%及100%这五个取代量来研究机制砂取代河砂量的变化对M10干混砌筑砂浆强度的影响规律。制备过程中保证稠度在要求范围内。3.1.1工作性砂浆在机制砂掺量较小的情况下对其工作性没有显著影响，当掺量增加到50%时就可以明显感觉到，砂浆浆体变干，流动性减弱，外观颗粒感较强，砂浆表面不平滑。掺量为5000, 7000以及完全由机制砂拌合的砂浆在成型振动后均出现不同程度的泌水现象，说明随着机制砂掺量的增大，浆体保水性能逐渐变差。不同比例机制砂取代河砂对砌筑砂浆工作性的影响见表20 从表2中可以看出，随着机制砂替代河砂比例的增加，砂浆稠度数值呈现下降趋势。分析这一现象产生的原因，应与机

11、制砂形貌和级配有关。机制砂颗粒外形为多棱边、角方体，砂浆流动时内部阻力较大，导致砂浆流动赫滞性变大;另一方面，机制砂级配与天然河砂相比呈现“两端大，中间小”的分布，相同流动性要求下机制砂用水量更大。因此，机制砂砂浆流动性相比较河砂砂浆会减小很多，稠度数值也会相应下降。当砂浆全部由机制砂拌制时，在水胶比为0. 7的情况下稠度为68mm，与要求的稠度指标尚有很小差异，因此想到增加用水量进行调节。后来补充一组水胶比为0. 75的砂浆，此时稠度可达到71mm。3.1.2强度 不同比例机制砂取代河砂对砂浆砌筑强度的影响见表30 对比完全使用河砂与机制砂制备的砂浆试块，在配比完全相同的情况下河砂试块的28

12、d抗折与抗压强度均低于机制砂试块，其中，机制砂试块抗折强度比河砂试块约高4200，抗压强度约高4800。可见，在相同配比的情况下，利用机制砂制备的砂浆试块强度更优。在取代掺量为30%与70%时砂浆抗压强度数值较为接近，可能是混合砂级配的变化引起的。掺量为SO肠时抗折强度和抗压强度值均为最高值，与机制砂级配被河砂改善有关。不同掺量机制砂取代河砂对砌筑砂浆抗折与抗压强度的影响如图2所示。 机制砂砂浆的强度明显高于天然河砂配制的砂浆。原因分析如下:一方面由于机制砂颗粒形貌粗糙，有利于增大砂浆体系胶凝材料与细骨料之间的粘接性能，增大摩擦力从而提高强度;另一方面，机制砂中含有的石粉起到了微集料的填充作用

13、，有利于提高强度。除此以外，有的学者提出石粉起到了晶核的作用，诱导水泥水化产物结晶，加速水化产物的生产，从而提高了强度。3. 2制备不同强度等级的机制砂砌筑砂浆与抹面砂浆 通过之前的研究可以确定机制砂对干混砌筑砂浆的工作性能有一定影响，但是通过用水量和增稠剂的使用可以将其控制在要求的范围内;另一方面，完全使用机制砂配制的干混砌筑砂浆28d抗折强度和抗压强度都比使用河砂的高。在此基础上，尝试使用机制砂制备若干组不同强度等级的干混砌筑和抹面砂浆，绘制水胶比、胶砂比对强度的关系曲线，对使用机制砂制备不同需求的、各个强度等级的干混砂浆起到参考作用。3. 2. 1制备不同强度等级的机制砂砌筑砂浆 按照商

14、品砂浆生产与应用技术规程(DGTJ 08-502-2006)中的规定，干混砌筑砂浆按其强度等级可划分为M5.0, M7.5, M10, M15, M20, M25和M30七个等级。本次实验使用机制砂试制了M5. 0, M10和M30三个等级的干混砌筑砂浆。详细配比情况见表4。 从实验结果来看，三个等级的砂浆28d抗压强度均达到设计标准，稠度变化控制在(80士10)mm范围内。 图3是机制砂干混砌筑砂浆的水胶比、胶砂比与强度的关系。通过水胶比与强度的关系可以拟合出二次回归公式: Y=71. 333Xz一146. 60X+85. 467(1) 式中，Y代表抗压强度，X代表水胶比。回归系数影=1.

15、0000，较好地拟合了抗压强度与水胶比的关系。 通过胶砂比与强度的关系可以拟合出另一个回归公式: Y=18.2641nX+42.781 (2) 式中，Y代表抗压强度，X代表胶砂比。回归系数R2= 0. 9991，拟合趋势线较好地符合实测曲线。 通过上面两式，理论上可以根据需要确定任意强度等级的机制砂干混砌筑砂浆的水胶比与胶砂比。3. 2. 2制备不同强度等级的机制砂抹面砂装商品砂浆生产与应用技术规程(DGTJ 08-502-2006)中规定，干混抹面砂浆按其强度等级可划分为M5.0, M10, M15和M20四个等级。本次实验使用机制砂试制了M5. 0,M10和M20三个等级的干混抹面砂浆。干

16、混抹面砂浆与干混砌筑砂浆相比较，主要控制稠度在(90士10) mm范围内，为了保证砂浆流动性与保水性，干混抹面砂浆中加人了少量的引气剂。详细配比情况见表5。 通过实验结果可以看到，三个等级的干混抹面砂浆28d抗压强度均达到设计强度，稠度控制在要求范围内。 图4是机制砂干混抹灰砂浆的水胶比、胶砂比与强度的关系。通过水胶比与强度的关系可以拟合出一个回归公式: Y=47. 019X2一113. 29X+75. 938 （3）式中，Y代表抗压强度，X代表水胶比。图4机制砂干混抹灰砂浆水胶比、胶砂比与强度的关系 通过胶砂比与强度的关系可以拟合出另一个关联公式: Y=14.2941n(X)+33.884

17、( 4 ) 式中，Y代表抗压强度，X代表胶砂比。 通过上面两式，理论上可以根据需要确定任意强度等级的机制砂干混抹灰砂浆的水胶比与胶砂比。3. 3机制砂对抗裂抹面砂浆性能的影晌 干混砂浆具有品种多的特点，根据其不同用途可以划分为数十种以上，例如自流平地面砂浆、防水砂浆、外墙外保温砂浆等。如果能够经过一定探索研究，将机制砂适当地用于不同用途的干混砂浆中，那么这将给机制砂的利用提供更广阔的空间，同时也有机会对特种干混砂浆的性能产生有益影响。 经过前期实验研究验证机制砂作为干混砌筑砂浆和干混抹面砂浆细骨料的可行性，接着针对已有的抗裂抹面砂浆配方，使用机制砂替代原配方中的石英砂0%、30%、50%、70

18、%、100%，研究机制砂对抗裂抹面砂浆强度以及收缩性能产生的影响。抗裂抹面砂浆配方采用常用生产配方。3. 3. 1机制砂对抗裂抹面砂装工作性能的影响使用机制砂替代配方中石英砂0%、30%、50%、70%、100%多，研究其对砂浆工作性能的影响，见表6。 从上表的实验结果可以看出，随着机制砂替代石英砂的量逐渐增大，砂浆稠度呈现先降低再升高的趋势。砂浆流动性随着掺量的增大逐渐降低，但是对豁聚性没有很大影响。保水性能逐渐减弱，其中50%和70%两组砂浆在成型以后静置一段时间，浆体表面出现轻微泌水，这与机制砂粗颗粒相比较石英砂多、颗粒粒径分布不如石英砂均匀有关，可以考虑增大纤维素醚掺量加以改善。机制砂

19、砂浆表面外观比石英砂砂浆的颗粒感强，这会对实际应用的美观性产生一定影响，主要原因在于机制砂的大颖粒较多、粒型棱角突出，可以通过机制砂生产工艺的改进，如多次回笼整形等加以改善。所有砂浆组稠度均控制在要求范围之内。3. 3. 2机制砂对抗裂抹面砂装强度的影响机制砂对抗裂抹面砂浆抗折强度的影响如图5所示。 从图5中可以看出，在28d龄期时，随着机制砂掺量的不断增加，其对砂浆试块的抗折强度没有产生显著影响，变化范围不超过500(以。为基准);从砂浆抗折试件断面看，用机制砂配制的砂浆，骨料与胶凝材料之间连接得更密实，增强了其间的机械啮合力;许多纤维被从中拉断而不是抽出，这也与机制砂颗粒形貌多为角方体、颗

20、粒边缘不平滑有直接关系。 机制砂掺量为ioo%(即完全使用机制砂)，7d和28d抗折强度均高于完全使用石英砂的组别，由此可知使用机制砂制备抗裂砂浆在抗折能力方面优于石英砂配方。机制砂对抗裂抹面砂浆抗压强度的影响如图6所示。 从图6中可以看出，不论7d还是28d，抗压强度的变化趋势均是在<7000掺量范围内随着机制砂掺量的增大而逐渐减小，减小幅度约为7d: 600 28d: 200;机制砂掺人对其抗压强度的影响不大;完全使用机制砂与完全使用石英砂相比较，7d抗压强度要小，28d抗压强度则相差不大。 强度变化的原因可以从吴中伟院士的“中心质效应”中寻找。在级配呈现“两头大、中间小”的机制砂与

21、单一级配的石英砂体系中，机制砂颗粒是大中心质，它与水泥浆等周围介质所产生的吸附、机械咬合、粘接、稠化等物理、化学的效应称为大中心质效应。级配良好机制砂所产生的效应有利于改善过渡层的大小和结构，使过渡层更密实，从而抗压强度较高。而级配不好的机制砂会产生不利的效应，甚至劣化了过渡层结构，从而强度偏低。 石英砂和机制砂的混合劣化了原本不甚理想的机制砂级配，导致强度在掺量为70%之前逐渐降低;另一方面，完全使用机制砂的砂浆由于机制砂颗粒的机械啮合性能优于石英砂，但密实度不如完全使用石英砂的砂浆，引起其28d强度没有很大差别。3. 3. 3机制砂对抗裂抹面砂浆收缩性能的影响 使用机制砂取代石英砂，掺入量

22、为0%、30%、50%、70%和，研究其1d, 3d,7d, 14d, 21d, 28d, 56d和god收缩性能。测试结果如图7所示。 从图7中可以看出，在机制砂掺量小于30%时，砂浆试块在1d和3d均出现微膨胀现象，掺量大于30%时这一现象消失。文献【11】中提到砂岩机制砂砂浆在1d和3d龄期内出现微小膨胀的现象，但未对这一现象进行解释。 机制砂掺人为0，即完全使用石英砂作为细骨料的砂浆，收缩率从7d龄期后就比其他组别高，说明石英砂在砂浆试块后期持续收缩产生了很大作用。掺加了机制砂的试块整体收缩性能都比不掺加的要好，其中高机制砂掺量70%和100%的试块在后期收缩效果相差不多。需要特别注意的是掺量为50%的试块，该组在测试全程中的收缩程度均最小，在整个测试阶段内最大收缩率也仅为36 X 10-6，体现出很好的体积稳定性能。另外，通过对比之前机制砂替代河砂的对强度的影响结论可以发现，机制砂替代河砂量也为50%时，其抗折和抗压强度取得最大值。 出现上述现象的主要原因，一方面可能在于石英砂与机制砂的混合导致混合砂级配的变化;另一方面，机制砂的颗粒形貌粗糙多棱角，起到了很好的支撑骨架作用。由此可得，通过选择级配合适的机制砂，配合石英砂混合使用作为抗裂