机制砂对自防水混凝土性能影响的研究

随着我国基础建设的不断发展，工程用砂量也大幅增加，传统河砂已经无法满足施工建设的需求，储量巨大的机制砂替代河砂作为混凝土细骨料势在必行。但目前机制砂原料来源差异较大，砂矿岩性不同、物理性质不同，加上不稳定的工艺，使其存在石粉含量高、级配差等问题，显著影响了混凝土拌合物的工作性、力学性能和耐久性能，从而影响机制砂自防水混凝土的防水效果。本研究选取7个地区由同种型号设备生产的机制砂，和天然河砂拌制成配合比相同的自防水混凝土，研究机制砂对新拌混凝土工作性及硬化后混凝土力学与防水性能的影响，可为机制砂自防水混凝土的进一步应用及推广提供技术支撑。

1、试验方案首先以河砂配制C30及C60自防水混凝土，获得基准配合比，详见表1。然后用7种不同地区的机制砂100%取代河砂制备自防水混凝土，并分别测试其拌合物的工作性能和硬化后混凝土的力学性能。表1

混凝土基准配合比

河砂取自福建福州地区闽江河道，机制砂砂矿来自湖北荆门、山西太原、河南郑州、福建泉州、海南海口、广西柳州、湖南浏阳；胶凝材料采用炼石牌P.O.42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料为粒径5~25mm连续级配的普通碎石；外加剂采用福建省建工建材科技开发有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，掺量为0.5%～1.0%，减水率为20%～30%。2、机制砂性能测试结果与分析机制砂细度模数、颗粒级配、石粉含量及需水量比（与河砂相比）检测结果如表2所示。机制砂的细度模数在2.2～3.1之间，其中浏阳的机制砂为Ⅱ区外细砂，必然导致其需水量比增加，为最高的130%；而海口的机制砂为粗砂，但级配为Ⅱ区，需水量比在机制砂中最小；太原和柳州的机制砂属于Ⅱ区外中砂，细度模数分别为2.9和2.6（中等），可以推断出这2种机制砂整体级配情况呈现“两头大、中间小”；大多数机制砂，如泉州、荆门和郑州的机制砂均在标准规定的Ⅱ区中砂范围内。表2

机制砂性能检测结果

机制砂石粉含量明显高于河砂。其中，海口、柳州和郑州的机制砂亚甲蓝值（MB值）＜1.4，表明这3种机制砂以纯石粉为主；而荆门、浏阳、太原和泉州的机制砂MB值≥1.4，且需水量比在115%～130%，表明这4种机制砂的石粉中含有部分黏土（泥粉），这部分黏土（泥粉）主要是蒙脱石、蛭石、纯高岭土等矿物，这些矿物颗粒小、表面疏松多孔、比表面积大，对亚甲蓝染料具有极大的吸附能力。总而言之，机制砂在级配多呈“两头大、中间小”的Ⅱ区中砂，石粉含量和需水量均大于级配良好的河砂。

3、自防水混凝土工作性与力学性能采用河砂与机制砂配制的C30、C60自防水混凝土拌合物工作性与力学性能试验结果如表3所示。由表3可知，当配制C30混凝土时，海口机制砂配制的混凝土坍落度最小，这是因为海口机制砂为粗砂，整体颗粒偏粗，45%的高砂率使得混凝土黏聚包裹性变差，流动性差；太原机制砂属于Ⅱ区外中砂，整体级配呈“两头大、中间小”，而且石粉含量在7个地区中最高，虽然目前的多数研究表明适量的纯石粉对混凝土的工作性有益，5%～15%的纯石粉能够改善混凝土流动性、黏聚性和保水性，但超过15%的限值后，会严重影响混凝土的流动性和黏聚性；柳州和太原地区的机制砂同属于Ⅱ区外中砂，但柳州机制砂的石粉含量相对于太原地区的低，对拌合物流动性和黏聚性的影响较小，但对保水性影响较大。

表3

自防水混凝土的工作性与力学性能

除了上述3种机制砂配制的C30自防水混凝土工作性较差外，其余大部分地区机制砂配制的C30自防水混凝土和所有机制砂配制的C60自防水混凝土工作性均较好，其中，郑州和浏阳的机制砂配制的自防水混凝土拌合物的工作性能在各地区中表现最好；而机制砂自防水混凝土的抗压强度基本都大于河砂自防水混凝土，郑州、浏阳、荆门和泉州的机制砂制备的自防水混凝土在抗压强度方面表现相对较好。郑州机制砂细度模数适中，整体级配好，细度模数和颗粒级配接近河砂，MB值小，5%左右的石粉不仅可改善混凝土拌合物的工作性，还具有填充混凝土孔隙和改善骨料颗粒级配的作用，改善了机制砂配制的自防水混凝土的力学性能，故郑州机制砂配制的自防水混凝土抗压强度值均较大。浏阳机制砂属于Ⅱ区外细砂，粒径2.36mm以上的颗粒少、粒径0.15mm以下的石粉较多，表明石粉适量和整体细度偏小的机制砂可以配制出拌合物工作性能良好的自防水混凝土；同时说明含有12%～15%石粉、细度模数在2.2～2.6之间的机制砂能够配制出拌合物工作性能和力学性能俱佳的自防水混凝土。

4、自防水混凝土的防水性能机制砂石粉含量是影响自防水混凝土防水性能的主要因素，适量石粉在混凝土中发挥级配填充效应，改善混凝土的密实性，有利于抗渗、抗冻和抗氯离子渗透等防水性能。自防水混凝土的防水性能见表4，一定的石粉明显改善了C30机制砂自防水混凝土的抗渗和抗冻性能，除了柳州，其余地区机制砂配制的自防水混凝土的抗渗和抗冻等级均高于河砂配制的自防水混凝土；C60机制砂自防水混凝土在石粉含量小于15%时抗渗性无明显差异。

表4

自防水混凝土的防水性能

结合表3和表4，可总结出以下规律：1）C30自防水混凝土的工作性能排序依次为：泉州、荆门＞浏阳、郑州＞柳州＞河砂＞太原＞海口；C60自防水混凝土的工作性能排序依次为：浏阳＞河砂、郑州＞泉州＞海口＞柳州＞荆门＞太原。2）C30自防水混凝土的力学性能排序依次为：郑州＞浏阳＞海口＞泉州＞荆门＞太原＞河砂＞柳州；C60自防水混凝土的力学性能排序依次为：浏阳＞郑州＞泉州＞荆门＞太原＞河砂＞柳州＞海口。3）C30和C60自防水混凝土的抗渗性能排序依次为：泉州、荆门、浏阳、郑州、太原、海口＞河砂＞柳州。4）C30和C60自防水混凝土的抗冻性能排序依次为：泉州、荆门、浏阳、郑州、太原、海口＞河砂＞柳州。5）C30自防水混凝土的抗氯离子渗透性能排序依次为：柳州＜河砂＜海口＜荆门＜太原＜浏阳＜郑州＜泉州；C60自防水混凝土的抗氯离子渗透性能排序依次为：柳州＞河砂＞泉州＞太原＞荆门＞海口＞浏阳＞郑州。6）C30自防水混凝土的吸水性能排序依次为：郑州＜浏阳＜海口＜泉州、荆门＜太原、河砂＜柳州；C60自防水混凝土的吸水性能排序依次为：海口＜浏阳、太原、郑州＜荆门＜泉州＜河砂＜柳州。

从表4还可以看出，柳州机制砂配制的自防水混凝土吸水率最高，因此其对应的抗渗和抗冻等级最低、氯离子迁移系数最大；河砂、太原机制砂配制的自防水混凝土吸水率偏高，密实度较低，故防水性能次之；泉州、荆门、郑州、浏阳、海口机制砂配制的自防水混凝土吸水率适中，因此内部密实，防水性能较好。

研究了机制砂对自防水混凝土工作性、力学性能及防水性能的影响，得出如下结论：1）机制砂级配多呈“两头大、中间小”，石粉含量和需水量比均大于级配良好的河砂，对配制的自防水混凝土工作性和力学性能