機制砂顆粒級配評價方法研究

詹奇淇，章家海，王曉海，陳 慧，張元朔

(1.安徽省建筑科學研究設計院，合肥 230031；2.安徽省建筑工程質量第二監(jiān)督檢測站，合肥 230031；3.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，合肥 230031)

目前工程中多使用經(jīng)機械破碎篩分而成的機制砂，其原料多為巖石、卵石和未經(jīng)化學處理的礦山尾礦[1]。但因破碎工藝及原巖種類的多樣性，不同批次機制砂的顆粒粒級分布及含量并不統(tǒng)一，級配也常呈現(xiàn)“兩頭大，中間小”的分布特征，易造成水泥砂漿和易性差，難以滿足建設行業(yè)對優(yōu)質機制砂產(chǎn)品的需求[2]，也是目前機制砂應用受限的一項主要因素。

對于機制砂顆粒級配，已有的研究多是將機制砂依據(jù)級配曲線并結合細度模數(shù)進行評價，然后將機制砂劃分為粗砂、中砂或細砂[3]。但成品機制砂因受破碎工藝及原材料性能限制，難以符合標準級配曲線要求，細度模數(shù)的大小也無法如實反映機制砂顆粒的粒徑分布，不能有效體現(xiàn)中間顆粒含量的大小[4]。因此，《高性能混凝土用骨料》(JG/T 568—2019)通過顆粒的分級篩余對細骨料級配進行評價，并將細度模數(shù)規(guī)定在2.3～3.2范圍之間，明確了中間顆粒含量對機制砂級配質量影響的重要性[5]。對于級配評價模型，有研究使用泰波級配和分級篩余對級配質量進行綜合評價[6]，其中張超[7]依據(jù)富勒曲線配制出了堆積密度大、孔隙率小的Ⅰ區(qū)機制砂；黃星浩等[8]縮小了泰波級配曲線的范圍，認為泰波級配模型參數(shù)n在0.3～0.5范圍內時，機制砂級配良好，但僅針對M15砂漿進行研究。謝華兵[9]以不同級配的機制砂配制混凝土，驗證了泰波級配與分級篩余的偏差值作為級配評價指標時的適用性。在此基礎上，該文以機制砂顆粒級配為研究對象，依據(jù)泰波級配模型，對比分析細度模數(shù)、級配區(qū)間以及泰波級配評價機制砂顆粒分布狀態(tài)的準確性，為機制砂顆粒級配質量的評價提供依據(jù)。

1 原材料及試驗

1.1 原材料

1)水泥為巢湖海螺42.5級普通硅酸鹽水泥。

2)成品機制砂由中電建安徽長九新材料股份有限公司提供，主要成分為石灰?guī)r，細度模數(shù)為3.1，為Ⅱ區(qū)級配砂，堆積密度為1 463 kg/m3，石粉含量為8.2%，泥塊含量為2.2%，壓碎值指標23.4%，MB值0.7。

3)將機制砂置于孔徑為0.075 mm的圓形篩上，通過圓形篩且粒級小于0.075 mm的顆粒即為試驗用石粉。

4)粉煤灰取自合肥東凱新型建材有限公司，為Ⅱ級粉煤灰，需水量比104%，細度24.55%，含水量0.1%，燒失量2.1%。

5)砂漿拌合用水為實驗室自來水。

1.2 試驗方案

1)設計不同細度模數(shù)的機制砂 將成品機制砂分別用孔徑為4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.15 mm和0.075 mm的圓孔篩分級篩成不同粒徑的砂粒組備用，然后將其分別按照表1的分級篩余質量分數(shù)配制5組機制砂，細度模數(shù)在1.9～3.3范圍之間。

表1 不同級配機制砂顆粒分級篩余的質量分數(shù)

2)配比設計及研究方法 參照JGJ/T 98—2010對砂漿配合比進行設計，并結合實際試驗情況對膠砂比和水膠比進行調整，不同強度砂漿配比中的石粉含量固定為25%；使用J-1～J-5組機制砂配制不同強度等級水泥砂漿，根據(jù)機制砂級配變化對水泥砂漿性能影響的結果，對比分析細度模數(shù)和泰波級配兩種機制砂級配質量評價體系的精確性。試驗配比見表2。

表2 不同強度等級機制砂砂漿試驗配比 /(kg·m-3)

1.3 試驗方法

機制砂特性測定試驗方法參照《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》JGJ52—2006進行；砂漿保水率、稠度及抗壓強度試驗方法均參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ/T 70—2009進行。

1.4 泰波級配模型及級配評價參數(shù)R2

1)泰波級配模型 現(xiàn)有泰波公式是依據(jù)富勒公式改進的通式

式中,Ax為各粒級累計篩余率，%；n為泰波級配參數(shù)；d為各粒級尺寸，mm；dmax為機制砂顆粒最大尺寸，mm。

其中，隨著n的增大，機制砂中的細顆粒含量逐漸降低。0.3

2)級配評價參數(shù)R2

R2=∑(σi-τi)2

式中，R2為試驗級配與泰波級配的偏差值；σi為試驗級配對應i級篩孔時的累計篩余率，%；τi為泰波級配對應i級篩孔時的累計篩余率，%；i為篩孔尺寸，0.075～4.75 mm。

將五組機制砂的各粒級累計篩余率分別與最大密度曲線進行比較，以兩者之間分布偏差的平方和進行表征，各砂粒組R2見表1。

2 結果與分析

2.1 試驗配制機制砂的級配評價

圖2中，J-1和J-2組砂粒0.6 mm以下細顆粒含量占比較大，粗顆粒含量較少，兩組砂粒級配曲線的左側部分和右側部分均在泰波級配上限和下限之外；J-3、J-4和J-5組砂粒級配曲線基本在泰波級配上限下限曲線范圍內，0.3～2.36 mm之間顆粒明顯增加。與泰波級配上限和下限曲線進行比較，五組砂粒的級配曲線在中部位置的斜率較大、曲線不平滑，且砂粒中間顆粒含量占比越低，曲線斜率越大。

機制砂顆粒級配曲線在泰波級配中的分布狀態(tài)可由R2進行表征。依據(jù)表1，各粒組R2排序：J-1>J-2>J-5>J-4>J-3，R2越大代表試驗級配越偏離最大密度曲線對應的理想級配。因此，結合泰波級配曲線和R2大小可直觀評價機制砂不同粒級顆粒分布的合理性。如果依據(jù)細度模數(shù)進行評價， J-1和J-2屬于細砂，J-3和J-4屬于中砂，J-5屬于粗砂，通過細度模數(shù)僅能判斷機制砂的粗細程度，而無法評價機制砂顆粒分布質量。這也是行業(yè)標準中增加機制砂分級篩余作為級配評價指標的原因。

2.2 級配變化對砂漿保水率的影響

圖3為機制砂級配對砂漿保水率的影響。不同級配下， M15和M20砂漿的保水率均大于88%； 而M5和M10砂漿保水率較小，低于88%，不滿足《預拌砂漿》JG/T 230—2007關于保水性需大于88%的規(guī)定。

此外，試驗級配與泰波級配(n=0.45)之間的偏差值R2越小，砂漿保水率越低；偏差越大，保水率越高。各粒組中，J-3組砂粒對應的R2為836×10-4，與最大密度曲線的偏差值最小，各強度等級砂漿的保水率均到達最小值。這是由于n為0.45時，顆粒堆積體系最為緊密，此時試驗級配分布狀態(tài)接近最大密度曲線，砂粒堆積密度增大，集料堆積體系內部的空隙率隨之減少，多余的漿料無法填充孔隙而浮于砂漿表面，引起水份的散失。J-1和J-2砂粒組R2分別為3 312×10-4和2 201×10-4，偏差值較大，此時級配分布中1.18 mm以下顆粒含量占比高，砂粒組總比表面積增加，對水的吸附性增強，保水率上升[11]。因此，機制砂級配曲線處于泰波級配上限和下限范圍內時并不利于維持砂漿的保水性；機制砂級配曲線偏離最大密度曲線時，砂漿保水率反而提高。

2.3 級配變化對砂漿稠度的影響

圖4是M5～M20砂漿在不同級配下稠度算術平均值的變化情況。隨著機制砂細顆粒占比的降低，不同強度砂漿的稠度變化均表現(xiàn)為先增加后減小，整體上級配的變化對低強度砂漿稠度的影響更為顯著。其中M5和M10砂漿稠度達到最大值時對應的機制砂R2分別為845×10-4和836×10-4，0.6 mm以下顆粒質量占比分別為42%和44%；M15和M20砂漿稠度最大值時對應的R2分別為836×10-4和2 201×10-4， 0.6 mm以下顆粒質量占比分別為44%和56%。說明試驗級配與最大密度曲線偏差值較小時，有利于提高砂漿稠度；當砂漿配比保持不變時，依據(jù)R2的大小即可預測砂漿的合理稠度。這是由于R2較大時，J-1和J-2組細顆粒含量和J-5組中間顆粒含量占比較高，砂粒比表面積隨之增加，而單方膠凝材料用量不變時，膠凝體系無法有效包裹機制砂顆粒，顆粒間內摩擦效應增強，宏觀上表現(xiàn)出砂漿干涸，流動性降低[12]。

2.4 級配變化對砂漿抗壓強度的影響

由圖5分析可得，級配的變化對不同強度等級砂漿7 d及28 d抗壓強度的影響并不顯著，機制砂級配接近最大密度曲線時，砂漿抗壓強度稍有提高，砂漿抗壓強度主要隨膠砂比的不同而變化。對于級配的變化，在配比其他因素不變時，R2越大，機制砂兩端尺寸的顆粒篩余量隨之增加，不同粒徑的砂粒互相填充不合理，無法形成較為密實的堆積體系。砂漿受壓承載破壞時，集料之間的支撐及咬合效應也隨之減弱，砂漿強度稍有降低[13]。

2.5 成品機制砂級配特性評價的驗證

對安徽省機制砂生產(chǎn)廠進行實地調研，共取得15組成品機制砂樣本。圖6為兩種主要工藝類型機制砂樣本的顆粒分布狀態(tài)，各組砂樣測定結果見表3。

表3 成品機制砂檢測結果

級配區(qū)間和細度模數(shù)是評價建設用砂粗細程度以及砂粒堆積狀態(tài)的常用指標。依據(jù)篩分析試驗結果，總樣本中11組為Ⅰ區(qū)砂，細度模數(shù)在2.9～3.9之間；3組為Ⅱ區(qū)砂，細度模數(shù)在2.7～3.1之間；1組不在級配區(qū)間內，細度模數(shù)為4.9，未發(fā)現(xiàn)Ⅲ區(qū)砂，成品機制砂樣本均屬于中粗砂。所調研機制砂樣本多為中間顆粒(0.3～1.18 mm)含量少，粗顆粒(2.36～4.75 mm)和粉料(0.150 mm以下)含量大，與天然砂粒徑分布情況截然不同。

表3測定結果表明，成品機制砂的細度模數(shù)和級配區(qū)間與空隙率之間無明顯的嚴格數(shù)學關系，僅使用細度模數(shù)和級配區(qū)間并不能真實地反映機制砂顆粒的粒級分布和堆積狀態(tài)。但是，R2卻與空隙率之間呈正比關系，R2越小，機制砂空隙率越低，機制砂級配曲線更接近泰波級配中的最大密度曲線，此時機制砂內部不同粒徑的砂粒逐級填充形成較為密實的堆積形態(tài)。

綜上分析，使用R2和分級篩余共同評價機制砂級配特性具有較好的合理性和準確性；而細度模數(shù)和級配區(qū)間僅能反映機制砂的粗細程度，無法合理表征機制砂特有的粒級分布特性。

3 結 論

a.依據(jù)機制砂級配在泰波級配中的分布情況和R2可直觀評價機制砂各級粒度的分布質量。

b.對于保水率，機制砂級配曲線處于泰波級配曲線上限和下限范圍內時不利于改善砂漿的保水性能，偏離最大密度曲線時，砂漿保水率反而提高；對于稠度，機制砂級配曲線與最大密度曲線偏差值較小時，有利于提高砂漿稠度；對于抗壓強度，級配的變化對砂漿強度的影響并不顯著，但機制砂級配接近最大密度曲線時有利于提高砂漿的抗壓強度。

c.成品機制砂多為中粗砂，中間顆粒含量較少。其細度模數(shù)和級配區(qū)間與空隙率之間無明顯的嚴格數(shù)學關系，但是R2卻與空隙率之間呈正比關系。對于機制砂，使用R2和分級篩余共同評價機制砂級配特性具有更好的合理性和準確性。