人工砂在混凝土中的试验与研究

吴弘

摘要：人工砂作为天然砂替代资源在混凝土中的应用逐渐扩大，由不同母岩制备的人工砂具有部分差异。通过选择凝灰岩、花岗岩两种材质的人工砂，对胶砂流动度、混凝土拌合物性能、混凝土力学性能试验研究，探索人工砂对混凝土的影响，实现对人工砂混凝土进一步了解。

关键词：人工砂；石粉；压碎指标；混凝土；凝灰岩；花岗岩

0引言

混凝土由于具有生产工艺简单、原料丰富，强度高、性能多变等特点，在建设工程中广泛应用。砂作为混凝土的基本原料之一，在混凝土中约占30%至40%。随着我国基础建设的快速发展，河砂、湖砂、山砂等有限的天然资源消耗巨大。为了避免过度开挖开采破坏生态平衡，保护环境和资源，政府出台了限制或禁止开挖开采天然砂资源的法规，天然砂产量大幅缩减。随着天然砂资源紧缺的矛盾日益突出，人工砂作为天然砂的替代资源在市场中的占比不断扩大，人工砂的使用量逐年上升。人工砂是经除土处理，由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒。从20世纪90年代起，全国各地相继开展了人工砂的使用研究^[1]，并在国标GB/T 14684《建筑用砂》中增加了人工砂的种类，明确了人工砂的使用及试验标准。我国岩石种类繁多，人工砂也随着母岩的差异呈现不同的特性，拌制的混凝土性能也相应变化。本文结合不同材质的人工砂在混凝土应用中的差异，总结人工砂石粉含量、压碎指标对混凝土性能的影响，希望能给其他研究者提供借鉴和参考。

1试验原材料

1.1水泥

选用安徽铜陵海螺水泥有限公司42.5级普通硅酸盐水泥，物理性能指标见表1。

表1 安徽铜陵P.O42.5水泥物理性能指标

标准稠度	初凝时间	终凝时间	抗压强度(MPa)		抗折强度(MPa)
(%)	(min)	(min)	3 d	28 d	3 d	28 d
27.6	186	232	29.2	50.9	5.8	8.6

1.2人工砂

选择浙江凝灰岩、福建花岗岩材质的人工砂，各项指标见表2。

表2 两种材质的人工砂指标

编号	细度模数	MB值 (g/kg)	石粉含量 (%)	单级最大压碎指标 (%)	总压碎值指标 (%)	母岩种类
S1	2.9	1.1	4.0	10	7	凝灰岩
S2	2.9	1.0	5.8	24	18	花岗岩
S3	2.8	1.1	6.0	36	26	花岗岩

图1 两种材质人工砂颗粒级配

由图1可见两类人工砂细度模数相同，颗粒级配无明显差异，均属于2区中砂。

1.3粗骨料

选择安徽南陵（5-25）mm花岗岩碎石，连续粒级，针片状颗粒含量6%，含泥量0.8%，泥块含量0.4%，表观密度2640kg/m³，压碎值指标10%。

1.4外加剂

选择上海建工建材科技集团股份有限公司SCG803聚羧酸系高性能减水剂，掺量1.0%时，减水率25%。

1.5拌合水

自来水。

2人工砂对胶砂流动度的影响

2.1试验方法

由于人工砂与天然砂最显著的差异是在生产过程中不可避免的产生一定量的石粉，石粉与泥粉有本质上的区别，部分学者认为一定量的石粉对提高混凝土的和易性有积极作用^[2]。本试验首先以水洗法洗去S1、S2人工砂试验样品中的石粉，并完成对应样品石粉的收集，烘干处理至恒重，得到干燥不含石粉的S1、S2人工砂与对应种类的石粉。以GB/T 2419《水泥胶砂流动度测定方法》为基础，在试验用砂中按2%、4%、6%、8%...20%的比例掺入收集的石粉，观察人工砂石粉对胶砂流动度的影响。

2
.2胶砂流动度试验

图2 不同石粉掺量人工砂胶砂流动度

根据图2可见，无论是凝灰岩还是花岗岩材质的人工砂，胶砂流动度都随石粉掺量增加而略有增大；当石粉含量超过10%时，胶砂流动度明显减小，呈下降趋势。此外，由于母岩材质的不同，凝灰岩人工砂与花岗岩人工砂胶砂流动度差异较明显。凝灰岩与花岗岩均属于酸性岩，主要成分以SiO₂、Al₂O₃为主，花岗岩中SiO₂基本在60%以上，凝灰岩中SiO₂与Al₂O₃的总和可能超过80%。由于SiO₂与Al₂O₃在微观下呈层状或片状结构^[3]，容易吸附自由水，SiO₂与Al₂O₃的含量越高，人工砂的吸水率越强，胶砂中自由越少，因而凝灰岩人工砂的胶砂流动度更小。

3人工砂对混凝土拌合物性能的影响

3.1试验方法

拌制混凝土使用同一配合比，相同的用水量下，在除去石粉的S1、S2人工砂中以4%、8%、12%、16%、20%比例掺入石粉，按照GB/T 50080《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定坍落度与经时损失。

3.2混凝土拌合物性能试验

表

3 拌合物性能试验配合比

编号	用水量(kg)	水泥(kg)	人工砂(kg)	石粉掺量(%)	碎石(kg)	外加剂掺量(%)
H1	165	380	849	0	981	0.9
H2	165	380	849	4	981	0.9
H3	165	380	849	8	981	0.9
H4	165	380	849	12	981	0.9
H5	165	380	849	16	981	0.9
H6	165	380	849	20	981	0.9

图3 花岗岩人工砂坍落度及经时损失 图4凝灰岩人工砂坍落度及经时损失

由图3、图4可见，人工砂的坍落度均有随石粉掺量增加而增大的趋势，花岗岩和凝灰岩人工砂分别在12%和8%左右达到拐点。在石粉掺量达到拐点前，对应的坍落度经时损失小幅增加；掺量超越拐点后，坍落度经时损失随着掺量的增加迅速增大。在合理的石粉掺量下，石粉确实可以改善混凝土拌合物的粘聚性和保水性，减少了混凝土由于粗骨料易于堆积形成的流动性差的情况。然而，过多的石粉也迅速增加混凝土拌合物粘稠度，流动性下降。随着时间推移，石粉在此过程中不断吸取拌合物中的自由水，流动性损失加剧。凝灰岩人工砂中更高的硅铝物质含量使得混凝土拌合物经时损失更加显著。

4人工砂混凝土力学性能的影响

4.1试验方法

除去S1、S2、S3三种人工砂中的石粉，在人工砂中以6%的比例掺入对应石粉。在基准配合比的基础上逐次减小0.02水胶比，按GB/T 50081《混凝土物理力学性能试验方法标准》测定抗压强度。

4.2混凝土抗压强度试验

表
4 抗压强度试验模型

编号	水胶比	人工砂种类	石粉掺量(%)
P1-1	0.43	S1	6
P1-2	0.41	S1	6
P1-3	0.39	S1	6
P2-1	0.43	S2	6
P2-2	0.41	S2	6
P2-3	0.39	S2	6
P3-1	0.43	S3	6
P3-2	0.41	S3	6
P3-3	0.39	S3	6

图5 人工砂混凝土抗压强度

由图5可见，3种人工砂的抗压强度差异明显。混凝土的抗压强度与人工砂的压碎指标密切相关，压碎指标越低，抗压强度越高。人工砂中具有棱角的颗粒在混凝土中也起到骨架作用。P1-1、P1-2、P1-3、P2-1、P2-2、P2-3的混凝土强度随水胶比的降低而增大，P3-1、P3-2、P3-3的混凝土强度随水胶比的降低变化幅度很小，没有增大的趋势。混凝土试件的破型主要源于胶砂与粗骨料的破坏，可分为三种情况。第一种是胶砂的直接破损，第二种是由粗骨料的破损引起胶砂和试件破损，第三种是胶砂和粗骨料同时发生破损。P1、P2组因水胶比降低，增加了胶砂的强度，胶砂强度与粗骨料强度的结合度更高，从而带来混凝土强度的增长。P3组由于过高的压碎指标使得胶砂强度达到极限，难以增长，混凝土强度因而也无明显变化。此外，P1、P2组的混凝土7天抗压强度约为28天抗压强度的70%，P3组的7天抗压强度约为78%。由此可见，人工砂过高的压碎指标也会降低混凝土后期强度的发展上限。

5结论

通过胶砂流动度、混凝土拌合物性能、混凝土力学性能的试验研究，对人工砂混凝土有了更全面的认识，得到以下结论：

1. 胶砂流动度与人工砂石粉的关系是先随石粉含量增加而增大，当石粉含量超过10%时，胶砂流动度明显随石粉含量增加而减小，胶砂流动度存在拐点。人工砂中硅铝物质含量越高，人工砂吸收自由水的能力越强。

2. 人工砂拌合物性能与石粉含量关系密切，坍落度随石粉含量增加呈先增大后减小的趋势，凝灰岩人工砂的转折点在8%左右，花岗岩人工砂在12%左右。坍落度经时损失随石粉含量的增加迅速加剧。

3. 人工砂混凝土强度与人工砂压碎指标存在负相关。过高的压碎指标会使混凝土强度与水胶比的关系变弱，同时也会降低后期强度的发展上限。

参考文献：

1. 陈家珑，周文娟.我国人工砂的发展和问题探讨[J].建筑技术.2007,38(11):849-852.

2. 刘雪娟.石粉对机制砂混凝土性能影响的研究进展[J].城市建设理论研究:电子版.2015,5(28):441-442.

3. 刘慈军，吴朝晖，温小栋等.凝灰岩机制砂与聚羧酸减水剂的适应性试验研究[J].宁波工程学院学报.2015,27(1):1-5.