人工砂中石粉含量对混凝土物理力学性能的微观影响

文摘 2024-11-08 07:02 河南

0　引言

随着经济建设规模的不断扩大，我国高速公路及基础设施建设走上快车道，天然砂石供需矛盾越来越突出。由于天然砂石属于不可再生资源，再加上无序开发，造成了对环境的严重破坏，导致大部分砂石场被关闭，造成建筑砂石资源的短缺，而解决目前砂石问题最好的办法是大力推广使用人工砂。人工砂与天然河砂相比，具有坚固性好，可充分利用地方资源，便于就地取材等特点，可有效利用碎石废料或石屑，变废为宝，保护环境。而关于人工砂应用工程的研究也成为热点研究方向。《建筑用砂》GB/T14684第一次将人工砂的应用列入国家规范，标准的实施为我国在建筑用砂方面实现可持续发展产生巨大影响，带来了巨大的社会经济效益。使用人工砂，价格便宜，强度高，可节约水泥，还有利于环保和可持续发展。

RIZWANetal通过研究发现，石粉加入混凝土中会降低混凝土的流动性，影响混凝土的力学性能；

TONGAROONSRIetal通过研究石粉代替水泥对混凝土的力学性能指出，石粉含量会对混凝土的收缩产生一定的影响，混凝土的干缩随石粉含量的增加而增加；

张岩等以石粉参数为研究对象，研究了不同石粉参数对混凝土力学性能的影响，基于正交试验法开展了石粉混凝土抗压强度和抗折强度试验，研究结果表明，石粉掺量对混凝土抗压强度和抗折强度影响较大；

常江，张铂等通过大量试验研究，认为人工砂是配制优质混凝土的理想材料，研究发现，使用相同的水泥质量、水质量和砂子质量，分别掺入天然中砂、天然特细砂、人工砂(其主要成分为石屑)，试验得出了3种配比砂浆的28d抗压强度，结果表明，级配人工砂比普通人工砂的砂浆强度要高出1.6倍；

廖颜等通过研究下白滩砂石中人工砂含水率的控制，提高了混凝土的生产质量；

汪学清等通过正交试验方法对人工砂混凝土的相关性能进行研究，得出了最优配合比的人工砂混凝土28d的抗压强度为40.1MPa；

张钊等通过乌东德水电站二道坝工程建设，针对人工砂石粉含量不满足规范和设计要求的问题进行研究，提出了3种不同实验方案，研究结果为解决低热水泥碾压混凝土中石粉含量问题以及后续类似施工提供了理论依据；

王峰等依托重庆地区渝黔扩能项目，以C50和C55混凝土为研究对象，对比了人工砂和天然砂混凝土的力学性能、收缩性能和工作性能，证明了人工砂中的石粉可以有效提高混凝土的抗压性能。

人工砂代替天然河砂可以提升混凝土工程质量，但在应用中要注意人工砂中的石粉含量，过多的石粉含量会导致混凝土性能受到影响，进而影响整个工程的质量。本文以人工砂为研究对象，通过总结分析人工砂的现状和特点，分析不同石粉含量对混凝土的影响，通过电镜扫描试验探讨人工砂混凝土强度优于河砂混凝土强度的原因，为人工砂应用高性能混凝土提供参考与借鉴。

1　人工砂的现状与特点

1.1　人工砂现状

建筑用砂、城市桥梁或道路工程中的天然砂是岩石经风化或碰撞成细粒后经水力推移筛选而成的。这个过程经过了亿万年，因此这种资源几乎是不可再生的。在工程中石英砂占据比例最大，但并不是每种岩石都能成为天然砂，天然砂是尤为宝贵的建筑用料资源，砂的地域分布很不均匀。随着建筑规模的开发扩大，优质建筑用砂必然会从局部供应不足，逐步扩大为全面供应不足。

我国目前年产水泥波动较大，2016～2019年在22亿t左右，而2020年1～6月产量为10亿t左右，同比下降4.8％。砂石在基础设施中用量最大，近年来我国年需砂量在180亿t左右。砂石用量呈逐年增长趋势，造成价格上涨(如2011年我国砂石骨料价格为48元/t，2019年波动性增至94元/t。)和水泥用量增多，包括使用劣质砂的情况。而现代混凝土的发展对砂的要求愈来愈高，多用水泥会使水化热增大，易产生收缩裂缝，因此混凝土规范对最大水泥用量有一定的限制。水泥用量减少导致混凝土和易性差，水灰比过大，混凝土的耐久性差等缺点。在取用天然砂会危及河道安全、破坏生态平衡的情况下，国家出台相关规定，从长江取砂量不超过5000万t，尤其是偏细砂的取量，同时在取砂过程中会破坏农田或植被及周边环境。伴随经济的快速发展，社会上产生的很多尾矿或固体废料(如石屑)会对环境产生重大影响。因此，人工砂代替天然砂在工程建设中的应用越来越多。从发展趋势看，人工砂的应用将会占建筑用砂的主要份额。

1.2　人工砂的特点

人工砂颗粒多棱角，表面粗糙。这种构造有利于与水泥等胶结材料的粘结，有利于强度的提高，但这种结构也导致了和易性差的缺点，由于人工砂是经破碎而成，其粒形不如天然砂，而且其内部可能存在影响制品强度的微细裂缝，故压碎值的检查在实际工程中尤为重要。

人工砂其粒形和级配随加工机械和工艺的不同而有区别，用专用大型棒磨制砂机和锤式机生产的人工砂，采用旋风除尘等设备可去除多余石粉，调整人工砂的加工参数，如石粉含量和细度模数可以有效控制人工砂的质量，使其满足现行国家标准的要求。例如乌江渡电站坝专门加工的226万m³人工砂，其出机细度模数1.76～3.75，进入混合仓混合后再出仓时，其细度模数达到2.59～3.13，加权平均2.82，配制混凝土或级配混合使用效果都比较好。各地对人工砂的研究人员和使用者普遍认为，这些小于0.075mm的细粒与天然河砂中此类细粒不同，首先是细粒的颗粒大小不同，人工砂中这类细粒的80％以上颗粒都大于0.01mm，其小于粘土颗粒粒径0.005mm的只占9％左右；其次，与天然砂中此类细粒大多是粘性土不同。由于以上两项不同，确定了两者在混凝土中的作用不同，人工砂中的这类细粒，只是些惰性掺入物，掺入适量无害，甚至对混凝土质量有利，而天然砂中的泥土含量较多时，会损坏混凝土的强度和其他性能。

2　人工砂的应用研究

2.1　人工砂中不同石粉含量对混凝土的影响

以河南商丘人工砂为研究对象，研究石粉含量对混凝土强度的影响。石屑中石粉含量过少的混凝土和易性差、强度低、强灰比变小；石粉含量(质量分数，下同)在6％～15％时，混凝土和易性变好、强度高、强灰比大；当石粉含量超过20％时，混凝土和易性虽变好但强度变低、强灰比变小，如表1所示，抗拉强度F＝N＋0.75G/B²h，抗压强度P＝A/N，其中B为试件宽度，h为高度，G为自重，N为破坏荷载。

由表1可知，适量的石粉存在对混凝土有一定的好处，超出一定的量会影响混凝土的质量。这是因为水泥颗粒很难完全水化，在拌合混凝土时，掺入的惰性细粒也会携有部分自由水，但它不会水化、不耗水，这些水仍可供水泥颗粒水化用，进一步提高混凝土强度。在贫混凝土和贫砂浆拌合物中，水泥细粒太少达不到和易性要求，掺入人工砂中这部分惰性细粒，有利于混凝土和易性，从而提高了制成品的强度、密实度等性能。用含量合格的石粉人工砂是保证工程质量的关键。

2.2　级配人工砂在砂浆和混凝土中的应用

国内目前使用的人工砂有两种来源:一是用制砂机将块石、卵石专门加工成的机制砂，这部分人工砂除了粒形多棱角外，其粒形随加工机械的不同稍有不同，其级配多数可以调整，使之完全符合规范标准的要求，且施工中质量稳定，较天然砂更易于控制质量。干法生产机械可用除尘设备控制其石粉含量，湿法生产的产品，往往将全部石粉及部分有用的细粒冲走，使和易性变差，这部分人工砂生产成本较高；二是加工碎石时的下脚料，这种固体废料的特点是量大、面广、质量参差不齐，在工程使用前，要严格控制废料质量，可以实现废料变废为宝，对社会发展有促进作用，反之，易造成质量事故。

为探究人工砂混凝土强度高于河砂混凝土强度的原因，采用扫描电子显微镜对人工砂混凝土进行电镜扫描试验，通过电镜扫描试验发现，人工高性能混凝土石灰石质人工砂与水泥凝胶两者结合比较紧密，通过不同试块的电镜扫描，人工高性能混凝土石灰石人工砂与水泥凝胶同样结合紧密，放大2000倍照片显示，试块两侧水化水泥凝胶CＧSＧH间结合较好，未发现裂缝存在，如图1(a)和(b)所示。由于人工砂的粒形多棱角，砂表面与水泥石粘结比较好，同时骨料骨架刚度大，都能够增加混凝土强度。基于以上特性，使人工砂中的石粉含量达到一个最优临界值。

　通过试验分析，混凝土中石灰石粉掺量2％左右有利于强度的提高，这说明石灰石质人工砂中可以有一定的石粉含量值。在单位水泥用量较少的条件下，由于混凝土中能起滚珠作用的水泥细粒少，拌和物有离析、干涩现象，塌落度小，当人工砂含有石粉时，起滚珠作用的细粒增加，改善了混凝土的和易性，有利于提高混凝土强度。

另外人工砂还有与水泥石粘结性能好、骨料骨架刚度大的特点，所以低强度等级配合比的混凝土使用人工砂时，可以大幅度提高混凝土强度，但这时人工砂中的石粉含量仍有一个最优含量，只是此时的最优石粉含量会较高。人工砂中的石粉含量过多或过少都不利，这点与河砂中的含泥量愈少愈好是不同的，所以不能简单地将人工砂中的石粉视为有利或有害物质。人工砂生产过程中会产生颗粒小于0.075mm以下的细粉，这部分细粉的主要成分与母岩相同，还有一部分是生产人工砂前对原料的除土工艺控制不严混入的泥土，相关测试实验表明，绝大部分石粉的粒径大于0.05mm，其粒径小于0.005mm者一般不超过10％。由于石粉的岩相成分和粒径不同于粘土，所以在混凝土中的影响也不同。

试验发现，河砂中含有石英质，形成石英质的天然砂由于受河水冲磨而形成的天然河砂比较光滑，且有一定的杂质，导致混凝土试块的强度低于人工砂，在扫描电镜放大2000倍的前提下，混凝土中天然河砂与水泥胶凝的界面出现微裂缝，照片显示上部石英质天然河砂与下部水化水泥胶凝CGSGH间有宽约0.002mm的微裂缝，所拍16个天然河砂界面中有14个有此类微裂缝，如图2所示。研究结果表明:河砂混凝土中的河砂与水泥水化物(水泥石)的结合界面处绝大多数粘结不好，有微裂缝，微裂缝最宽达0.02mm，而石屑人工砂与水泥石结合界面处良好，无一处有裂缝。

2.3　人工砂应用砂浆及混凝土的机理探讨

工程中的级配人工砂就是将少量粒径在0.075～0.300mm间的特细砂掺入人工砂中，以改善级配的混合砂。研究表明，C20以下等级的混凝土和M10以下等级的砂浆，使用通常的下脚料石屑(含石粉量10％～15％)，其抗压强度提高，用掺入10％～30％特细砂的级配人工砂效果更好。有耐磨要求的部位、C25以上等级混凝土和M7.5a以上等级砂浆等使用人工砂时，其石粉含量和含泥量(指砂中的含泥量)就要按照规范严格控制。

用级配人工砂所配制的砂浆，相同的水泥用量，不用白灰，其抗压强度大大高于用中砂配制的砂浆，M5以下一般能提高2～3倍，高标号砂浆也能有较大幅度的提高。强度等级愈高，提高幅度愈小。用掺入10％～30％特细砂的级配人工砂，比不用白灰所配制的砂浆和易性好，完全满足规范规定的分层度要求。从试验的结果看，在C20及以下各强度等级的混凝土，用级配人工砂配制的，其抗压强度都高于中砂混凝土，强度等级愈低，优越性愈大，配制比较简单。这是由于级配人工砂中有较多粉粒，且掺用了特细砂，改善了级配。混凝土的和易性得到了提高，虽用水量稍高，拌合物外观较干、较粘，但易振捣。砂与胶结料结合较好的优势使混凝土强度得以提高。用级配砂配制的C30以上强度等级，包括C60级高强度的高性能混凝土，其抗压强度高于河砂混凝土(保证C60级高强度混凝土的石粉含量控制在7％以下)，级配人工砂中的石粉含量与特细砂掺入量，因各地材料不同，也有相应的区别。但总的规律与砂浆相同，即水泥用量愈多的混凝土，其石粉含量和特细砂掺入量应愈少。

3　结论

通过总结人工砂现状和特点，分析了人工砂石粉含量对混凝土性能的影响，采用理论与扫描电子显微镜的试验方法，研究了商丘石屑人工砂对混凝土抗压强度与和易性等的影响，得出以下结论。

1)石粉含量在6％～15％时，和易性变好、混凝土强度高、强灰比大。石粉含量超过20％时，和易性虽变好但强度变低、强灰比变小。

2)C20以下等级的混凝土和M10以下等级的砂浆中，当石粉含量在10％～15％时，混凝土和砂浆的抗压强度有很大的提高，用掺入10％～30％特细砂的级配人工砂效果更好。

3)扫描电子显微镜放大2000倍照片显示，河砂混凝土中，河砂与水泥水化物的结合面绝大多数粘结不好，有微裂缝，宽度达0.02mm，而石屑人工砂混凝土中与水泥水化物结合面处，无一处有裂缝。

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