朱 涵，刘乾利，于 泳

(1.天津大学建筑工程学院，天津 300072；2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)



砂的细度对水泥基材料性能的影响

朱 涵1,2，刘乾利1，于 泳1

(1.天津大学建筑工程学院，天津 300072；2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

本文选用了四种不同粒径的砂(粗砂、中砂、细砂和特细砂)，考虑了两种不同的水灰比(0.35和0.5)，研究了砂的细度对砂浆力学性能、自由收缩性能、抗开裂性能和微观结构的影响。其中通过力学性能试验测定了试件的抗压强度和抗折强度；采用直接长度的测量方法测定试件不同龄期的自由收缩量；采用圆环试验方法研究砂浆的抗开裂性能，在钢环内表面黏贴应变片，通过测得的应变计算砂浆的约束应力；对试样进行扫描电镜试验，观察砂和水泥石的界面过渡区的微观结构。试验结果表明，砂的粒径对砂浆的力学性能、自由收缩、约束收缩和微观结构都有较大影响。使用特细砂的砂浆各项性能均最差；使用中砂的砂浆各项性能最好，尤其是其自由收缩和抗开裂性能。

砂的细度； 自由收缩； 抗开裂性能； 微观结构

图1 细骨料粒径分布图Fig.1 Particle size of fine aggregates

1 引 言

水泥基材料早期体积变化会影响其最终体积稳定性导致裂缝的形成[1]。裂缝的出现不仅影响建筑物的外观，更危及建筑物的正常使用以及结构的耐久性[2]。目前，国内外对于水泥基材料早期的收缩开裂性能已进行了大量的研究。文献[3]研究了不同强度、水灰比的水泥基材料的抗开裂性能，研究结果表明低水灰比高强度的水泥基材料抗开裂性能较差。文献[4]研究了矿物掺和料(粉煤灰、硅灰、矿渣等)对水泥基材料收缩开裂性能的影响，得出结论掺粉煤灰和矿渣粉均使水泥基材料早期抗裂性改善，且掺粉煤灰的改善作用优于矿渣粉。文献[5]研究了减缩剂对水泥基材料收缩开裂的影响，研究结果表明减缩剂提高水泥基材料的抗开裂性能主要是针对干燥收缩，对于水中养护和半绝热条件，减缩剂无补偿收缩的效应。文献[6]研究了橡胶对水泥基材料收缩开裂性能的影响，研究结果表明橡胶的掺入可以有效的改善水泥基材料的抗开裂性能。文献[7]的研究表明，纤维的掺入可以改善水泥基材料的塑性开裂性能。目前对水泥基材料收缩开裂的研究主要是针对不同外加剂或材料对水泥基材料收缩开裂性能的改善。而砂作为水泥基材料的重要组成，目前的研究缺少关于砂的细度对水泥基材料收缩开裂性能的影响。

本文主要研究了砂的细度对水泥基材料力学性能、自由收缩和抗开裂性能的影响，并采用扫描电镜的方法对砂和水泥石的界面进行了微观分析。

2 试 验

2.1 原材料和配合比设计

实验所用水泥为P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；水为普通自来水；砂采用4种粗细程度不同的河砂，分别为粗砂(CS)、中砂(MS)、细砂(FS)和特细砂(ES)，其粒径分布如 所示，相应的细度模数分别为3.5、2.8、2.0和1.5。本文实验设计中灰砂比为0.4，考虑两种水灰比0.5和0.35，共配置8组配合比材料，并按照JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》测量砂浆的稠度。砂浆稠度随水灰比和橡胶粒径的减小而降低。试验配合比和稠度见表 1。

表1 砂浆配合比Tab.1 Mix proportion of mortars

2.2 试验方法

2.2.1 力学性能试验

砂浆抗压和抗折强度试验参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行。抗折试块尺寸40 mm×40 mm×160 mm，每组配合比制备3个试块。使用抗折试验后的试块进行抗压试验。所有试块浇筑完成1 d后拆模，标准养护28 d，进行抗折和抗压试验。

2.2.2 自由收缩试验

砂浆自由收缩试块尺寸40 mm×40 mm×160 mm两端预留铜测钉，每组配合比制备3个试块。试块浇筑完成2 d后拆模并测定其初始长度l0(测量精度0.001 mm)，拆模后将试块置于温度(20±2) ℃，相对湿度(60%±5%)的环境中，定期测量试件长度。记录第N天测得的试件长度为l mm，计算试件的收缩率εSN=(l0-lN)/lb。其中，lb为试件的测量标距，本实验中lb=140 mm。

2.2.3 开裂试验

砂浆开裂试验采用圆环法[8,9]，试验装置见图 2。图中内环为钢环，外环为砂浆。钢环为Q345，钢环内半径RIS=152.5 mm，厚度t1=12.5 mm，高度h=150 mm。砂浆环内半径RIM=165 mm，厚度t2=38 mm。在钢环内表面中间高度处，沿圆周等距粘贴4个应变片。应变片型号BX120-5AA，电阻(120±0.1) Ω，灵敏度系数为2.08。砂浆环分2层浇筑，每层插捣150下，用塑料薄膜密封砂浆环上表面。浇筑完成48 h后拆模，并在砂浆环上表面涂刷防水材料，保持上表面密封。将试件置于室温(20±2) ℃，相对湿度60%±5%的环境中，用一台应变仪连接所有应变片，应变采集频率1次/15 min，将测得的钢环内表面环向应变εsteel传输给电脑，εsteel发生突变的时刻即为砂浆开裂的时刻。对所得的数据进行处理，根据文献[10]给出的理论公式(1)～(3)计算砂浆最大环向应力σmax的发展，图 3所示为试验应力计算图。

图2 圆环试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of ring test device

图3 应力计算图解Fig.3 Illustration for computing stress

(1)

(2)

(3)

式中，r为砂浆环任意一点的半径；σ(r)为砂浆任意一点的环向约束应力，σmax为砂浆最大环向约束应力；ROS和RIS分别为钢环的外半径和内半径，ROM和RIM分别为砂浆环的外半径和内半径，ROS=RIM；ES是钢环的弹性模量；Pin为砂浆收缩对钢环产生的均匀压力；εsteel(t)为任意时刻测得的钢环内表面应变。

2.2.4 扫描电镜试验

水泥浆和集料之间的界面过渡区ITZ是水泥基材料中最薄弱的环节[11]，使用扫描电镜研究不同粒径砂和水泥浆体界面的微观结构。将砂浆制成尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的试样，表面磨平后抽真空并喷金，在扫描电镜(SEM)下观察砂-水泥浆体过渡区界面。

3 结果与讨论

3.1 力学性能试验结果

从表2中可知，水灰比越大强度越低，砂的粗细对水泥砂浆强度大小的影响次序为：粗砂>中砂>细砂>特细砂。

表2 力学性能试验结果Tab.2 Results of mechanical tests

3.2 自由收缩试验结果

图4所示为8组配合比材料自由收缩试验结果。从图4(a)可以看出，0.5水灰比条件下4种砂浆的自由收缩量M1-E>M1-F>M1-C>M1-M，与图4(b)的结论一致，砂浆的自由收缩量随着砂的粒径减小先减小后增大。M1-E组的自由收缩量较M1-M组的自由收缩量增大了30.9%；M2-E组的自由收缩量较M2-M组的自由收缩量增大了45.0%。说明砂的粒径对低水灰比砂浆的自由收缩性能影响更大。

砂浆的早期收缩主要是由于其化学收缩和干燥收缩共同作用的结果。对比图4(a)和图4(b)可以看出，当砂的粒径相同时，砂浆的早期0～3 d自由收缩量M2组大于M1组，此时影响砂浆收缩量的主要因素是其化学收缩，因此水灰比较小的M2组收缩量大。之后砂浆的自由收缩量M1组大于M2组，此时影响砂浆收缩量的主要因素是其干燥收缩，因此含水量较多的M1组收缩量较大。本试验配合比条件下，水灰比0.5组的砂浆自由收缩量大于水灰比0.35组的砂浆，说明本试验条件下对砂浆自由收缩占主导作用的是干燥收缩。

图4 试件自由收缩Fig.4 Free shrinkage ratio of specimen

3.3 圆环开裂试验结果

图5所示为8组材料在拆模后钢环内表面环向应变με随时间发展的曲线。图6所示为按照1、2、3节进行计算得出的砂浆最大环向应力σmax随时间发展的曲线图。两图中曲线发生突变的时刻即为试件开裂的时刻。

对比图(a)和图(b)可以看出，相同砂的条件下，水灰比0.35组砂浆开裂早于水灰比0.5组砂浆，且0.35水灰比的砂浆最大环向应力σmax发展更快、极限应力更大。

同一组内，相同水灰比条件下，开裂顺序是ME，MF，MC，MM。其中使用特细砂的ME组最先开裂，使用中砂的MM组最后开裂。从图 6可以看出，相同水灰比条件下，使用特细砂(ES)的砂浆最大环向应力σmax发展最快；使用中砂(MS)的砂浆最大环向应力σmax发展最慢、极限应力最大，因此开裂最慢。使用中砂(MS)的砂浆抗开裂性能最好，其次是使用粗砂(CS)和细砂(FS)的砂浆，使用特细砂(ES)的砂浆抗开裂性能最差。

3.4 扫描电镜试验结果

图7所示为使用扫描电镜观察得到的砂-水泥石界面过渡区的形貌，其中图7(a)所示为样本放大60倍后的形貌，图7(b)所示为界面区域放大400倍后的水泥石形貌。通过图7(a)可以看出，水泥石和砂之间存在明显的界面，其中界面最不明显的是图7(b)M1-M样品，说明中砂(MS)和水泥石的结合最紧密。从图7(b)可以看出，界面过渡区的水泥石密实度差别较大，使用中砂(MM)的界面区水泥石最紧密，其次是粗砂(CS)和细砂(FS)，水泥石最疏松的是特细砂(ES)。

图5 钢环内表面环向应变随时间发展曲线图Fig.5 Development of the inner surface strain of the steel ring

图6 砂浆最大环向应力σmax随时间发展曲线图Fig.6 Development of stress σmaxof mortar

图7 扫描电镜(SEM)试验结果Fig.7 Scanning electron microscopy (SEM) test results

3.5 试验结果分析

分析第2节中的试验结果可以发现砂的粒径对砂浆的抗压、抗折强度、自由收缩量、抗开裂性能和微观结构都有很大的影响。中砂和粗砂对砂浆强度的影响不大，但是细砂和特细砂都会降低砂浆的强度，尤其是特细砂。而且砂的细度对水灰比0.35的砂浆力学性能影响比对0.5水灰比砂浆的力学性能影响明显。分析这一原因主要是由于随着砂的细度降低，砂的表面积增大，相应的界面过渡区域增大，砂浆的薄弱层增多，强度降低增大。

砂浆的开裂是由多种因素共同造成的，砂浆的自由收缩受到约束时内部产生约束应力，当砂浆内部的约束应力超过其极限应力时，砂浆开裂。通过图 6可以看出，水灰比0.35的砂浆的极限应力大于水灰比0.5的砂浆；但是水灰比0.35的砂浆在本试验的约束条件下，最大环向应力σmax发展更快，因此先于水灰比0.5的砂浆达到极限应力，发生开裂。同水灰比条件下使用中砂的砂浆自由收缩量最小，内部约束应力的发展最慢，开裂时的约束应力最大，抗开裂性能最好。

对于水泥基材料，水泥石和砂之间存在界面薄弱区域。界面区域存在微裂纹，随着水泥基材料外部约束力增大，内部微裂发展形成宏观裂缝，导致试件开裂。因此微观界面微裂纹少，水泥石紧密、孔隙少的材料抗开裂性能更好。使用扫描电镜分析不同种砂和水泥石的微观界面，可以发现中砂和水泥石的结合最为紧密，界面过渡区的孔隙较少，水泥石更为紧密，微裂纹较少。因此使用中砂(MS)的砂浆抗开裂性能最好。当使用粗砂(CS)时，虽然界面过渡区的孔隙较多、水泥石疏松，但是其界面少于中砂(MS)与水泥石的界面，因此使用粗砂(CS)的砂浆性能较使用中砂(MS)的砂浆降低不多。但是使用细砂和超细砂的砂浆，其力学性能、收缩性能和抗开裂性能都较差，分析其原因主要有两方面：一方面，其界面过渡区薄弱、水泥石疏松，微裂纹较多；另一方面，其表面积较大、界面过渡区较多。这两方面共同导致细砂和特细砂砂浆微裂纹较多，因此当试件受到外部约束力时，试件容易形成宏观裂缝而开裂。

4 结 论

试验结果表明，砂的粒径对砂浆的力学性能、自由收缩性能、约束收缩性能以及微观结构都有较大的影响：

(1)使用中砂和粗砂对砂浆的力学性能影响不大，使用细砂和特细砂会降低砂浆的抗压和抗折强度。尤其是低水灰比(水灰比为0.35)的砂浆若采用特细砂，相较于使用中砂的砂浆，其抗压和抗折强度分别降低了26.0%和14.9%；

(2)相同的温湿度条件下，使用中砂的砂浆自由收缩量小于使用粗砂、细砂以及特细砂的砂浆的自由收缩量；

(3)使用中砂的砂浆的抗开裂性能好于使用粗砂、细砂和特细砂的砂浆的抗开裂性能；

(4)扫描电镜试验结果表明，中砂与水泥石的界面粘结更为紧密，微裂缝较少。

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Effect of Sand Fineness on the Properties of Cement Based Materials

ZHUHan1,2,LIUQian-li1,YUYong1

(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Tianjin Key Laboratory of Civil Engineering Structure & New Materials,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Considering the two kinds of different water cement ratio (0.35 and 0.5),four kinds of different particle sizes of sand (coarse sand,medium sand,fine sand and especially fine sand) were used to study the influences of sand fineness on the mechanical properties,free shrinkage performance,cracking resistance and microstructure of mortars .The compressive strength and flexural strength of the specimens were tested as mechanical properties.The free shrinkage of the specimens on different ages were tested through directly length measuring method.The cracking resistance of the mortars were evaluated by ring tests,and strain gauges were pasted on inside of the steel ring,then,the constraint stress of the mortar was calculated through the measured strain.Scanning electron microscopy was carried out on the samples,interface microstructure of transition zone was observed.The experimental results show that the sizes of sand influence greatly on mechanical properties,free shrinkage performance,cracking resistance and microstructure of mortars.The mortar with especially fine sand performed the worst.The mortar with medium sand performed the best,especially its' properties of free shrinkage and cracking resistance.

the fineness of sand;free shrinkage;cracking resistance;microstructure

朱 涵(1956-)，男，博士，教授.主要从事建筑材料耐久性的研究.

于 泳，博士研究生.

TQ172

A

1001-1625(2016)10-3247-06