花崗巖機(jī)制砂品質(zhì)對混凝土性能的影響*

黃志剛 陳敦法 陳 倩 吳大勇 張凌強(qiáng) 李北星

(1.湖北交投翻壩江北高速公路有限公司 宜昌 443106； 2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

隨著天然砂資源約束趨緊和環(huán)境保護(hù)要求日益增強(qiáng)，機(jī)制砂正在逐漸代替河砂成為建設(shè)用砂的主要來源[1]，但是，機(jī)制砂的品質(zhì)對于其良好的使用非常關(guān)鍵，因?yàn)榧?xì)骨料的質(zhì)量不僅直接影響新拌混凝土的工作性、混凝土的漿骨比，最終還影響混凝土力學(xué)性能和耐久性。而機(jī)制砂的品質(zhì)很大程度上取決于母巖的物理性能、加工工藝和機(jī)械設(shè)備等因素[2-3]。機(jī)制砂生產(chǎn)過程中的破碎方式、制砂設(shè)備和除粉方式的不同，會(huì)導(dǎo)致機(jī)制砂顆粒級配、粒形、石粉含量及亞甲藍(lán)(MB值)的不同。與河砂相比，機(jī)制砂易出現(xiàn)的品質(zhì)問題主要有：機(jī)制砂顆粒級配不良、細(xì)度模數(shù)偏大或偏小，石粉含量過高或過低，含泥量高、亞甲藍(lán)值過大，針片狀顆粒、不規(guī)則尖銳顆粒多等，而這些特性對混凝土力學(xué)性能有很大影響[4]。另外，部分母巖巖石中含的硫化物、氯化物和云母等有害物質(zhì)超標(biāo)。云母為常見的造巖礦物之一，高云母含量巖石在人工料源中常見，譬如，三峽工程基巖開挖料閃云斜長花崗巖，黑云母含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)高達(dá)10%～15%[5]，軋制的人工砂黑云母含量約7%，遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值2%，最后不得不棄用，另找下岸溪料場花崗巖軋制人工砂。

三峽翻壩江北高速公路第一合同段位于湖北省夷陵區(qū)境內(nèi)山嶺重丘區(qū)，橋隧工程所有混凝土均采用本標(biāo)段隧道開挖的花崗巖洞渣自加工的機(jī)制砂石料進(jìn)行配制。針對用于C50混凝土的花崗巖洞渣機(jī)制砂相關(guān)指標(biāo)優(yōu)化的問題，本文將著重研究機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)、石粉含量和黑云母含量3個(gè)品質(zhì)指標(biāo)對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1) 水泥。葛洲壩三峽牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，3，28 d抗壓強(qiáng)度分別為27.2，47.6 MPa。

2) 粉煤灰。華能岳陽電廠F類I級粉煤灰，細(xì)度(45 μm方孔篩篩余位6.8%)，燒失量5.3%，需水量比93%。

3) 粗集料。三峽翻壩江北高速公路一標(biāo)自產(chǎn)花崗巖碎石，由4.75～9.5 mm和9.5～19 mm按比例搭配成連續(xù)級配。碎石表觀密度2 798 kg/m3，吸水率1.1%，含泥量0.75%，壓碎值19.2%。

4) 細(xì)集料。三峽翻壩江北高速公路一標(biāo)自產(chǎn)花崗巖機(jī)制砂，該機(jī)制砂與碎石采用砂石聯(lián)產(chǎn)濕法工藝生產(chǎn)，工藝流程為：振動(dòng)給料機(jī)(除土給料)→顎式破碎機(jī)(粗碎)→圓錐式破碎機(jī)(中碎制碎石)→立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)(細(xì)碎制砂)→輪式洗砂機(jī)(洗砂)。表1為機(jī)制砂主要性能指標(biāo)。

表1 機(jī)制砂主要性能指標(biāo)

由表1可見，該機(jī)制砂性能滿足JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》 I類機(jī)制砂技術(shù)要求。

5) 石粉。上述自產(chǎn)花崗巖機(jī)制砂經(jīng)球磨機(jī)磨細(xì)制得的花崗巖石粉，比表面積為327.5 m2/kg。石粉的XRD圖譜見圖1。由圖1可知，石粉主要礦物相為石英和鉀長石。

圖1 石粉XRD圖譜

6) 黑云母。從上述自產(chǎn)花崗巖機(jī)制砂中人為揀出的黑云母，其外觀和XRD圖譜分別見圖2、圖3。

圖2 黑云母外觀

圖3 黑云母XRD圖譜

7) 外加劑。為湖北天安聚羧酸高性能減水劑，含固量23%，減水率27%，含氣量3.1%。

1.2 試驗(yàn)方法

機(jī)制砂混凝土工作性試驗(yàn)按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行；力學(xué)性能試驗(yàn)按GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，抗壓、抗折強(qiáng)度試件尺寸分別為150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×400 mm，彈性模量試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。

機(jī)制砂需水量比依據(jù)JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》附錄E進(jìn)行。機(jī)制砂水泥砂漿的強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行，砂漿配合比為m(水泥)∶m(機(jī)制砂)∶m(水)=1∶3∶0.5，并通過添加減水劑使不同云母含量的機(jī)制砂砂漿跳桌流動(dòng)度達(dá)到(180±2) mm，砂漿強(qiáng)度試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 花崗巖機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對混凝土性能的影響

2.1.1不同細(xì)度模數(shù)花崗巖機(jī)制砂的制備

A砂為花崗巖機(jī)制砂原砂，其細(xì)度模數(shù)為3.0。將A砂中粒徑小于0.3 mm的顆粒篩出，并按11%，26%和45%的比例摻入A砂中，由此得到細(xì)度模數(shù)分別為2.8，2.6和2.3的B、C和D 3種機(jī)制砂。A、B、C、D 4種機(jī)制砂的篩分對比結(jié)果見表2，級配曲線見圖4。

表2 不同細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂級配

圖4 4種細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂級配曲線

由圖4可見，4種砂的石粉含量在3%～6%之間，MB值在0.8～1.2之間。其中A砂和B砂在2區(qū)級配范圍，C砂和D砂中0.3 mm篩孔的累計(jì)篩余低于2區(qū)級配70%的最低限值。

表3為細(xì)度模數(shù)3.0,2.8,2.6,2.3的4種花崗巖機(jī)制砂的C50混凝土配合比。人工調(diào)整外加劑摻量，使混凝土達(dá)到基本相同的坍落度(200±20) mm和擴(kuò)展度(500±30) mm。

表3 不同細(xì)度模數(shù)花崗巖機(jī)制砂C50混凝土配合比

2.1.2機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對混凝土工作性的影響

由表3可知，在用水量不變的情況下，隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)的減小，混凝土達(dá)到相同或相近的流動(dòng)性所需要減水劑用量增加。細(xì)度模數(shù)2.3的機(jī)制砂較細(xì)度模數(shù)3.0機(jī)制砂配制的混凝土其減水劑摻量同比提高了0.2%。這是由于當(dāng)細(xì)度模數(shù)從3.0降低到2.3時(shí)，粒徑較小的砂顆粒占據(jù)大多數(shù)，級配不良，顆粒表面所需用水量隨之增加；而當(dāng)細(xì)度模數(shù)逐漸增大時(shí)，各種大小不同粒徑的砂顆粒搭配均勻，顆粒堆積密實(shí)而降低空隙率，使得自由水增多，從而拌和水或減水劑用量減少[6]。

2.1.3機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對混凝土力學(xué)性能的影響

圖5為機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度和彈性模量的影響。

圖5 機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)對混凝土力學(xué)性能的影響

由圖5可見，隨著機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)從3.0降至2.3，混凝土的抗壓、抗折和彈性模量均呈先增后降趨勢，在細(xì)度模數(shù)為2.8時(shí)，3個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)值達(dá)到最大，且細(xì)度模數(shù)2.8和3.0的機(jī)制砂配制的混凝土力學(xué)性能差異不顯著；但當(dāng)細(xì)度模數(shù)降低到2.3時(shí)，機(jī)制砂混凝土的28 d齡期抗壓、抗折強(qiáng)度與28 d彈性模量較細(xì)度模數(shù)3.0時(shí)降幅非常顯著，分別降低了23%，19%和20%。細(xì)度模數(shù)3.0～2.8的機(jī)制砂中，不僅有著較多粒徑較小的細(xì)砂顆粒用來填充細(xì)集料空隙，且有足夠的粗砂顆粒與粗集料之間形成骨架結(jié)構(gòu)[7]，從而增強(qiáng)了混凝土的力學(xué)性能。而當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)下降到2.3時(shí)，其中的粒徑0.3 mm以下的細(xì)砂顆粒數(shù)量過多，達(dá)到45.6%(見表2)，砂顆粒的總比表面積增大，砂顆粒間空隙增多，水泥漿體不足以填充砂顆粒空隙，引起砂漿密實(shí)度下降、機(jī)制砂與水泥漿體界面缺陷增多，導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能降低。

2.2 花崗巖機(jī)制砂石粉含量對混凝土性能的影響

2.2.1石粉含量對機(jī)制砂混凝土工作性的影響

表4為石粉含量3%，5%，7%，9%的機(jī)制砂C50混凝土配合比與工作性試驗(yàn)結(jié)果。

表4 不同石粉含量花崗巖機(jī)制砂混凝土配合比與工作性能

由表4可見，在同等膠材和水用量情況下，隨著機(jī)制砂中石粉含量增大，混凝土達(dá)到同等工作性所需減水劑用量隨之增多，石粉含量9%時(shí)較3%的機(jī)制砂的混凝土減水劑摻量提高了0.3%。這主要是由于粒徑小于0.075 mm的石粉顆粒其比表面積遠(yuǎn)高于機(jī)制砂顆粒，當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量增加時(shí)，意味著包裹其所需的用水量增大，漿體的黏滯性增加，從而需增大減水劑用量[8]。另外，石粉顆粒對減水劑的吸附作用也會(huì)降低減水劑的減水效果，隨石粉含量增大，減水劑被石粉吸附的數(shù)量也增多。

2.2.2石粉含量對機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響

圖6為石粉含量對花崗巖機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響。

圖6 機(jī)制砂石粉含量對混凝土力學(xué)性能的影響

由圖6a)可見，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度隨石粉含量的增大而逐步增加，石粉含量9%時(shí)較3%的機(jī)制砂其混凝土的7，28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了8.9%和10.8%。這主要是因?yàn)槭圩鳛槲⒓?xì)集料起到了填充空隙的作用，致密了混凝土結(jié)構(gòu)[9]。

圖6b)顯示，隨著石粉含量增大，機(jī)制砂混凝土的抗折強(qiáng)度呈先增后減趨勢，當(dāng)石粉含量5%時(shí)抗折強(qiáng)度最大。其主要原因是：機(jī)制砂中適量的石粉可以完善機(jī)制砂的級配，增加混凝土的黏聚性而減少泌水尤其是內(nèi)泌水，由此密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)，改善界面過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)，從而提高抗折強(qiáng)度；但過量的石粉會(huì)以游離態(tài)的狀態(tài)出現(xiàn)在界面過渡區(qū)內(nèi)，引起漿體-集料黏結(jié)性能變差，降低抗折強(qiáng)度。

由圖6c)可見，隨石粉含量增加，機(jī)制砂混凝土彈性模量增大，與抗壓強(qiáng)度隨石粉含量的變化趨勢一致。與石粉含量3%時(shí)相比，石粉含量9%的機(jī)制砂混凝土7，28 d彈性模量分別增大了13.2%和11.1%。石粉含量對機(jī)制砂混凝土彈性模量的影響與兩方面作用有關(guān)：①石粉對混凝土抗壓強(qiáng)度的提高作用有助于增大彈性模量；②石粉含量的增加使得漿體體積增多，從而增大了漿體和集料的體積比，將降低混凝土彈性模量。本試驗(yàn)中機(jī)制砂混凝土彈性模量隨石粉含量增加而增大，說明當(dāng)花崗巖機(jī)制砂中石粉含量在9%以內(nèi)對彈性模量的影響以增強(qiáng)的正作用為主。

2.3 花崗巖機(jī)制砂黑云母含量對砂漿性能的影響

2.3.1黑云母含量對機(jī)制砂需水量比的影響

原狀花崗巖機(jī)制砂中的黑云母含量為1.2%。人為摻入從機(jī)制砂中揀出的黑云母，研究黑云母含量對機(jī)制砂需水量比的影響，試驗(yàn)用配合比及結(jié)果見表5。

表5 黑云母含量對花崗巖機(jī)制砂需水量比影響配合比

由表5可見，隨著機(jī)制砂中黑云母含量的增加，機(jī)制砂的MB值逐漸增大。黑云母含量為1.2%，3.0%，4.5%的機(jī)制砂其需水量比分別為108%，116%，127%，說明黑云母含量增加顯著提高了機(jī)制砂的需水性。這是因?yàn)楹谠颇付酁楸∑螤睿哂邢鄬^大的比表面積，浸潤單位比表面積需要更多的水分，因此機(jī)制砂需水量比增大[10]。

2.3.2黑云母含量對機(jī)制砂砂漿力學(xué)性能的影響

由于大量黑云母獲取較難，所以以機(jī)制砂砂漿代替混凝土為對象，研究黑云母含量對混凝土強(qiáng)度的影響，其結(jié)果見圖7。由圖7可見，黑云母含量在1.2%～4.5%之間的花崗巖機(jī)制砂砂漿7，28 d抗壓和抗折強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)砂砂漿，且隨著機(jī)制砂中黑云母含量增加，砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度逐步下降，黑云母含量4.5%的機(jī)制砂砂漿28 d抗壓強(qiáng)度相比黑云母含量1.2%時(shí)下降了16%，28 d抗折強(qiáng)度下降了8.5%。這是由于黑云母常以薄片狀態(tài)存在，具有較差的粒形和解理，導(dǎo)致黑云母顆粒與水泥漿基體之間的黏結(jié)強(qiáng)度降低，并在其四周生成膠結(jié)薄弱帶，使得機(jī)制砂砂漿內(nèi)部分布不均勻，當(dāng)黑云母含量增加時(shí)，局部缺陷區(qū)域會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象[11]，從而由局部區(qū)域破壞導(dǎo)致整體破壞，最終使得機(jī)制砂砂漿力學(xué)性能下降。因此，應(yīng)嚴(yán)格限制機(jī)制砂中云母含量。

圖7 黑云母含量對花崗巖機(jī)制砂砂漿強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

1) 隨著機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)從3.0降到2.3，C50混凝土達(dá)到同等工作性所需要的減水劑用量增大，力學(xué)性能呈先增后降趨勢，當(dāng)機(jī)制砂顆粒級配為2區(qū)、細(xì)度模數(shù)2.8時(shí)，C50混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到最大值，當(dāng)機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)降為2.3,0.3 mm篩孔以下顆粒過多時(shí)，混凝土的上述力學(xué)性能指標(biāo)顯著降低。

2) 隨著機(jī)制砂石粉含量從3%增加到9%，C50混凝土達(dá)到同等工作性所需的減水劑摻量增加，抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸增大，抗折強(qiáng)度呈先增后降趨勢，當(dāng)石粉含量5%時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。

3) 隨著花崗巖機(jī)制砂中黑云母含量從1.2%增加到4.5%，機(jī)制砂需水量比增加，機(jī)制砂砂漿7 d和28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度均下降，因此對機(jī)制砂中的黑云母含量應(yīng)予以嚴(yán)格限制。