特細骨料在混凝土中的應用探討

夏 勇 陳 哲 吳春麗 麥俊明 羅新東

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展及建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，推動了混凝土行業(yè)的飛速發(fā)展[1]，商品混凝土的需求量逐年增長，年產(chǎn)量如表1 所示。但是，砂、石、水泥等混凝土原材料的需求量也在不斷增加。資料顯示，2020 年我國水泥產(chǎn)量達到23.6 億噸，截止至2020 年11 月全國砂石產(chǎn)量約165 萬億噸。然而，經(jīng)過這些年的消耗，我國優(yōu)質(zhì)河砂越來越少，河砂資源短缺問題日益嚴重，解決河砂短缺問題已經(jīng)迫在眉睫。因此，尋找合適的細骨料置換混凝土中河砂是當前研究的重點方向之一。

表1 商品混凝土產(chǎn)量

現(xiàn)階段我國特細砂資源相對豐富，同時，我國還有大量的超細尾礦砂資源，若采用特細砂、超細尾礦砂作為細骨料制備混凝土可緩解河砂資源短缺問題。但是，特細砂、超細尾礦砂等特細骨料相較于河砂具有細度模數(shù)小、級配差等缺點，而且超細尾礦砂中有害物質(zhì)含量高，對混凝土的配制以及混凝土的性能影響較大。目前，國內(nèi)外眾多學者對特細骨料置換河砂配制混凝土展開了豐富的研究，本文將簡述砂率、骨料級配、特細砂摻量對混凝土配合比設(shè)計以及混凝土工作性能、力學性能和耐久性的影響。另一方面，本文開展了關(guān)于將三膜厚度理論運用于特細骨料混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計的可能性探討，為混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計時特細骨料摻量的選取提供參考作用，同時對超細多金屬礦尾礦砂配制混凝土進行了展望。

1 特細砂混凝土配合比設(shè)計

1.1 特細砂混凝土配合比設(shè)計影響因素

河砂作為混凝土中的細骨料，是混凝土材料的重要組成部分，主要作用為填充粗骨料間的空隙，其體積分數(shù)一般為骨料總體積的18%～49%[2]。研究表明細骨料的細度模數(shù)、顆粒級配、砂率等對混凝土的工作性能、力學性能、耐久性具有重要影響[3-11]。但是，相較于天然河砂，特細砂具有粒徑更小、細度模數(shù)小、顆粒級配差、比表面積大等特點，導致特細砂配制的混凝土容易出現(xiàn)泌水、離析等問題[12-15]。因此，研究人員進行了大量關(guān)于特細砂混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計影響因素的研究。

梁秋紅等[2,16,17]指出特細砂混凝土配合比設(shè)計應滿足“三低一高一摻”的要求，即低砂率、低膠凝材料量、低坍落度、外加高效減水劑和摻粉煤灰。沈曉鈞[15]發(fā)現(xiàn)減水劑用量與粉煤灰摻量之間存在交互關(guān)系，當粉煤灰摻量為10%～15%時，減水劑最佳用量為0.5%，粉煤灰摻量提高至20%～30%時，減水劑最佳用量為0.75%。Dan Ravina[18]試驗表明在特細砂混凝土中摻入適量粉煤灰可改善混凝土的和易性，過量摻入將導致和易性變差。

蒲心誠等[13]在進行特細砂混凝土配合比設(shè)計時，根據(jù)砂率計算公式得出特細砂混凝土的砂率為30%，并提出基本技術(shù)路線：硅酸鹽水泥+活性礦物摻合料+高效減水劑。其他研究人員分別采用當?shù)靥丶毶芭渲铺丶毶氨盟突炷?，盡管試驗結(jié)果顯示最佳砂率各不相同，但一致認為砂率設(shè)計值要盡量偏低[2,12,19]。

張武等[20]指出在混凝土中沒有規(guī)范使用特細砂將導致混凝土骨料級配較差，而摻入適量米粒石可改善骨料級配，有助于減少裂縫發(fā)生，提高混凝土的強度和耐久性；此外，有學者[21,22]將特細砂與粗砂進行混摻可得到級配合理的混合砂，這是由于兩者混摻能夠有效降低河砂中粗顆粒含量，提高細顆粒含量，優(yōu)化顆粒級配。

1.2 三膜厚度理論在特細骨料混凝土配合比設(shè)計中作用的探討

針對特細骨料混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計過程中特細骨料摻量的選取，本節(jié)將探討采用三膜厚度理論為特細骨料混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計提供參考作用的可行性。三膜厚度理論指水膜厚度、泥漿膜厚度和砂漿膜厚度，通過水測緊密值法測試固體材料的填充密度[23-25]，可理論量化出三膜厚度。此法綜合考慮了固體材料間的空隙、固體材料比表面積、剩余液體體積、剩余漿體體積等因素，已有研究表明三膜厚度與混凝土的工作性能、強度之間有良好的聯(lián)系[26-29]。水膜厚度、泥漿膜厚度和砂漿膜厚度的理論計算公式如下所示[26]：

式中：

T1——水膜厚度（單位：μm）；

T2——泥漿膜厚度（單位：μm）；

T3——砂漿膜厚度（單位：μm）；

W1——剩余液體體積（單位：mL）；

W2——剩余泥漿體積（單位：mL）；

W3——剩余砂漿體積（單位：mL）；

A1——膠凝材料、粗骨料、細骨料的總表面積（單位：m2）；

A2——粗骨料、細骨料的總表面積（單位：m2）；

A3——粗骨料的總表面積（單位：m2）；

V1——實際使用的液體體積（單位：mL）；

V2——實際使用的泥漿體積（單位：mL）；

V3——實際使用的砂漿體積（單位：mL）；

μ——空隙比率；

Pmax——固體材料填充密度；

Mw、Mc、Ms、Mg——水、膠凝材料、細骨料、粗骨料的質(zhì)量（單位：kg）；

ρw、ρc、ρs、ρg——水、膠凝材料、細骨料、粗骨料的密度（單位：kg/m3）；

Ac、As、Ag分別為膠凝材料、細骨料、粗骨料的比表面積（單位：m2/m3）。

水膜厚度表示膠凝材料、細骨料和粗骨料等固體顆粒表面包裹的液體平均厚度。由于特細砂具有顆粒粒徑小、比表面積大的特點，通過觀察公式⑴、⑷、⑺、⑻和⑾可發(fā)現(xiàn)，摻入特細砂一方面會增加固體材料的總表面積；另一方面，摻入特細砂有利于改善固體顆粒級配，提高填充密度，降低固體顆粒間空隙體積，增加了剩余水量。因此，水膜厚度與特細砂摻量并非是簡單的線性變化關(guān)系，換言之，在理論上存在最佳摻量使得水膜厚度值最大，表示在該摻量下固體顆粒表面附著的自由水含量最高，即混凝土流動性最佳。因此，通過計算水膜厚度理論推導出混凝土流動性最佳時的特細砂摻量，可為混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考作用。

泥漿膜厚度表示粗、細骨料顆粒表面包裹的水泥漿料平均厚度。利用特細砂置換河砂配制混凝土增加了細骨料的總表面積，觀察公式⑵、⑸、⑺、⑼和⑿可得，泥漿膜厚度有減小的趨勢；但是，摻入適量的特細砂優(yōu)化了骨料的顆粒級配，提高了骨料的填充密度，骨料間空隙體積減少，用于包裹骨料表面的剩余水泥漿料體積增加，在一定程度上提高了泥漿膜厚度。因此，與水膜厚度相似，在理論上存在最佳摻量使得泥漿膜厚度值最大，而較大的泥漿膜厚度對混凝土的工作性能、強度、耐久性等有明顯的影響[26-27]。所以，在特細骨料混凝土配合比設(shè)計過程中，通過理論推導泥漿膜厚度可為混凝土的優(yōu)化設(shè)計提供輔助參考作用。

砂漿膜厚度表示粗骨料顆粒表面包裹的砂漿平均厚度。由于利用特細砂置換河砂并未改變粗骨料的體積、總表面積，分析公式⑶、⑹、⑺、⑽和⒀可知，混凝土試樣的砂漿膜厚度并無明顯變化。

綜上所述，通過理論推導特細骨料混凝土試樣的三膜厚度為混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計提供參考作用具有可行性，但是，滿足工程實際要求的特細骨料摻量仍需經(jīng)過試驗測試得出。

2 特細砂對混凝土性能的影響

2.1 特細砂對混凝土工作性能的影響

新拌混凝土良好的工作性能有助于混凝土的泵送、澆筑等，而特細砂自身的特性以及適宜的砂率、特細砂摻量對混凝土的工作性能具有深遠影響。因此，科研工作者對此開展了廣泛的研究。

通過探索特細砂混凝土的配制技術(shù)，研究人員[13]發(fā)現(xiàn)特細砂混凝土與中砂混凝土相比，特細砂混凝土具有更佳的流動性，這是因為特細砂顆粒圓滑，在混凝土拌合物中發(fā)揮潤滑作用，加速混凝土中粗骨料的流動[30]。焦佳[2]采用邯鄲當?shù)靥丶毶芭渲苹炷?，試驗發(fā)現(xiàn)混凝土坍落度的主要影響因素為砂率，砂率控制為30%時較為合理。張云飛[12]試驗得出特細砂混凝土和易性達到最優(yōu)時不同強度等級混凝土中特細砂的最佳摻量如表2所示，鄧橋[31]發(fā)現(xiàn)當特細砂摻量達到50%時，混凝土和易性已經(jīng)完全不能滿足施工要求。

表2 不同強度等級的混凝土中特細砂最佳摻量

2.2 特細砂對混凝土力學性能的影響

混凝土力學性能包括抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度等，其中，特細砂摻量、砂率對混凝土力學性能具有顯著影響。因此，研究人員開展了關(guān)于特細砂摻量、砂率與混凝土力學性能之間的研究。

張帥[32]將黃河沿岸的特細砂與機制砂混合配制特細砂混凝土，特細砂摻量分別為0%、15%、30%、45%，通過測試特細砂混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜彈性模量，結(jié)果顯示抗壓強度、劈裂抗拉強度以及靜彈性模量均隨著特細砂摻量的增加先上升后下降，最優(yōu)摻量為15%。這其中主要原因是摻入特細砂降低了機制砂的細度模數(shù)，減小了骨料之間的空隙，提高了混凝土的密實度，強度增加，但摻量過高導致混合砂細度模數(shù)偏小，對強度產(chǎn)生不利影響。王健健[33]同樣選取黃河沿岸的特細砂與機制砂混合，系統(tǒng)研究了不同齡期下特細砂摻量對不同強度等級混凝土抗壓強度的影響，結(jié)果如表3 所示。張禹[34]研究了砂率對不同齡期特細砂混凝土試件抗壓強度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂率相差不大時，對混凝土28d 抗壓強度的影響較小，但是，較高的砂率有利于增強3d 抗壓強度。

表3 不同齡期、不同摻量對不同強度等級混凝土抗壓強度的影響

2.3 特細砂對混凝土耐久性的影響

混凝土耐久性通常包括碳化、凍融、氯離子侵蝕、滲透等，耐久性對混凝土結(jié)構(gòu)的安全可靠性能具有顯著影響。因此，研究人員分析了特細砂摻量、骨料級配以及砂率對混凝土耐久性的影響。

邢文杰[35]對黃河特細砂開展了關(guān)于特細砂混凝土耐久性的研究，結(jié)果表明特細砂摻量為15%時，混凝土碳化速度和氯離子侵蝕速度都最慢，而摻量在30%時，混凝土的抗凍性最佳，這是因為摻入特細砂改善了骨料級配以及試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，有效減少了大孔徑孔隙，使得孔隙的分布更佳合理[12]。

張延毅等[22]將特細砂與粗砂混摻配制混凝土并測試其滲透系數(shù)，結(jié)果顯示，特細砂摻量在25%～50%時滲透系數(shù)顯著下降，摻量大于50%時則無明顯變化，因為特細砂與粗砂混摻優(yōu)化了顆粒級配，用于填充砂間的水泥用量減少，導致用水量下降，減少了水分蒸發(fā)后形成的連通孔道，提高了混凝土抗?jié)B性能。另一方面，有學者研究了滲透系數(shù)與砂率之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)砂率由17%增加至21%時，滲透系數(shù)下降明顯，繼續(xù)提高至25%時，滲透系數(shù)無明顯變化[15]。

3 特細砂配制混凝土的經(jīng)濟效益

混凝土配合比設(shè)計應考慮工作性、強度、耐久性和經(jīng)濟性等指標，在脫離經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上設(shè)計高強高性能混凝土是不切合實際的。研究表明，利用特細砂配制的混凝土經(jīng)過配合比優(yōu)化設(shè)計后不僅可以滿足實際工程的需求，而且能夠節(jié)約成本，如表4 所示。因此，合理化利用特細砂以及其他特細骨料，例如超細尾礦砂，可達到節(jié)約資源、保護環(huán)境的目的以及具有良好的經(jīng)濟效應。

表4 特細砂混凝土的經(jīng)濟效益

4 結(jié)論與展望

將特細砂運用于混凝土中得到廣泛的研究，并且研究成果極其可觀，而超細多金屬礦尾礦砂與特細砂物化性質(zhì)有較多相似之處，理論上將其運用于混凝土中具有可行性。但是，超細多金屬礦尾礦砂作為金屬礦浮選過程中的固體廢棄物，具有成分復雜、種類繁多等特點，而且尾礦中可能殘留有害物質(zhì)，如果存在對人體有害的放射性元素或者硫化物含量超標則不能作為建筑材料使用，前者會影響人體健康，后者將影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性。因此，在使用前需對超細尾礦進行有害物質(zhì)含量檢測，使其必須符合我國環(huán)保和安全相關(guān)標準和規(guī)范。

由于特細骨料具有顆粒粒徑小、比表面積大、顆粒級配差等問題，特細骨料混凝土的配合比設(shè)計與普通混凝土的配合比設(shè)計具有較大差異，因此，特細骨料混凝土的配合比優(yōu)化設(shè)計則至為重要。本文提出并探討了三膜厚度理論在特細骨料混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計過程中的可行性，為特細骨料混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計提供新思路，但不同地區(qū)特細骨料的理化性質(zhì)各異，無法確定統(tǒng)一的設(shè)計標準，因而具體的配合比仍需根據(jù)試驗進行調(diào)整。

我國特細砂、超細多金屬礦尾礦砂等特細骨料資源相對豐富，將其置換河砂制備混凝土可緩解河砂資源短缺問題，而且采用當?shù)氐奶丶毠橇峡蓽p少運輸成本，節(jié)約資金；另一方面，超細多金屬礦尾礦砂作為固體廢棄物來制備混凝土可達到變廢為寶、保護環(huán)境的目的，為合理處置固體廢棄物提供新方向。因此，利用特細骨料制備混凝土將具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。