黑云母石英片巖機制砂的特性及混凝土配制研究*

董儉召，李北星，黃 安，呂敦祥

(1.中交路橋建設有限公司，北京 101121；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070)

0 引言

隨著我國基礎設施建設的快速發展，建設用砂需求量保持快速增長態勢，多年的開采使一些江河水域河砂資源儲量急劇下降。同時，受近年來生態保護及限采、禁采政策的制約，許多地區基本無砂可采，河砂質量日益下降，導致混凝土用砂供需矛盾突出。機制砂正在逐漸代替河砂成為建設用砂的主要來源。

十堰—巫溪高速公路項目地處鄂西北秦巴山脈東部，屬于典型的山區高速公路，建設用砂來源依賴鄖陽漢江河砂，不僅供應緊張，且受環水保影響，每年7—9月停采。另外，該漢江流域河砂以細砂為主，且質量波動大。為緩解十巫高速公路項目建設用砂，尤其是施工高峰期河砂資源嚴重短缺的問題，同時為資源化利用隧道開挖產生的大量洞渣，項目將隧道洞渣破碎加工成機制砂替代河砂用于混凝土工程。鄂西北秦巴山脈東部為國內典型的變質巖發育區，且變質巖巖性較弱、變質程度不一、巖石中礦物成分及含量不同[1]，項目沿線以黑云母石英片巖分布為主。

近年來，國內外圍繞機制砂巖性對混凝土性能的影響進行了一定研究[2-6]，結果表明，不同巖性的機制砂對混凝土工作性能及減水劑的適應性影響較大，對混凝土強度和耐久性也有一定影響。雖然關于機制砂混凝土的研究較多，但多局限于石灰巖、花崗巖、玄武巖、石英巖等常見巖性機制砂，對石英片巖機制砂石骨料的研究較少。杜曉凡等[7]對黑云母石英片巖機制粗、細骨料的物理性能、堿活性、云母含量及混凝土力學性能進行了研究，認為黑云母石英片巖可作為混凝土骨料；董海英等[8]對比研究了石英片巖與花崗巖2種骨料混凝土性能，發現采用石英片巖骨料混凝土的彈性模量低于同強度等級的花崗巖骨料混凝土，但極限拉伸值高于花崗巖骨料混凝土。

為研究鄂西北秦巴山脈東部廣泛分布的黑云母石英片巖加工的機制砂用于混凝土制備的可行性，本研究首先測定了該石英片巖機制砂的理化性能指標，研究了機制砂的亞甲藍(MB)值、膠砂需水量比及強度與其石粉含量的關系，并將該機制砂與當地細河砂摻配成混合砂用于配制C20，C30，C40強度等級的混凝土，研究石英片巖機制砂的摻配合比例對混凝土強度和干縮性能的影響，以期為低品位石英片巖機制砂在混凝土中的應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1)水泥 采用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，3，28d抗壓強度分別為28.0，47.5MPa，3，28d抗折強度分別為5.4，7.3MPa。

2)粉煤灰 采用F類Ⅱ級粉煤灰，比表面積為467m2/kg，細度(45μm篩余)為22.4%，需水量比為100%，28d活性指數為89%。

3)碎石 采用5.0～31.5mm石灰巖碎石，由5～10mm，10～20mm和16～31.5mm 3個粒級級配組成，搭配比例為20%，50%，30%。碎石壓碎值為18.9%，含泥量為0.6%，針片狀顆粒含量為3%。

4)河砂 采用漢江河砂，細度模數為2.2，表觀密度為2.700g/cm3，堆積密度為1.592g/cm3，空隙率為41.0%，含泥量為1.8%，堿活性為0.07%(快速堿-硅酸反應膨脹率)，級配曲線如圖1a所示。該河砂屬于細砂，3區級配。

圖1 細骨料顆粒級配曲線

5)機制砂 十巫高速公路SWBY-2標項目采用砂石干法聯產工藝生產的黑云母石英片巖機制砂，其細度模數為2.9，表觀密度為2.514g/cm3，堆積密度為1.520g/cm3，空隙率為39.5%，壓碎指標為31.5%，亞甲藍MB值為3.85g/kg，石粉含量為12.1%，堿活性為0.08%，級配曲線如圖1b所示。從細度模數和級配曲線來看，該機制砂屬于中砂，其中2.36mm篩孔累計篩余為37.1%，超出2區砂累計篩余25%的上限范圍，其他篩孔的累計篩余符合2區砂級配要求。

6)外加劑 采用聚羧酸高效減水劑，減水劑固含量為15.75%，減水率為21.5%。

1.2 混凝土配合比

考慮到石英片巖機制砂的壓碎指標、MB值和石粉含量3個關鍵指標超標，且機制砂中2.36mm篩孔的累計篩余超標，本研究采用機制砂與細河砂摻配，探討混合砂配制C20，C30，C40強度等級混凝土的可行性，混凝土配合比如表1所示。試驗中，C20，C30混合砂混凝土中的機制砂與河砂摻配比例從40∶60逐步遞增到70∶30，C40混合砂混凝土的機制砂與河砂摻配比例從30∶70逐步遞增到60∶40。

表1 混合砂配制不同強度等級混凝土配合比

為了對比，進行1組純河砂混凝土和2組不同石粉含量純機制砂混凝土的配制。另外，為了凸顯機制砂與河砂摻配比例、石粉含量對混凝土性能的影響，強度等級相同的混凝土試驗組，其膠材組成與用量、砂率和水膠比等配合比參數相同，混合砂摻配比例和石粉含量變化引起的混凝土流動性變化通過減水劑用量調整，使所有混凝土流動性基本保持一致，即坍落度180～220mm、擴展度450～520mm。

1.3 試驗方法

1)機制砂理化性能 依據GB/T 14684—2011《建設用砂》進行測定，其中制取不同石粉含量的機制砂時，將機制砂中的石粉用0.075mm方孔篩全部篩出，再以3%，5%，7%，10%的含量摻入機制砂中。

2)機制砂需水量比 依據DB36/T 1153—2019《公路水運工程混凝土用機制砂生產與應用技術規程》附錄B機制砂需水量比試驗方法進行，膠砂配合比如表2所示。機制砂需水量比計算如下：

(1)

式中：X為機制砂需水量比，精確至1%；Mw為試驗膠砂流動度達到對比膠砂流動度L0±2mm時的加水量(g)；對比膠砂的加水量為225g。

3)機制砂膠砂強度 參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行。試驗用膠砂配合比為：水泥∶機制砂∶水=1∶3∶0.5。當機制砂中石粉含量變化時，通過調整減水劑用量控制膠砂流動度基本相同((180±10)mm)。

表2 機制砂需水量比與試驗配合比

4)混凝土抗壓強度 參照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試，試件尺寸為150mm×150mm×150mm。

5)混凝土干燥收縮 參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試。試驗采用接觸法進行，試件尺寸為100mm×100mm×515mm，混凝土成型時預先在試件兩端中心預埋測頭。試件標準養護3d后開始干縮試驗，干縮室溫度為(20±2)℃，相對濕度為(60±5)%，干縮至90d齡期結束試驗。

2 試驗結果分析

2.1 機制砂的理化性能

黑云母石英片巖機制砂的化學成分為SiO260.98%，Al2O316.16%，Fe2O35.99%，CaO 3.85%，MgO 3.19%，TiO20.70%，Na2O 3.21%，K2O 3.0%，MnO 0.14%，P2O50.14%，SO30.11%，元素損失2.40%；主要成分為SiO2和Al2O3，二者含量之和超過75%。由巖相分析可知，該機制砂母巖呈鱗片變晶結構，片狀構造，主要礦物組成為石英(含量約82%)、黑云母(約12%)、綠簾石(約5%)，其他不透明礦物等含量約1%，且不含堿活性礦物，典型巖相結構如圖2所示。

圖2 黑云母石英片巖碎石典型顯微結構

黑云母石英片巖機制砂X-射線衍射(XRD)圖譜如圖3所示。由圖3可知，黑云母石英片巖機制砂的主要礦相有石英、鈉長石、黑云母、綠泥石。

圖3 黑云母石英片巖機制砂XRD圖譜

根據機制砂的主要物理力學性能指標，對照JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》中II，III類機制砂的技術要求，可發現該機制砂具有高壓碎指標、高MB值和高石粉含量特性，其壓碎指標為31.5%，略超過III類機制砂要求的30%；MB值遠超1.4g/kg，且石粉含量為12.1%，遠超III類機制砂要求的5%石粉含量限值(當MB值>1.4g/kg時)，因此可判定該機制砂屬于不合格品，按現行規范要求不能用于混凝土。

2.2 石粉含量對機制砂吸附性能的影響

石粉含量對機制砂MB值的影響如圖4所示。由圖4可知，石粉含量為0%時，MB值為1.0g/kg，遠大于其他作者測試的石灰巖、大理巖、花崗巖、片麻巖、玄武巖、石英巖、砂巖等巖性的機制砂本底MB值(0.15～0.42g/kg)[9]。分析原因可能是該石英片巖中含有綠泥石、黑云母和長石等層狀鋁硅酸鹽礦物，尤其綠泥石是一種特殊的2∶1型含水層狀鋁硅酸鹽礦物，其物理吸附和陽離子交換吸附較強[10-11]；另外，隨著石粉含量的增多，機制砂MB值大幅度提高，石粉含量為3%，10%的MB值較石粉含量0%時增加了35%，220%，說明該石英片巖石粉含量變化對機制砂MB值影響較大，這與已有文獻[10,12,13]關于純凈石粉對MB值貢獻不大的結論相悖。為此，參照美國AASHTO T330—07標準[14]測定該石粉的亞甲藍(MB)值為15g/kg，對照AASHTO T330—07[14]將石粉品質分為良好、勉強可接受、存在或可能存在問題、不合格4級要求，該石英片巖石粉可判定為存在或可能存在問題。上述結果表明，本研究的石英片巖機制砂不僅本底吸附性較高，且其石粉的吸附性也很高，屬于高吸附性機制砂。根據圖4中機制砂MB值與石粉含量的數學關系式可推測，當機制砂石粉含量為2.5%時，其MB值就達1.4g/kg。根據《建設用砂》要求，對于MB值大于1.4 g/kg的機制砂，其石粉含量應控制在3%(II類砂)、5%(III類砂)以內。

圖4 石粉含量對機制砂MB值的影響

2.3 石粉含量對機制砂膠砂需水量比和強度的影響

機制砂的需水性能直接影響混凝土的流動性能，間接影響混凝土的強度和耐久性。機制砂的需水性與其巖性、吸水率、石粉含量、石粉吸附性、粒形、細度模數和顆粒級配等有關。本試驗采用需水量比來表征機制砂的需水性能，石粉含量對機制砂膠砂需水量比的影響如圖5所示。由圖5可知，機制砂膠砂需水量比隨石粉含量的增加呈線性增加趨勢；石粉含量3%，10%時的需水量比分別為126.7%，151.1%，相比石粉含量0%時的需水量比分別增加了11.7%，36.1%，增長幅度較大。這是由于該石粉的MB值高達15g/kg，對水的吸附性很強，其膠砂達到相同流動度所需用水量自然就高。

圖5 石粉含量對機制砂膠砂需水量比的影響

石粉含量對機制砂膠砂強度的影響如圖6所示。由圖6可知，隨著機制砂中石粉含量的增加，膠砂3，28d的抗壓、抗折強度均呈先增加后降低的趨勢，當石粉含量超過最佳值3%后，則膠砂強度顯著降低，機制砂石粉含量為5%時的膠砂28d抗壓、抗折強度較石粉含量3%時分別降低12.0%，6.8%。機制砂中含有適量的石粉，可起到微細骨料填充作用，使膠砂的孔結構細化并改善界面過渡區，從而提高強度。但由于本研究的石粉巖性是黑云母石英片巖，礦物組成中含有較多黑云母、綠泥石等層狀鋁硅酸鹽礦物，黑云母呈薄片狀，其表面光滑，因此與水泥漿的黏結性差[15]；而綠泥石是一種黏土礦物，不僅自身強度較低、無水化活性，且能延緩水泥的水化，并通過包裹在骨料表面而妨礙骨料與水泥石間的黏結，形成軟弱的界面過渡區[16]，上述兩方面共同導致黑云母石英片巖石粉含量較高的機制砂膠砂強度降低，且其強度最佳的石粉含量也遠低于常規的石灰巖、花崗巖機制砂砂漿強度10%左右的最佳石粉含量[17-19]。

圖6 石粉含量對機制砂膠砂強度的影響

2.4 機制砂與河砂混合比例對混凝土工作性能能和強度的影響

本研究通過外加劑摻量高低間接反映混凝土的需水量大小或工作性能高低。由表1可知，隨著混合砂中機制砂摻配比例的上升和石粉含量的增加，混凝土達到相同工作性能所需的減水劑摻量上升，尤其是機制砂摻配比例超過70%后，減水劑摻量大幅度增長。機制砂摻配比例為50%的C20，C30，C40混合砂混凝土(M50R50)減水劑摻量分別為1.6%，1.4%，1.36%，是對應河砂混凝土(M0R100)減水劑摻量的2.1倍、1.6倍和1.7倍，而C20，C30機制砂混凝土M100R0減水劑摻量分別達到了3.6%，3.4%，是相應河砂混凝土M0R100減水劑摻量的4.6倍、3.8倍。機制砂或混合砂混凝土較河砂混凝土的減水劑需求量增大較多主要與黑云母石英片巖機制砂的石粉含量大及吸附性高有關。具體而言，由于石粉比表面積遠大于機制砂和河砂顆粒，隨著機制砂摻配比例的增大，石粉含量增多，包裹其所需的用水量增多，且黑云母石英片巖石粉吸附性強，說明該石粉對減水劑和拌合水具有很高的吸附性，由此降低了減水劑和水對水泥的分散性，從而需要額外加入更多的減水劑。表1中石粉含量降為5%，3%配制的C20，C30改性機制砂混凝土MM100R0減水劑摻量是石粉含量12.1%的原狀機制砂混凝土M100R0減水劑摻量的50%，62%，證明該石粉的高吸附性對機制砂混凝土工作性能有嚴重的有害影響。

機制砂和河砂摻配比例對不同強度等級混合砂混凝土強度的影響如圖7所示。由圖7可知，隨著混合砂中機制砂比例的逐漸上升，3個強度等級的混凝土7，28d抗壓強度均逐漸下降。C20，C30河砂混凝土M0R100 28d抗壓強度分別為33.8，44.1MPa，而C20，C30機制砂混凝土M100R0 28d抗壓強度僅為24.8，30.3MPa，分別降低26.6%，31.3%。考慮到上述M100R0機制砂石粉含量12.1%超標較多，將機制砂中的石粉含量篩至標準要求的5.0%，3.0%上限值，再分別配制C20，C30改性機制砂混凝土，可以看到：石粉含量降低后的C20，C30改性機制砂混凝土MM100R0 28d抗壓強度增至28.8，36.8MPa，與M60R40混合砂混凝土的抗壓強度基本相當，不過還是較C20，C30河砂混凝土M0R100 28d抗壓強度降低14.8%，16.6%。對于C40混凝土而言，與河砂混凝土M0R100相比，M60R40混合砂混凝土28d抗壓強度下降了21.6%，石粉含量降至3.0%后配制的改性機制砂混凝土MM100R0 28d抗壓強度下降了24.5%。

圖7 機制砂與河砂摻配比例對不同強度等級混合砂混凝土強度的影響

就C20，C30和C40混合砂混凝土28d抗壓強度而言，當混合砂中機制砂的摻比為60%，50%和40%時，其28d抗壓強度分別為28.3，38.8，48.9MPa，滿足相應強度等級混凝土28d配制強度要求，即本試驗條件下配制C20，C30和C40混合砂混凝土的機制砂摻配最大比例分別為60%，50%和40%，隨著混凝土強度等級的提高，混合砂中機制砂摻配比例下降。

2.5 機制砂與河砂摻配比例對C30混凝土干縮的影響

機制砂摻配比例對C30混合砂混凝土干縮的影響如圖8所示。由圖8可知，6組混凝土的干縮率均隨齡期的延長逐漸增大，尤其是在前14d齡期干縮率呈快速增長趨勢，此后干縮增速有所減緩，當齡期達60d后，干縮率增長變得非常平緩。隨著混合砂中機制砂摻配比例的增大，同齡期的混凝土干縮率逐漸增大。機制砂混凝土M100R0、混合砂混凝土M50R50的90d干縮率分別為797.6×10-6，634.8×10-6，較河砂混凝土M0R100分別增加84.6%，46.9%。機制砂混凝土干縮較河砂混凝土偏大的原因主要為：①機制砂顆粒的壓碎指標偏高，表明該機制砂顆粒強度低，對漿體收縮的限制作用減弱；②機制砂中的石粉增大了混凝土中的漿體體積，同時本研究的石粉中含有綠泥石、黑云母等黏土或類黏土礦物，吸附性高，在混凝土拌合過程中這些黏土礦物先吸附大量自由水而體積膨脹，在干燥過程自由水蒸發后使混凝土體積收縮[20]。因此，該機制砂在使用時，應嚴格限制石粉含量。

3 結語

1)黑云母石英片巖機制砂不具有堿活性，但其壓碎指標、MB值和石粉含量3個指標均超過標準要求。隨著機制砂中石粉含量的增加，其MB值和膠砂需水量比顯著增大，膠砂強度在石粉含量超過3%后逐步降低。該機制砂含有綠泥石和黑云母等黏土或類黏土層狀鋁硅酸鹽礦物，是其具有高吸附性的主要原因。

2)黑云母石英片巖機制砂不應直接用于混凝土的配制。采用石粉含量12.1%的原狀黑云母石英片巖機制砂配制的C20，C30混凝土減水劑摻量是河砂混凝土減水劑摻量的4.6倍和3.8倍，28d抗壓強度降低26.6%，31.3%。石粉含量篩至標準要求的5%，3%上限值后，改性機制砂混凝土減水劑摻量顯著降低，抗壓強度也有不同程度增高。

3)采用黑云母石英片巖機制砂與河砂混合可配制出C20，C30，C40強度等級的混合砂混凝土。隨著混合砂中機制砂摻配比例的增大，混凝土達到同等工作性能的減水劑摻量明顯增大，混凝土7d和28d抗壓強度逐漸下降，干縮顯著增大。對于C20，C30，C40混凝土，機制砂在混合砂中所占比例應分別不超過60%，50%，40%。