人工砂泥粉對混凝土性能不利影響分析

李 家 正，龔 德 新，林 育 強，李 楊

(長江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，湖北 武漢 430010)

0 引 言

近年來，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用砂需求的增大，天然砂的產(chǎn)量和品質(zhì)不斷下降，成本提高。人工砂作為天然砂的替代材料，逐漸得到了廣泛使用。人工砂生產(chǎn)過程中，由于其開采母巖的表層土、巖石夾層土、軟弱夾層和巖石裂隙中的沉積泥質(zhì)無法徹底清除，或者由于巖石風(fēng)化程度較高，生產(chǎn)的人工砂中不可避免地含有泥粉，其與破碎母巖時產(chǎn)生的石粉混在一起組成人工砂中粒徑為0.075 mm以下的微粒。許多工程中人工砂的泥粉未能得到有效控制，但混凝土對砂石的要求越來越高，特別是高強和高性能混凝土對骨料的要求特別嚴格[1-3]。

由于石粉和泥粉的礦物組成和特性存在差異，對混凝土性能的影響也就顯著不同。石粉的礦物組成和特性與被加工的母巖相同，而泥粉與來源于純凈人工砂母巖的石粉有著本質(zhì)的區(qū)別，成分復(fù)雜，主要是由軟質(zhì)、風(fēng)化的巖石顆粒轉(zhuǎn)化成的黏土顆粒(按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)下文簡稱黏粒)，成分主要是鋁硅酸鹽、鎂硅酸鹽和鐵硅酸鹽等，有疏松多孔的層狀結(jié)構(gòu)。黏土礦物基本結(jié)構(gòu)單元包括硅氧四面體和鋁八面體，層間以弱分子鍵連接，黏粒在微觀層面上存在大量孔隙，大大增加了其比表面積。一般情況下黏粒表面會電離Al3+離子而使其表面帶負電[4-8]，對混凝土性能產(chǎn)生如下的影響：① 黏粒的粒徑較細，對微細顆粒級配和微結(jié)構(gòu)具有改善作用，可能起到微集料效應(yīng)，對混凝土內(nèi)部孔隙有一定的填充作用，能提高混凝土的密實度[4-5]；② 黏粒為疏松多孔的層狀結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積，吸附能力強，其含量的增加會增大混凝土的拌和用水量或外加劑用量，對聚羧酸減水劑的效能有較大的負作用，且阻礙水泥的正常水化反應(yīng)；③ 黏粒吸水飽脹后會產(chǎn)生膨脹、松軟等現(xiàn)象，在混凝土中形成強度薄弱區(qū)，影響水泥漿體與骨料的膠結(jié)作用，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)性變差，密實度和強度降低，從而影響人工砂混凝土的力學(xué)性能、干縮性能和耐久性能等[9-12]。

準(zhǔn)確評價人工砂中泥土對混凝土性能的不利影響，需準(zhǔn)確表征人工砂含泥量和所含黏土礦物類型。但存在兩方面難題：① 人工砂中泥粉和石粉相互混雜，很難完全徹底地分離并直接準(zhǔn)確地測試其中的含泥量；② 泥粉中黏土礦物組成差異很大，導(dǎo)致人工砂含量相同、黏土礦物不同的泥粉對混凝土的影響卻不同，不能簡單用含泥量來表征人工砂泥土對混凝土性能的影響。GB/T 14684-2011《建設(shè)用砂》、SL/T 352-2020《水工混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定：采用亞甲基藍試驗測試一定量的人工砂懸濁液中所能吸附1%濃度的亞甲基藍溶液的體積，并經(jīng)換算得出人工砂的亞甲基藍值(Methylene Blue Value，MB值)，單位為g/kg(下文略去單位)。因此，可以使用MB值來表征人工砂中的含泥量。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)普遍認為只有人工砂含石粉，天然砂含泥粉，故僅對天然砂含泥量的限值有規(guī)定，而未對人工砂含泥量的限值加以規(guī)定。在水利工程領(lǐng)域沒有人工砂MB值限制的強制性標(biāo)準(zhǔn)，僅規(guī)定MB值不大于1.4時，判定人工砂中的微粒以石粉為主；MB值大于1.4時，判定人工砂中的微粒以黏土為主。GB/T 14684-2011《建設(shè)用砂》、JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中對不同級配類別人工砂MB值有明確規(guī)定：在級配類別為Ⅰ時，MB值不大于0.5；級配類別為Ⅱ時，MB值不大于1.0；級配類別為Ⅲ時，MB值不大于1.4或快速檢測合格。基于此，本文梳理了已有文獻中使用固定配合比配制不同含泥量或亞甲基藍值(Methylene Blue Value，簡稱MB值)的人工砂混凝土，從混凝土強度、彈性模量、干燥收縮性能、耐久性4方面分析總結(jié)了混凝土性能受人工砂泥粉的影響規(guī)律。

1 人工砂泥粉對混凝土強度的影響機理及規(guī)律

人工砂泥粉中的黏粒對混凝土強度影響主要表現(xiàn)為：① 黏粒對水的吸附作用增大了混凝土界面過渡區(qū)水灰比；② 泥粉不具有水化活性，包裹砂粒，阻礙砂與水泥基材黏結(jié)、水泥水化，形成強度薄弱區(qū)域，降低了砂和水泥基黏結(jié)力；③ 泥粉濕脹干縮會在水泥石內(nèi)部形成空隙或削弱界面黏結(jié)；④ 當(dāng)含泥量較少時，反而因其微集料的作用使混凝土的強度略微提升；⑤ 當(dāng)含泥量超過臨界值時，泥粉吸附大量的外加劑和自由水，水分揮發(fā)后在其周圍形成了孔隙，使混凝土孔隙率增大，增大了與周圍孔隙連通的幾率，最終影響硬化后混凝土的強度[13-20]。

1.1 人工砂MB值對相同膠凝材料用量的混凝土抗壓強度的影響

王冀忠等[21]試驗用的混凝土膠凝材料用量固定，工作性能基本一致。當(dāng)MB值小于1.2時，混凝土抗壓強度變化很小，變化強度范圍在1.0～1.6 MPa；當(dāng)MB值大于1.2時，混凝土的強度持續(xù)降低，MB值對混凝土強度影響較大。隨著MB值增大，混凝土強度值降幅加大(見圖1)。

圖1 相同膠凝材料用量下MB值與混凝土抗壓強度(28 d)的關(guān)系[21]Fig.1 The relationship between MB value and 28 d compressive strength of concrete under the same binding material dosage

1.2 人工砂含泥量對不同強度等級混凝土抗壓強度的影響

混凝土強度等級越高，其抗壓強度受人工砂含泥量的影響越大。高強度等級混凝土的水泥石強度高，水灰比小，泥土?xí)诨炷林行纬杀∪鯀^(qū)域，影響水泥石與混凝土的界面的黏接，同時吸附水而增大界面過渡區(qū)的水灰比，造成隨含泥量的增加其抗壓強度降低的趨勢[22-23]。

杜毅[23]配制了C20，C30，C40，C50共4組強度等級的混凝土，分別測試含泥量為0.5%～3.0%的共6組人工砂混凝土抗壓強度，研究不同強度等級混凝土抗壓強度受含泥量影響的差異性。研究發(fā)現(xiàn)，隨著砂含泥量增加，混凝土抗壓強度下降，且隨混凝土強度等級的增大這種下降趨勢增加(見圖2)。因該研究未指明泥中的黏土礦物特性，其規(guī)律不具備普遍指導(dǎo)意義。

圖2 含泥量與不同強度等級混凝抗壓強度之間的關(guān)系[23]Fig.2 The relationship between the soil content and the compressive strength of concrete with different strength grades

宋軍超等[14]采用5組不同含泥量(1%，2%，3%，4%和5%)的人工砂配制混凝土，測試各組混凝土抗壓強度。研究發(fā)現(xiàn)：對于低強度等級(C25、C30)混凝土，含泥量在0%～2%時，其抗壓強度有略微升高后下降的趨勢，當(dāng)含泥量超過3%時其抗壓強度略微降低；而中高強度混凝土(C40、C50)的抗壓強度受含泥量的影響作用比較明顯，隨著含泥量的增加，其抗壓強度呈持續(xù)降低趨勢，當(dāng)含泥量超過5%時，其28 d抗壓強度達不到設(shè)計要求(見圖3)。

圖3 含泥量與不同強度等級混凝土28 d抗壓強度之間的關(guān)系[14]Fig.3 The relationship between soil content and 28 d compressive strength of concrete with different strength grades

王稷良等[24]對于人工砂MB值對低強度等級混凝土的抗壓強度影響規(guī)律相似：適當(dāng)?shù)腗B值可以改善新拌混凝土的保水性及自由水在粗集料表面富集的狀況，提高硬化混凝土界面過渡區(qū)性能，在一定程度上改善了混凝土的力學(xué)性能。

1.3 人工砂含泥量對混凝土抗壓強度發(fā)展的影響

于濤等[15]將從試驗砂中篩洗出來的泥土進行烘干處理，將水洗砂的含泥量從1.25%以1%遞增的方式內(nèi)摻取代試驗用砂，采用常用的C30、C40混凝土進行試驗。試驗中的C30混凝土選用兩種聚羧酸外加劑，對比研究它們對混凝土抗壓強度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，使用C、D兩家廠聚羧酸外加劑的混凝土其抗壓強度隨人工砂含泥量在1.25%～6.25%范圍內(nèi)并沒有明顯的下降；當(dāng)含泥量大于6.25%時，混凝土28 d抗壓強度開始下降。當(dāng)含泥量超過7.25%以后，混凝土的28 d抗壓強度下降較大，如圖4所示。

圖4 含泥量與不同齡期混凝土抗壓強度的關(guān)系[15]Fig.4 The relationship between the soil content and compressive strength of concrete at different ages

陳妙福[25]研究發(fā)現(xiàn)：隨著人工砂MB值的增加，混凝土3 d抗壓強度出現(xiàn)不同程度的降低，7 d和28 d抗壓強度先增加后降低，在MB值為1.4時抗壓強度達到最大值(見圖5)。

圖5 MB值與不同齡期混凝土抗壓強度的關(guān)系[25]Fig.5 The relationship between the MB value and compressive strength of the concrete at different ages

1.4 人工砂含泥量對混凝土抗拉強度的影響

王志軍[26]采用0.45，0.50兩組水膠比和5種含泥量(3.0%，5.0%，7.0%，9.0%，11.0%)的人工砂配制共10種不同組合的混凝土進行抗拉強度試驗。研究發(fā)現(xiàn)：混凝土抗拉強度隨著人工砂含泥量的增大而持續(xù)降低。兩組不同水灰比的情況下，含泥量對混凝土強度的影響規(guī)律基本一致，如圖6所示。

圖6 含泥量與抗拉強度關(guān)系[26]Fig.6 The relationship between soil content and tensile strength

對比分析以上研究成果發(fā)現(xiàn)：① 隨著人工砂含泥量的增加，C30，C40，C50混凝土強度總體皆呈下降趨勢，但下降的程度有較大差別。這可能是因為人工砂使用了含有不同黏土礦物類型的泥土，雖然含量相同，但MB值不同，對混凝土強度的影響程度也不同。② 在研究不同齡期混凝土抗壓強度受泥土的影響時，于濤等[15]使用了含泥量這一指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)含泥量在1.25%～6.25%之間時，混凝土抗壓強度并沒有明顯下降。而陳妙福[25]使用的是人工砂MB值這一指標(biāo)，混凝土抗壓強度在人工砂MB值為1.2～2.8范圍內(nèi)下降的趨勢明顯。原因在于，于濤等使用的泥土主要成分是非膨脹性黏土，人工砂含泥量在1.25%～6.25%之間時，其MB值較小，對混凝土抗壓強度的影響也較小。以上結(jié)論進一步驗證了使用MB值來綜合表征人工砂中泥土對混凝土性能影響更合適。

關(guān)于人工砂含泥量對低強度等級混凝土抗壓強度影響，各位學(xué)者的結(jié)論相似，即在MB值或含泥量較小時，混凝土的抗壓強度有一個小幅上升趨勢，這是由于泥在混凝土中的微細集料填充作用略微提高了其抗壓強度。

2 人工砂泥粉對混凝土彈性模量的影響

由于人工砂MB值小于1.85時，含泥量不大，混凝土彈性模量受到的影響不大，彈性模量隨MB值增加呈先略微增長后下降的趨勢；當(dāng)MB值大于1.85以后，含泥量的提高阻礙了水泥的正常水化，降低了水泥石的強度，從而導(dǎo)致了混凝土彈性模量的降低[27]。

李北星等[28]固定混凝土基準(zhǔn)配合比和外加劑摻量，人工砂中粒徑小于75 μm的顆粒含量固定為7%(即石粉和泥含量之和)，通過增加人工砂中3種不同礦物特性的黏土，逐步增加MB值，研究不同人工砂MB值對混凝土性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：人工砂MB值不大于1.80時，隨著MB值的增大，混凝土的彈性模量幾乎沒有變化；但當(dāng)MB值達到2.15時，混凝土的彈性模量開始降低。

夏京亮等[29]將泥與石粉含量之和固定為7%，含泥量從0按1%等差增加至6%，得到7組不同含泥量的人工砂，試制C30、C40兩組不同強度等級的混凝土，組內(nèi)的配合比、用水量等固定不變，分別測試各自性能。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)人工砂MB值增加時，C40混凝土28 d彈性模量逐漸下降，從MB值為0.35時的43.6 GPa減小至MB值為2.45時的39.1 GPa，降幅為10.32%；對于C30混凝土，當(dāng)含泥量在5%以內(nèi)時，彈模下降趨勢較平穩(wěn)，一旦含泥量含量達到6%，28 d彈模出現(xiàn)驟降，從MB值為0.35時42.1 GPa降低到MB值為2.45時的38.2 GPa，降幅為9.26%，如圖7所示。

圖7 MB值對C30、C40混凝土抗壓強度和彈性模量的影響[29]Fig.7 The influence of MB value on the compressive strength and elastic modulus of C30，C40 concrete

王志軍[26]研究發(fā)現(xiàn)：混凝土的抗壓彈性模量隨著人工砂含泥量的增加而持續(xù)下降，當(dāng)砂中含泥量超出7%以后變化更為明顯，如圖8所示。

圖8 含泥量與抗壓彈性模量的關(guān)系[26]Fig.8 The relationship between the soil content and the compressive elastic modulus

對比以上分析發(fā)現(xiàn)，李北星等[28]與夏京亮等[29]的研究規(guī)律比較一致，即當(dāng)人工砂MB值大于2.1或含泥量大于6%時，混凝土的彈性模量有顯著的下降趨勢。而由于王志軍[26]使用了人工砂含泥量這一指標(biāo)，無對應(yīng)的MB值，得出含泥量大于7%時混凝土彈性模量明顯降低。由于人工砂含泥量與MB值存在相關(guān)性，故人工砂MB值和含泥量對混凝土彈性模量的影響基本一致。

3 人工砂泥粉對混凝土干燥收縮性能的影響

隨著人工砂MB值的增大，混凝土的干縮率無論是早期還是后期都有明顯增加。泥土在混凝土中吸附大量拌和水，造成如下兩方面的影響：① 當(dāng)混凝土處于干燥環(huán)境，隨著表面水分的不斷揮發(fā)損失，混凝土內(nèi)部水向外遷移，內(nèi)部相對濕度降低，原來吸附于泥土顆粒空隙中的水由于擴散作用被釋放，混凝土的干燥收縮增大。② 隨著MB值增大，混凝土達到固定工作性所需的用水量增加以致水灰比的增大，高效減水劑用量的增加，加之泥土自身濕脹干縮的特性導(dǎo)致水泥砂漿干燥收縮的增大[28，30-32]。

3.1 人工砂MB值對不同強度等級混凝土干燥收縮的影響

杜毅[23]研究發(fā)現(xiàn)：隨著人工砂含泥量的增加，混凝土干燥收縮率增大，且對高強度等級混凝土干燥收縮率的影響大于低強度等級混凝土。在含泥量達3%以上時，混凝土的干燥收縮值呈明顯增加的趨勢，如圖9所示。

圖9 含泥量與混凝土干燥收縮率的關(guān)系[23]Fig.9 The relationship between soil content and dry shrinkage ratio of concrete

3.2 人工砂MB值對不同齡期混凝土干燥收縮的影響

李北星等[28]研究發(fā)現(xiàn)：隨著人工砂MB值的增大，特別是在MB值超過1.45后，混凝土的干縮率在各齡期均有一定增加，如圖10所示。

圖10 MB值對混凝土干燥收縮率的影響[28]Fig.10 The relationship between MB value and dry shrinkage ratio of concrete

3.3 人工砂MB值對砂漿干燥收縮終值的影響

胡兵等[33]采用0.32的水膠比、0.5的膠砂比、1.5%的減水劑摻量、4種不同MB值的人工砂配制砂漿進行干燥收縮試驗，結(jié)果表明：砂漿干燥收縮終值隨MB值呈線性增加的關(guān)系，如圖11所示。砂漿干燥收縮率受人工砂含泥量的影響，但本質(zhì)上是受MB值的影響，MB值更能準(zhǔn)確反映泥土對砂漿收縮的影響。

圖11 MB值與砂漿干燥收縮終值的關(guān)系[33]Fig.11 The relationship between MB value and final dry shrinkage value of mortar

對比以上研究發(fā)現(xiàn)，杜毅與李北星試驗結(jié)果中的混凝土干燥收縮率存在較大的差異。可能的原因包括：① 混凝土強度等級不同；② 齡期不同。相比之下，胡兵設(shè)計的試驗由于砂漿的骨料更加均勻，其試件干燥收縮率終值的變化規(guī)律更具有穩(wěn)定性，研究結(jié)果更接近客觀規(guī)律。

4 人工砂泥粉對混凝土耐久性的影響

在環(huán)境作用下，材料的變化會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能隨時間不斷劣化。混凝土耐久性是指在環(huán)境的各種不利影響下，能夠長期保持其良好的使用性能和外觀完整性，從而維持混凝土結(jié)構(gòu)的安全、正常使用的能力。其衡量指標(biāo)主要包括：抗凍性能、抗?jié)B性能和抗碳化能力。含有泥粉的混凝土結(jié)構(gòu)較為疏松，并且其內(nèi)部微裂紋以及空隙數(shù)量均相對較大，混凝土內(nèi)部缺陷的增多必然會對其抗?jié)B性、抗裂性及抗凍性造成不利影響[34-35]。

4.1 人工砂含泥量對混凝土抗凍性能的影響

水灰比和飽水度是決定混凝土抗凍性能的關(guān)鍵因素，混凝土中泥土的濕脹干縮會形成毛細孔和微裂紋，在飽水環(huán)境下會提高混凝土飽水度，加劇凍融破壞作用，導(dǎo)致抗凍性能降低。泥粉的吸水膨脹、失水收縮作用導(dǎo)致混凝土密實度降低，開口空隙增多，在凍融循環(huán)中由于存在冰凍的膨脹作用，毛細孔壁結(jié)構(gòu)被破壞，使得混凝土質(zhì)量和動彈性模量大大降低[36-38]。

王志軍[26]研究發(fā)現(xiàn)：在水膠比相同的情況下，混凝土抗凍等級均隨著人工砂含泥量的增加而降低，相同的人工砂含泥量，抗凍等級隨著水膠比的增大而降低，如圖12所示。

圖12 含泥量與抗凍等級的關(guān)系[26]Fig.12 The relationship between soil content and frost resistance grade

4.2 人工砂MB值對混凝土抗碳化性能的影響

陳妙福[25]研究發(fā)現(xiàn)：混凝土碳化深度總體上隨著人工砂MB值增加而增大。當(dāng)人工砂MB值低于1.4時，對早期碳化影響較小，這是由于人工砂MB值適當(dāng)增加對混凝土早期致密度有一定改善，內(nèi)部孔隙相對減少，對CO2等氣體侵入起到一定阻礙作用；當(dāng)人工砂MB值進一步增加，混凝土內(nèi)部缺陷和連通孔隙增多，碳化速度加快，如圖13所示。

圖13 MB值對混凝土碳化深度的影響[25]Fig.13 The influence of MB value on the carbonization depth of concrete

4.3 人工砂泥粉對混凝土抗?jié)B性能的影響

一方面，由于人工砂中的泥粉吸水率較高，能起到一定的保水性作用，改善混凝土拌和物的離析泌水現(xiàn)象，降低混凝土的泌水率和減少自由水在骨料表面的富集狀況，混凝土界面過渡區(qū)得到改善；同時，泥粉填充了混凝土中毛細孔并且減少了泌水產(chǎn)生的毛細管擴散通道，改善了抗?jié)B透性。另一方面，由于泥粉吸附混凝土中過多的自由水，產(chǎn)生濕脹干縮，在水泥石內(nèi)部形成空隙與微裂紋削弱了抗?jié)B透性[23，39-41]。

杜毅[23]采用NEL型混凝土快速真空保水鹽裝置及混凝土滲透性電測儀檢測混凝土中的氯離子擴散系數(shù)DNEL，對混凝土滲透性進行檢測。如圖14所示，當(dāng)人工砂中含泥量增加，C20～C50 5種強度等級的混凝土氯離子擴散系數(shù)增大，抗?jié)B性下降，耐久性能隨之下降；當(dāng)砂中含泥量達到3%時，氯離子擴散系數(shù)明顯增加，且C50混凝土所受影響比C20混凝土更大。

圖14 含泥量與混凝土氯離子擴散系數(shù)之間的關(guān)系[23]Fig.14 The relationship between soil content and chloride ion diffusion coefficient of concrete

王志軍[26]研究發(fā)現(xiàn)：在水膠比相同的情況下，混凝土抗?jié)B等級均隨著人工砂含泥量的增加而降低，當(dāng)人工砂含泥量相同時，抗?jié)B等級隨著水膠比的增大而降低。含泥量越小，強度越高，混凝土的抗?jié)B性能越好，如圖15所示。

圖15 含泥量與抗?jié)B等級關(guān)系[26]Fig.15 The relationship between soil content and anti-permeable grade

夏京亮等[29]研究發(fā)現(xiàn)：隨著人工砂MB值的增大，C40、C50混凝土的電通量、氯離子擴散系數(shù)、孔結(jié)構(gòu)參數(shù)均出現(xiàn)先提高再降低的規(guī)律，當(dāng)人工砂MB值小于1.4時，對混凝土的密實性和抗?jié)B性有一定的改善效果，56 d電通量低于1 200 C；若MB值大于1.4，混凝土各項性能迅速降低，如圖16所示。

圖16 人工砂MB值對 C30、C40混凝土56 d電通量和氯離子擴散系數(shù)的影響[29]Fig.16 The influence of artificial sand MB value on 56 d electric flux and chloride ion diffusion coefficient of C30，C40 concrete

對比以上研究發(fā)現(xiàn)，混凝土抗?jié)B性隨著人工砂含泥量或MB值增加而逐漸劣化。夏京亮研究得出，混凝土抗?jié)B性受人工砂含量顯著影響的值為3%，得出的規(guī)律與杜毅的研究結(jié)果相似。

5 結(jié) 論

(1) 當(dāng)人工砂MB值小于1.2時，低強度等級混凝土其抗壓強度隨著人工砂MB值的增大而小幅提高；但當(dāng)人工砂MB值超過1.2時，混凝土抗壓強度隨之降低。高強度等級混凝土抗壓強度隨著人工砂MB值的增大持續(xù)降低。

(2) 混凝土的彈性模量隨人工砂MB值的增大而持續(xù)降低，顯著降低時人工砂MB值為2.1左右。

(3) 不同齡期混凝土的干燥收縮率隨人工砂MB值增大均增加，顯著增加時人工砂MB值為1.45。

(4) 混凝土碳化深度總體上隨人工砂MB值增大而增加，顯著增加時人工砂MB值為1.4。

(5) 混凝土的電通量、氯離子擴散系數(shù)、孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，均隨人工砂MB值增大呈現(xiàn)先改善再降低的規(guī)律。當(dāng)人工砂MB值不大于1.4時，對混凝土的密實性和抗?jié)B性有一定的改善效果；若MB值大于1.4，混凝土各項耐久性能迅速降低。