機制砂MB 值對混凝土性能的影響

左文鑾，魏勇，陳雷，范建峰

（南通眾潤混凝土有限公司利廢技術開發中心，江蘇 南通 226600）

0 前言

建筑業的飛速發展需要越來越多的混凝土材料[1]，而混凝土材料中的砂石骨料占混凝土質量的 2/3，巨大數量的砂石消耗使得天然資源遠遠不能滿足使用要求，尤其是天然砂資源[2]，因此機制砂成為很多建筑砂的來源。機制砂中 0.075mm以下的顆粒被稱為石粉，而天然砂中粒徑小于 0.075mm 的顆粒含量被稱為含泥量，兩者有著本質的區別，石粉為機制砂破碎過程中的副產物，其物理化學性質與母巖性質相同，對混凝土性能的影響有利有弊。由于機制砂是由巖石破碎而成，在生產過程中難免帶入部分山皮，導致機制砂中0.075mm 以下顆粒中含有部分泥粉，它們多是天然砂在搬運過程中夾雜的塵屑、淤泥和粘土[3]。泥粉的存在可引起混凝土需水量增加，減弱混凝土性能或更容易被風化，阻礙水泥與骨料膠結的充分發展,妨礙水泥的正常水化或與水泥中成分進行化學反應等負面影響。GB/T14684—2011《建筑用砂》[4]規定混凝土用機制砂需用亞甲藍方法（MB 值）檢測機制砂中泥粉的含量，制定了嚴格的規定，但未給出解釋。現代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，砂的質量嚴重制約了高性能混凝土的發展[5]，對機制砂 MB 值的研究有利于控制砂的質量，為混凝土的發展提供理論支持。

1 原材料

（1）水泥：采用磊達水泥廠生產的 P·O42.5 級水泥，其部分性能如表1 所示。

（2）粉煤灰：采用南通華錦粉煤灰開發有限公司生產的Ⅱ粉煤灰，其品質如表2 所示。

（3）礦粉：采用南通市恒固建材科技有限公司生產的S95 粒化高爐礦渣粉（簡稱 S95 礦粉），品質如表3 所示。

表1 磊達水泥廠水泥部分性能指標

表2 粉煤灰品質 %

表3 礦粉品質

（4）細集料：機制砂細度模數 2.8，石粉含量 4.3%，表觀密度為 2690kg/m3，機制砂的級配見圖1。

（5）粗集料：粗骨料采用南京六合產 5～31.5mm 連續級配碎石，其級配曲線見圖2，其他性能指標如表4 所示。

（6）減水劑：江蘇某公司生產的 JM-10 聚羧酸減水劑。

（7）水：采用自來水。

圖1 機制砂級配曲線

圖2 石子級配曲線

表4 粗骨料各項性能指標

2 實驗結果及分析

通過石粉和泥粉對機制砂 MB 值的影響，機制砂 MB 值對混凝土力學性能、長期強度、彈性模量、收縮、抗凍性能的影響等幾個方面進行了研究分析。

2.1 石粉和泥粉對機制砂 MB 值的影響

不同石粉含量的機制砂的 MB 值見表5 和圖3。

為了研究泥粉對 MB 值的影響，實驗時先將機制砂中石粉篩除，然后加入兩種不同塑性（A、B）的泥粉，實驗結果見表6 和圖4、5。

表5 不同石粉含量的機制砂的 MB 值

圖3 不同石粉含量的機制砂的 MB 值

表6 泥粉對機制砂 MB 值的影響

圖4 機制砂中泥粉含量對 MB 值的影響

圖5 機制砂 MB 值與泥粉特性的關系

由圖4 和圖5 可以看出，泥粉的 MB 值與泥土的性質有關。相同泥粉含量時，機制砂的 MB 值與液限指數、塑限指數、液塑限指數的相關性的順序為液限指數＞液塑限指數＞塑限指數。因此，可以認為機制砂中泥粉的液限指數決定著機制砂的 MB 值。

通過以上的實驗分析表明，機制砂中石粉和泥粉兩者的性質不能等同，適當的石粉可以調節混凝土的性能，而泥粉則是有害物質。同時機制砂的 MB 值越大，對水的吸附性越強。

2.2 機制砂 MB 值對混凝土力學性能的影響

主要研究機制砂 MB 值對低強度等級混凝土和高強度等級混凝土的強度的影響，見表7。

低強度混凝土的具體配合比為：水泥 260kg/m3，粉煤灰60kg/m3，礦粉 65kg/m3，水 160kg/m3，聚羧酸系 JM-10 型減水劑 5.8kg/m3，碎石 1045kg/m3，機制砂 773kg/m3（包含石粉與泥粉的質量）。

表7 機制砂 MB 值對低等級混凝土的強度的影響

從表7 可以看出，隨著機制砂 MB 值的增加，低等級混凝土的強度都出現了一個先略增長再下降的趨勢，7d 強度和28d 強度在 MB 值為 1.05 時出現了個最大值，但是隨著 MB值的繼續增大，混凝土的抗壓強度下降且 7d 下降的幅度要比28d 的大。抗折強度也出現先增大后降低的趨勢，在 MB 值為1.05 時達到了最大值，隨 MB 值的增大抗折強度的下降幅度更加明顯。呈現這種趨勢的原因可能是對于低強度等級混凝土而言,其水膠比較大，易于產生離析泌水，泌水在粗集料表面富集，形成薄弱的界面過渡區，降低混凝土的強度，而 MB值的提高（泥粉的加入）改善了水泥漿體的保水性，降低了自由水在集料表面的富集，從而在一定程度上改善了混凝土界面過渡區，提高了混凝土強度；但另一方面，機制砂 MB值（泥粉含量）的提高，影響了水泥的正常水化，降低了混凝土中水泥石的強度，且泥粉的增加，也導致了混凝土內部大量自由水被吸附，內部形成更多的微裂紋，這都導致混凝土強度的降低。機制砂 MB 值兩種效應共同作用，導致低強混凝土隨 MB 值增大，呈現先增大后降低的趨勢，且當 MB值達到一定程度時，其后一種作用更加顯著，同時對于混凝土而言，混凝土內部裂縫對抗折強度劣化作用較抗壓強度更顯著，因此也就出現了隨 MB 值提高折壓比下降的現象。

高強度等級混凝土的具體配合比為：水泥 440kg/m3，礦物摻合料 60kg/m3，水 160kg/m3，聚羧酸系 JM-10 型減水劑10kg/m3，石子 1077kg/m3，機制砂 718kg/m3（包含泥粉與石粉的質量）。

表8 機制砂 MB 值對高等級混凝土的強度的影響

由表8 可以看出，機制砂 MB 值對高等級機制砂混凝土的早期抗壓強度的影響較為顯著，由于泥粉含量的增加導致混凝土早期抗壓強度的下降，但對混凝土后期抗壓強度沒有明顯的影響。機制砂 MB 值變化對水泥的抗折強度影響明顯，混凝土抗折強度最高降低約 15%，且抗折降低幅度略高于普通混凝土。對于高強機制砂混凝土而言，由于高強機制砂膠凝材料用量較高，水膠比較低，機制砂 MB 值提高混凝土保水作用，降低界面過渡區厚度的影響效應不明顯，而泥粉阻礙水泥水化的效應則被較為明顯的體現出來。

2.3 機制砂 MB 值對混凝土長期強度的影響

為了研究機制砂 MB 值對混凝土長期強度的影響，對前述高等級強度混凝土進行了實驗，28d 后自然養護，其結果見表9 和圖6。

表9 機制砂 MB 值對混凝土長期強度的影響

圖6 機制砂 MB 值對混凝土長期強度的影響

從上述圖表可以看出，60d 前，混凝土的強度略增長，60d 后強度開始出現倒縮， MB 值在 1.5 以后尤為明顯，且倒縮幅度較大。分析其原因是長期自然養護的過程中，混凝土中水分缺失，內部水化顆粒水化中止，所以強度略微增長，且隨著 MB 值的增大，泥粉含量增加，導致混凝土在干燥過程中內部裂縫加劇，造成混凝土強度倒縮。

2.4 機制砂 MB 值對混凝土彈性模量的影響

為了對比研究機制砂 MB 值對混凝上靜壓彈性模量的影響，試驗采用配合比為：水泥 400kg/m3，粉煤灰 60kg/m3，水160kg/m3，機制砂（包含石粉與泥粉的質量）720kg/m3，碎石1110kg/m3，外加劑 JM-10 型 9.8kg/m3。實驗結果見表10 和圖7。

表10 機制砂 MB 值對混凝土彈性模量的影響

圖7 機制砂 MB 值對混凝土彈性模量的影響

從圖7 可以看出，隨著 MB 值的增大，混凝土的彈性模量出現先增大又降低的趨勢，在 MB 值為 1.05 前，彈性模量略微增長，在 1.05 到 1.85 之間又略微下降，1.85 之前總體變化幅度不大，但在 2.2 時急劇下降。這肯能是因為：在 MB 值為 1.85 之前，泥粉的含量不大，對混凝土的彈性模量影響不大，彈性模量是略微的增長和下降，但當 MB 值過了 1.85 以后，泥粉的含量提高了，阻礙了水泥的正常水化，降低了水泥石的強度，從而導致了混凝土彈性模量的降低。

2.5 機制砂 MB 值對混凝土收縮的影響

通過實驗對比研究機制砂 MB 值對混凝土收縮的影響，其混凝土的配合比前述高強度等級混凝土的配比，具體為水泥 440kg/m3，礦物摻合料 60kg/m3，水 160kg/m3，聚羧酸系JM-10 型減水劑 10kg/m3，石子 1077kg/m3，機制砂 718kg/m3（包含泥粉與石粉的質量）。實驗結果見表11 和圖8。

表11 機制砂 MB 值對高強混凝土收縮性能的影響

圖8 機制砂 MB 值對高強混凝土收縮性能的影響

由圖8 可以看出混凝土收縮率隨著 MB 值的增大而增大，且早期收縮顯著，這主要是因為高強機制砂混凝土水膠比較低，而泥粉的存在又吸附了大量的游離水，混凝土內部相對濕度進一步降低，致使高強混凝土的自收縮加劇，最終導致高強機制砂混凝土早期干縮及整體收縮加劇。

3.6 機制砂 MB 值對混凝土抗凍性能的影響

實驗配比仍為上述高強度等級混凝土的配比，本實驗采用相對動彈模量來表征混凝土的抗凍性能，其實驗結果見表12。

表12 機制砂 MB 值對混凝土抗凍性能的影響

從表12 可以看出，在凍融循環 100 次以下時，機制砂MB 值對混凝土相對動彈模量的影響并不顯著，但當凍融循環達到 150 次時，MB 值為 1.85 的混凝土的相對動彈模量首先出現大幅度降低，當凍融循環增加到 200 次時，幾乎所有的混凝土都出現了相對動彈模量的顯著降低，且 MB 值越大，降低幅度越大。

對于混凝土出現這種趨勢的原因分析認為：機制砂中泥粉為松散型，均勻分散于水泥石中，其疏松多孔的結構容納了大量的毛細孔水，其毛細管壁的強度要低于正常水泥石毛細管壁，在經受多次反復的凍融循環后，含泥粉的毛細管壁被破壞，導致混凝土相對動彈模量降低。

3 結論

通過以上實驗研究分析，得出以下結論：

（1）機制砂中石粉含量對機制砂的 MB 值的影響不大，機制砂的 MB 值主要受機制砂中泥粉含量的影響，泥粉的液限指數決定著機制砂的 MB 值。

（2）對于低強度等級混凝土而言，隨著機制砂 MB 值的增大，混凝土的 28d 抗折強度、7d 和 28d 的抗壓強度均出現了先增大又降低的趨勢，且都在 MB 值為 1.05 時出現了最大值。對于高強度等級的混凝土而言，隨著機制砂 MB 值的增加，混凝土的早期抗壓強度明顯下降，但 28d 強度影響不顯著，混凝土的抗折強度下降幅度較大，比低強度的幅度大。

（3）機制砂 MB 值對混凝土長期強度的影響可總結為60d 前，混凝土的強度略增長，60d 后強度開始出現倒縮，MB 值在 1.5 以后尤為明顯，且倒縮幅度較大。

（4）隨著 MB 值的增大，混凝土的彈性模量出現先增大又降低的趨勢，在 MB 值為 1.05 前，彈性模量略微增長，在1.05 到 1.85 之間又略微下降，1.85 之前總體變化幅度不大，但過了 1.85 后，泥粉含量的提高阻礙了水泥的正常水化，降低了水泥石的強度，從而導致了混凝土彈性模量的降低。

（5）混凝土收縮率隨著 MB 值的增大而增大，且早期收縮顯著。

（6）在凍融循環 100 次以下時，機制砂 MB 值對混凝土相對動彈模量的影響并不顯著，但當凍融循環達到 150 次時，MB 值為 1.85 的混凝土的相對動彈模量首先出現大幅度降低，當凍融循環增加到 200 次時，幾乎所有的混凝土都出現了相對動彈模量的顯著降低，且 MB 值越大，降低幅度越大。

[1]吳忠偉，廉惠珍.高性能混凝土[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[2]牛威.人工砂 MB 值及其對砂漿、混凝土性能影響的研究[D].北京建筑工程學院，2011.

[3]王稷良.機制砂特性對混凝土性能的影響及機理研究[D].武漢理工大學，2008.

[4]GB/T14684-2011.建筑用砂.

[5]李北星，周明凱，蔡基偉，等.機制砂中石粉含量對不同強度等級混凝土性能的影響研究[J].混凝土，2008(7): 51-54.