強風化巖粉對水泥砂漿性能影響的研究

盧普光 雷秀玲 李中田

某水電站大壩工程混凝土使用人工骨料，骨料加工場料區巖石為花崗巖，但在試生產期間出產的人工砂并非料區花崗巖特有的灰、紅混合色，而是呈現出如泥土般的黃褐色，按照DL/T 5151—2014《水工混凝土砂石骨料試驗規程》中的試驗方法對人工砂進行亞甲藍MB 值試驗，測得該人工砂的MB 值為1.53，按規范應判定該人工砂中微粒含量以泥為主，對料區進行踏勘后發現，料區的植被覆蓋層早已剝離，料區不存在泥土層，但筆者在現場發現，部分料區巖體存在黃褐色的強風化巖石夾層，寬度在30～50 cm，夾層中的巖石極其破碎，幾乎完全粉末化，分析認為，可能是生產過程中未分離的強風化巖粉造成了人工砂呈現黃褐色，并使人工砂吸附性增強，最終導致MB 值增大。

眾所周知，如果砂中含有較多的強吸附性細顆粒（如黏土礦物），將增加混凝土中水和外加劑的用量，影響水泥漿與骨料之間的粘結性，進而對混凝土拌合物性能、硬化混凝土力學性能和耐久性等方面產生不利影響，因此，為確保工程質量，有必要開展強風化巖粉對人工砂使用性能的影響的研究，本文從水泥砂漿入手，為進一步開展混凝土的研究提供參考。

1 試驗與分析

1.1 原材料

（1）水泥：亞泰鼎鹿牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

（2）成品人工砂：骨料場加工產出的人工砂，細度模數為2.85。

（3）潔凈的人工砂（0.08～5.0 mm）：把人工砂水洗過5.0 mm 和0.08 mm 套篩，將兩篩之間的顆粒烘干后密封備用。

（4）強風化巖粉：在料區隨機選取3 條強風化巖石夾層，每條夾層中取一定量的樣品，將其混合、烘干后過0.08 mm 篩，篩下顆粒存儲備用（篩下顆粒呈黃褐色）。

（5）花崗巖粉：在料區選取潔凈的花崗巖，烘干后破碎、粉磨，過0.08 mm 篩，取篩下的顆粒備用。

1.2 樣品制備與試驗方法

1.2.1 人工砂樣品制備與試驗

通常，人工砂中各級顆粒的礦物成分與母巖一致，花崗巖制得的人工砂MB 值很小，但如果混入其他顆粒較小、比表面積較大的泥質顆粒（尤其粒徑小于0.08 mm 時）[1]，將造成人工砂吸附性增強，MB 值變大。

本試驗通過水洗法測得人工砂中小于0.08 mm顆粒含量為11.20%，然后調整砂中小于0.08 mm 顆粒中強風化巖粉的比例，制備出不同強風化巖粉含量的人工砂樣品，見表1，再按DL/T 5151—2014《水工混凝土砂石骨料試驗規程》中的方法，對各樣品進行亞甲藍MB 值試驗，研究強風化巖粉對人工砂吸附性的影響。

表1 不同強風化巖粉含量的人工砂樣品原材料用量

1.2.2 砂漿樣品制備與試驗

使用1.2.1 中制備出的人工砂樣品制作水泥砂漿，各組樣品的材料用量見表2，其中，1#樣品為基準樣品，不含強風化巖粉。

本試驗首先按照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測定各砂漿拌合物的流動性，再將砂漿制成40 mm×40 mm×160 mm 試件，標準養護到一定齡期后，分別按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗方法（IOS 法）》和DL/T 5151—2014《水工混凝土砂石骨料試驗規程》開展砂漿強度（3、7、28 d）試驗和砂漿小試件抗凍試驗（28 d，無引氣劑），研究強風化巖粉對砂漿力學和耐久性的影響。

表2 水泥砂漿試件原材料用量

1.3 試驗結果與分析

1.3.1 亞甲藍MB值試驗結果

砂中強風化巖粉含量與亞甲藍MB 值的對應關系如圖1 所示，從圖中可以明顯地看出，隨著砂中強風化巖粉的增加，MB 值也隨之增大，二者呈現出良好的線性關系，說明該成品人工砂的吸附性主要來自強風化巖粉。由此可以判斷，骨料加工過程中未分離的強風化巖粉是導致該人工砂吸附性增強、MB 值變大的直接原因。

圖1 砂中強風化巖粉含量-MB值對應關系

1.3.2 砂漿流動性試驗結果

在砂漿拌合、成型過程中目測發現，砂漿拌合物流動性隨砂中強風化巖粉含量的增加而逐漸變差，各樣品拌合物流動性試驗結果如圖2 所示。從圖中可以看出，隨著砂中強風化巖粉的增加，拌合物流動性在逐漸變差。這說明，使用含強風化巖粉較多的砂來拌制砂漿，需要加入更多的水才能保證砂漿拌合物的流動性，這將降低硬化后砂漿的強度。

從圖2 中還可以看出，與1#樣品相比，少量的強風化巖粉對砂漿流動性的影響較小，但其在人工砂中含量超過6.72%時，砂漿的流動性將明顯降低。

1.3.3 砂漿強度試驗結果

各砂漿試件的抗折強度和抗壓強度試驗結果分別如圖3、4 所示。從圖中可以看出，各試件在同齡期的抗折強度隨著砂中強風化巖粉的增加均有所降低，但整體變化不大。

圖2 各組砂漿拌合物流動性試驗結果

圖3 各試件抗折強度

圖4 各試件抗壓強度

同時，各試件在同齡期的抗壓強度也隨著砂中強風化巖粉的增加而降低，其中，各試件3 d 和7 d的抗壓強度變化較勻，但當砂中強風化巖粉含量大于6.72%時，砂漿的28 d 抗壓強度出現了陡降的現象。另外，抗壓強度的降幅較大，與1#樣品相比，其他樣品的3、7、28 d 抗壓強度最大降幅分別達到4.6、7.9、10.5 MPa。

1.3.4 砂漿抗凍性試驗結果

本試驗設置200 次凍融循環，試驗期間，當試件質量損失率達到5%時或相對動彈模量下降至初始值的60%時，認為該組試件已達破壞[2]，砂漿抗凍試驗結果如圖5、6 所示。

從圖5、6 中可以看出，僅1#、2#、3#樣品在經過200 次凍融循環后未破壞，但3 組樣品的質量損失率也在逐漸變大，同樣，相對動彈模量也越來越低；4#、5#、6#樣品分別在經過175、125、125 次循環后破壞，此外，砂中強風化巖粉含量超過4.48%時，試件的質量損失曲線的斜率逐漸變大，試件的質量損失越來越大，說明在200 次凍融循環下，含少量強風化巖粉的人工砂（小于4.48%）制作的砂漿在不摻引氣劑的情況下，抗凍性仍能滿足要求，若再增大砂中強風化巖粉的含量，砂漿抗凍性將越來越差。

圖5 各試件質量損失率

圖6 各試件相對動彈模量

2 結論與展望

（1）驗證了本工程骨料加工場料區夾層中的強風化巖粉具有較強的吸附性，人工砂MB 值較高的現象是由于人工砂在加工過程中未分離的強風化巖粉所致。

（2）強風化巖粉會降低砂漿流動性，其在砂中的含量超過6.72%時，砂漿的流動性會明顯降低。

（3）強風化巖粉對砂漿抗折強度和抗壓強度均有不利影響，尤其對抗壓強度的影響更明顯，當其在砂中含量大于6.72%時，砂漿28 d 抗壓強度將大幅下降。

（4）強風化巖粉對砂漿的抗凍性有不利影響，在不摻引氣劑的情況下，當其在人工砂中的含量超過4.48%，砂漿的抗凍性將越來越差。

（5）本文僅開展了強風化巖粉對砂漿性能影響的宏觀試驗，其微觀分析、作用機理和對混凝土影響的研究有待開展，尤其是混凝土性能受其影響的研究更具工程實用價值。