巖性對機制砂性能及其膠砂性能的影響研究

林 巖

中鐵二十四局集團福州鐵建工程質量檢測有限公司，福建 福州 350000

1 前言

細骨料是混凝土重要組成材料，細骨料的物理及力學性能極大的影響著鐵路工程高性能混凝土的拌合物性能、力學性能、耐久性能。若用于鐵路高性能混凝土，應選用級配合理、質地堅固、吸水率低和空隙率小的潔凈天然河砂［2］或母材檢驗合格、經專門機組生產的機制砂。

隨著福平、福廈、衢寧及興泉等鐵路項目陸續開建，福建地區河砂資源異常緊缺，開采限制越發嚴格，同時福建地區多山區，交通不便利，鐵路項目建設材料運輸困難，因此使用就地就近取材的機制砂代替天然河砂勢必成為鐵路工程建設的一種趨勢。機制砂相對河沙而言具有棱角，外形不規則，表面粗糙等特點。又由于采用母巖巖性的不同，例如花崗巖其主要成分是石英及長石，硬度較高，而凝灰巖有粗糙感，硬度略低等對混凝土及水泥膠砂性能也有不同的影響。為此本文以福州長樂市松下鎮大祉村生產的熔結凝灰巖機制砂和寧德市周寧西坑生產的中粒花崗巖機制砂為研究對象，分析其礦物組成、在相同級配和粒形的條件下機制砂特性及對水泥膠砂性能的影響。

2 試驗內容

2.1 原材料

2.1.1 水泥

試驗用水泥為福建水泥股份有限公司（建福牌）產的P·0 42.5 級普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標見表1 和表2。

表1 水泥物理性能指標

表2 水泥化學性能指標

2.1.2 機制砂

（1）本試驗采用熔結凝灰巖機制砂和中粒花崗巖機制砂，其母巖巖性主要礦物成分見表3：

表3 兩種機制砂礦物組成

（2）兩種巖性的機制砂利用國家新標準方孔砂石篩按表4 級配進行篩分和配制，配制后根據GB 14684-2011《建設用砂》［4］中第7.13.2 條及7.5.3 條的方法分別測試其壓碎值和MB 值，測試結果見表5

表4 機制砂級配

表5 配制后機制砂的性能指標

2.1.3 聚羧酸高性能減水劑：試驗使用廈門宏發先科新型建材有限公司出產的HPCA-600 型聚羧酸高性能減水劑（緩凝型），其主要性能指標見表6。

表6 外加劑性能指標

2.1.4 粉煤灰：試驗采用福建省漳州中達集團有限公司（漳州后石電廠）生產的F 類Ⅱ級粉煤灰，其主要性能指標見表7。

表7 粉煤灰性能指標

2.1.5 試驗用水：飲用水。

2.1.6 設定基準膠砂配合比用砂：標準砂。

2.2 配置機制砂膠砂配合比：根據GB/T 18736-2017《高強高性能混凝土用礦物外加劑》［5］及 GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》［6］，測定不同巖性的機制砂的膠砂性能，通過調整減水劑用量，保證膠砂流動度達到設定的基準膠砂配合比（見表8）下的流動度（255±5）mm 范圍。機制砂膠砂配合比見表9。

表8 基準膠砂配合比及其流動度

表9 膠砂配合比 單位：g

2.3 主要儀器設備：水泥膠砂攪拌機（JJ-5 型）、水泥膠砂流動度測定儀（NLD-3 型）、水泥膠砂振實臺（ZS-15 型）、水泥混凝土恒溫恒濕標準養護箱（HBY-40A 型）及微機控制壓力試驗機（WHY-10/300 型）等。

3 結果與分析

3.1 凝灰巖機制砂和花崗巖機制砂對水泥膠砂流動度的影響

（1）凝灰巖機制砂和花崗巖機制砂根據GB 14684-2011《建設用砂》［4］中7.19 條分別進行飽和面干吸水率測定。試驗結果：中粒花崗巖機制砂的吸水率大于熔結凝灰巖機制砂的吸水率，見表10。

表10 吸水率

（2）兩種巖性的機制砂對聚羧酸高性能減水劑的適應性差別較大，糾其原因應是花崗巖機制砂中的MB 值更大，石粉對減水劑的吸附作用更為明顯，并且比表面積也更大。

（3）綜合3.1.1 及3.1.2 所述，花崗巖機制砂較凝灰巖機制砂需摻入更多的減水劑才能達到規定的膠砂流動度，見圖1。

圖1 凝灰巖及花崗巖機制砂膠砂減水劑摻量

3.2 凝灰巖機制砂和花崗巖機制砂的堿-硅酸反應活性

根據TB/T 3275-2018 《鐵路混凝土》［7］中附錄B 快速砂漿棒法進行骨料堿-硅酸反應活性的測定，試驗結果見表11：

表11 兩種機制砂快速砂漿膨脹率

從堿-硅酸反應活性試驗結果分析，凝灰巖機制砂堿-硅酸反應高于花崗巖機制砂，并且14d 砂漿膨脹率超過了0.10%。

3.3 凝灰巖機制砂和花崗巖機制砂對水泥膠砂強度的影響

依據GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》［8］，利用本文1.2 條兩種機制砂配置的膠砂配合比，分別做膠砂強度試驗。從強度結果分析，花崗巖機制砂7d 和28d 抗折強度和抗壓強度略高于凝灰巖，但差距并不大，見表12、圖2、圖3。

表12 凝灰巖及花崗巖機制砂膠砂強度試驗結果

圖2 凝灰巖及花崗巖機制砂膠砂7 天、28 天抗折強度

圖3 凝灰巖及花崗巖機制砂膠砂7 天、28 天抗壓強度

4 結論

（1）凝灰巖機制砂MB 值比花崗巖小，對減水劑的適應性更好，有益于提升膠砂的和易性能（流動度）。

（2）雖然凝灰巖和花崗巖機制砂對減水劑的適應性有較大的差異，但對于膠砂強度的影響很小，這與機制砂的巖石成分、結構組成等因素有關。

（3）凝灰巖因含微晶石英，經骨料堿活性檢測方法（快速砂漿棒法）測定，具有潛在堿-硅酸鹽反應危害，在使用過程中需控制混凝土中的總堿含量，盡量使用低堿水泥。

（4）機制砂中的MB 值與其石粉中的黏土質含量相關，MB 值越大，黏土質含量越多，對減水劑的吸附性越強［3］，因此花崗巖機制砂較凝灰巖機制砂對減水劑的吸附能力更強，在實際使用過程中應控制石粉含量或提高減水劑的用量。

（5）本文雖只驗證了不同巖性的機制砂對膠砂性能的影響，但對機制砂用于混凝土有一定的參考意義。