花崗巖機制砂品質對混凝土性能的影響*

黃志剛 陳敦法 陳 倩 吳大勇 張凌強 李北星

(1.湖北交投翻壩江北高速公路有限公司 宜昌 443106； 2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

隨著天然砂資源約束趨緊和環境保護要求日益增強，機制砂正在逐漸代替河砂成為建設用砂的主要來源[1]，但是，機制砂的品質對于其良好的使用非常關鍵，因為細骨料的質量不僅直接影響新拌混凝土的工作性、混凝土的漿骨比，最終還影響混凝土力學性能和耐久性。而機制砂的品質很大程度上取決于母巖的物理性能、加工工藝和機械設備等因素[2-3]。機制砂生產過程中的破碎方式、制砂設備和除粉方式的不同，會導致機制砂顆粒級配、粒形、石粉含量及亞甲藍(MB值)的不同。與河砂相比，機制砂易出現的品質問題主要有：機制砂顆粒級配不良、細度模數偏大或偏小，石粉含量過高或過低，含泥量高、亞甲藍值過大，針片狀顆粒、不規則尖銳顆粒多等，而這些特性對混凝土力學性能有很大影響[4]。另外，部分母巖巖石中含的硫化物、氯化物和云母等有害物質超標。云母為常見的造巖礦物之一，高云母含量巖石在人工料源中常見，譬如，三峽工程基巖開挖料閃云斜長花崗巖，黑云母含量(質量分數，下同)高達10%～15%[5]，軋制的人工砂黑云母含量約7%，遠超出標準規定值2%，最后不得不棄用，另找下岸溪料場花崗巖軋制人工砂。

三峽翻壩江北高速公路第一合同段位于湖北省夷陵區境內山嶺重丘區，橋隧工程所有混凝土均采用本標段隧道開挖的花崗巖洞渣自加工的機制砂石料進行配制。針對用于C50混凝土的花崗巖洞渣機制砂相關指標優化的問題，本文將著重研究機制砂的細度模數、石粉含量和黑云母含量3個品質指標對混凝土工作性能和力學性能的影響，以期為實際工程應用提供指導和依據。

1 試驗

1.1 原材料

1) 水泥。葛洲壩三峽牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，3，28 d抗壓強度分別為27.2，47.6 MPa。

2) 粉煤灰。華能岳陽電廠F類I級粉煤灰，細度(45 μm方孔篩篩余位6.8%)，燒失量5.3%，需水量比93%。

3) 粗集料。三峽翻壩江北高速公路一標自產花崗巖碎石，由4.75～9.5 mm和9.5～19 mm按比例搭配成連續級配。碎石表觀密度2 798 kg/m3，吸水率1.1%，含泥量0.75%，壓碎值19.2%。

4) 細集料。三峽翻壩江北高速公路一標自產花崗巖機制砂，該機制砂與碎石采用砂石聯產濕法工藝生產，工藝流程為：振動給料機(除土給料)→顎式破碎機(粗碎)→圓錐式破碎機(中碎制碎石)→立軸式沖擊破碎機(細碎制砂)→輪式洗砂機(洗砂)。表1為機制砂主要性能指標。

表1 機制砂主要性能指標

由表1可見，該機制砂性能滿足JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術規范》 I類機制砂技術要求。

5) 石粉。上述自產花崗巖機制砂經球磨機磨細制得的花崗巖石粉，比表面積為327.5 m2/kg。石粉的XRD圖譜見圖1。由圖1可知，石粉主要礦物相為石英和鉀長石。

圖1 石粉XRD圖譜

6) 黑云母。從上述自產花崗巖機制砂中人為揀出的黑云母，其外觀和XRD圖譜分別見圖2、圖3。

圖2 黑云母外觀

圖3 黑云母XRD圖譜

7) 外加劑。為湖北天安聚羧酸高性能減水劑，含固量23%，減水率27%，含氣量3.1%。

1.2 試驗方法

機制砂混凝土工作性試驗按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行；力學性能試驗按GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行，抗壓、抗折強度試件尺寸分別為150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×400 mm，彈性模量試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。

機制砂需水量比依據JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》附錄E進行。機制砂水泥砂漿的強度試驗參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》進行，砂漿配合比為m(水泥)∶m(機制砂)∶m(水)=1∶3∶0.5，并通過添加減水劑使不同云母含量的機制砂砂漿跳桌流動度達到(180±2) mm，砂漿強度試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

2 試驗結果與分析

2.1 花崗巖機制砂細度模數對混凝土性能的影響

2.1.1不同細度模數花崗巖機制砂的制備

A砂為花崗巖機制砂原砂，其細度模數為3.0。將A砂中粒徑小于0.3 mm的顆粒篩出，并按11%，26%和45%的比例摻入A砂中，由此得到細度模數分別為2.8，2.6和2.3的B、C和D 3種機制砂。A、B、C、D 4種機制砂的篩分對比結果見表2，級配曲線見圖4。

表2 不同細度模數的機制砂級配

圖4 4種細度模數的機制砂級配曲線

由圖4可見，4種砂的石粉含量在3%～6%之間，MB值在0.8～1.2之間。其中A砂和B砂在2區級配范圍，C砂和D砂中0.3 mm篩孔的累計篩余低于2區級配70%的最低限值。

表3為細度模數3.0,2.8,2.6,2.3的4種花崗巖機制砂的C50混凝土配合比。人工調整外加劑摻量，使混凝土達到基本相同的坍落度(200±20) mm和擴展度(500±30) mm。

表3 不同細度模數花崗巖機制砂C50混凝土配合比

2.1.2機制砂細度模數對混凝土工作性的影響

由表3可知，在用水量不變的情況下，隨著機制砂細度模數的減小，混凝土達到相同或相近的流動性所需要減水劑用量增加。細度模數2.3的機制砂較細度模數3.0機制砂配制的混凝土其減水劑摻量同比提高了0.2%。這是由于當細度模數從3.0降低到2.3時，粒徑較小的砂顆粒占據大多數，級配不良，顆粒表面所需用水量隨之增加；而當細度模數逐漸增大時，各種大小不同粒徑的砂顆粒搭配均勻，顆粒堆積密實而降低空隙率，使得自由水增多，從而拌和水或減水劑用量減少[6]。

2.1.3機制砂細度模數對混凝土力學性能的影響

圖5為機制砂細度模數對混凝土抗壓、抗折強度和彈性模量的影響。

圖5 機制砂細度模數對混凝土力學性能的影響

由圖5可見，隨著機制砂的細度模數從3.0降至2.3，混凝土的抗壓、抗折和彈性模量均呈先增后降趨勢，在細度模數為2.8時，3個力學性能指標值達到最大，且細度模數2.8和3.0的機制砂配制的混凝土力學性能差異不顯著；但當細度模數降低到2.3時，機制砂混凝土的28 d齡期抗壓、抗折強度與28 d彈性模量較細度模數3.0時降幅非常顯著，分別降低了23%，19%和20%。細度模數3.0～2.8的機制砂中，不僅有著較多粒徑較小的細砂顆粒用來填充細集料空隙，且有足夠的粗砂顆粒與粗集料之間形成骨架結構[7]，從而增強了混凝土的力學性能。而當機制砂細度模數下降到2.3時，其中的粒徑0.3 mm以下的細砂顆粒數量過多，達到45.6%(見表2)，砂顆粒的總比表面積增大，砂顆粒間空隙增多，水泥漿體不足以填充砂顆粒空隙，引起砂漿密實度下降、機制砂與水泥漿體界面缺陷增多，導致混凝土力學性能降低。

2.2 花崗巖機制砂石粉含量對混凝土性能的影響

2.2.1石粉含量對機制砂混凝土工作性的影響

表4為石粉含量3%，5%，7%，9%的機制砂C50混凝土配合比與工作性試驗結果。

表4 不同石粉含量花崗巖機制砂混凝土配合比與工作性能

由表4可見，在同等膠材和水用量情況下，隨著機制砂中石粉含量增大，混凝土達到同等工作性所需減水劑用量隨之增多，石粉含量9%時較3%的機制砂的混凝土減水劑摻量提高了0.3%。這主要是由于粒徑小于0.075 mm的石粉顆粒其比表面積遠高于機制砂顆粒，當機制砂中石粉含量增加時，意味著包裹其所需的用水量增大，漿體的黏滯性增加，從而需增大減水劑用量[8]。另外，石粉顆粒對減水劑的吸附作用也會降低減水劑的減水效果，隨石粉含量增大，減水劑被石粉吸附的數量也增多。

2.2.2石粉含量對機制砂混凝土力學性能的影響

圖6為石粉含量對花崗巖機制砂混凝土力學性能的影響。

圖6 機制砂石粉含量對混凝土力學性能的影響

由圖6a)可見，機制砂混凝土的抗壓強度隨石粉含量的增大而逐步增加，石粉含量9%時較3%的機制砂其混凝土的7，28 d抗壓強度分別提高了8.9%和10.8%。這主要是因為石粉作為微細集料起到了填充空隙的作用，致密了混凝土結構[9]。

圖6b)顯示，隨著石粉含量增大，機制砂混凝土的抗折強度呈先增后減趨勢，當石粉含量5%時抗折強度最大。其主要原因是：機制砂中適量的石粉可以完善機制砂的級配，增加混凝土的黏聚性而減少泌水尤其是內泌水，由此密實混凝土結構，改善界面過渡區微結構，從而提高抗折強度；但過量的石粉會以游離態的狀態出現在界面過渡區內，引起漿體-集料黏結性能變差，降低抗折強度。

由圖6c)可見，隨石粉含量增加，機制砂混凝土彈性模量增大，與抗壓強度隨石粉含量的變化趨勢一致。與石粉含量3%時相比，石粉含量9%的機制砂混凝土7，28 d彈性模量分別增大了13.2%和11.1%。石粉含量對機制砂混凝土彈性模量的影響與兩方面作用有關：①石粉對混凝土抗壓強度的提高作用有助于增大彈性模量；②石粉含量的增加使得漿體體積增多，從而增大了漿體和集料的體積比，將降低混凝土彈性模量。本試驗中機制砂混凝土彈性模量隨石粉含量增加而增大，說明當花崗巖機制砂中石粉含量在9%以內對彈性模量的影響以增強的正作用為主。

2.3 花崗巖機制砂黑云母含量對砂漿性能的影響

2.3.1黑云母含量對機制砂需水量比的影響

原狀花崗巖機制砂中的黑云母含量為1.2%。人為摻入從機制砂中揀出的黑云母，研究黑云母含量對機制砂需水量比的影響，試驗用配合比及結果見表5。

表5 黑云母含量對花崗巖機制砂需水量比影響配合比

由表5可見，隨著機制砂中黑云母含量的增加，機制砂的MB值逐漸增大。黑云母含量為1.2%，3.0%，4.5%的機制砂其需水量比分別為108%，116%，127%，說明黑云母含量增加顯著提高了機制砂的需水性。這是因為黑云母多為薄片形狀，具有相對較大的比表面積，浸潤單位比表面積需要更多的水分，因此機制砂需水量比增大[10]。

2.3.2黑云母含量對機制砂砂漿力學性能的影響

由于大量黑云母獲取較難，所以以機制砂砂漿代替混凝土為對象，研究黑云母含量對混凝土強度的影響，其結果見圖7。由圖7可見，黑云母含量在1.2%～4.5%之間的花崗巖機制砂砂漿7，28 d抗壓和抗折強度均低于標準砂砂漿，且隨著機制砂中黑云母含量增加，砂漿的抗壓、抗折強度逐步下降，黑云母含量4.5%的機制砂砂漿28 d抗壓強度相比黑云母含量1.2%時下降了16%，28 d抗折強度下降了8.5%。這是由于黑云母常以薄片狀態存在，具有較差的粒形和解理，導致黑云母顆粒與水泥漿基體之間的黏結強度降低，并在其四周生成膠結薄弱帶，使得機制砂砂漿內部分布不均勻，當黑云母含量增加時，局部缺陷區域會產生應力集中現象[11]，從而由局部區域破壞導致整體破壞，最終使得機制砂砂漿力學性能下降。因此，應嚴格限制機制砂中云母含量。

圖7 黑云母含量對花崗巖機制砂砂漿強度的影響

3 結論

1) 隨著機制砂細度模數從3.0降到2.3，C50混凝土達到同等工作性所需要的減水劑用量增大，力學性能呈先增后降趨勢，當機制砂顆粒級配為2區、細度模數2.8時，C50混凝土的抗壓、抗折強度和彈性模量達到最大值，當機制砂的細度模數降為2.3,0.3 mm篩孔以下顆粒過多時，混凝土的上述力學性能指標顯著降低。

2) 隨著機制砂石粉含量從3%增加到9%，C50混凝土達到同等工作性所需的減水劑摻量增加，抗壓強度和彈性模量逐漸增大，抗折強度呈先增后降趨勢，當石粉含量5%時抗折強度達到最大值。

3) 隨著花崗巖機制砂中黑云母含量從1.2%增加到4.5%，機制砂需水量比增加，機制砂砂漿7 d和28 d的抗壓、抗折強度均下降，因此對機制砂中的黑云母含量應予以嚴格限制。