機制砂云母含量對混凝土性能的影響

李順凱，覃茂挺，張占強，明 陽，陳 平

(桂林理工大學 a.土木與建筑工程學院；b.廣西建筑新能源與節能重點實驗室，廣西 桂林 541004)

0 引 言

隨著我國大規模的工程建設的進行, 天然河砂資源逐漸短缺, 同時出于對環境保護的需要, 很多地方也禁止開采河砂資源, 因此機制砂正迅速替代河砂[1-3]。機制砂由巖石機械破碎而來, 而云母是常見的巖石礦物之一, 采用高云母含量巖石破碎的機制砂云母含量較高。云母一般呈薄片狀且表面光滑, 與水泥漿的粘結能力不佳[4], 因而現行國家標準和許多行業標準都限定了砂中的云母含量, 如《建設用砂》(GB/T 14684—2011)限定Ⅰ類砂中云母含量<1%; Ⅱ、 Ⅲ類砂中云母含量<2%[5]。

有關機制砂云母含量對混凝土和易性及強度的影響已開展了一些研究: 李新宇等[6]研究了機制砂中云母含量為49%的石粉對混凝土性能影響, 結果表明, 隨著石粉含量的增加, 混凝土用水量有所增加, 抗壓強度與劈拉強度呈現先增加后減小的趨勢; 邢界泉等[7]發現, 隨著機制砂石粉中云母含量從1.8%增加到9%, 混凝土的抗壓強度和劈拉強度均有所降低; 張志堅[8]采用云母含量為7%的機制砂與其他機制砂混合使用, 配制的混凝土力學性能以及耐久性能均滿足設計要求。

考慮到優質建材遠距離運輸困難且成本高,機制砂作為大宗建筑材料,一般采取就地取材的方式選取原材料,如某山區高速公路建設時為降低工程造價就近采用周邊母巖為花崗巖的石料生產機制砂,但該機制砂生產出來后發現云母含量較高,而云母作為機制砂的有害物質之一,有必要對高云母含量機制砂混凝土的配制及改性進行研究。

本文系統研究機制砂云母含量及其變化對混凝土工作、 力學和干縮性能的影響規律, 提出摻入增強劑的方式對高云母含量機制砂混凝土進行改性, 以期為相關工程采用高云母含量機制砂配制高品質混凝土提供技術支撐。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

采用普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5), 其主要物理和力學性能指標見表1和表2。

表1 水泥主要物理性能指標Table 1 Main physical properties index of cement

表2 水泥膠砂強度Table 2 Strength of cement mortar

不含云母的水洗機制砂和某公路工程料場生產的高云母含量花崗巖機制砂, 表觀密度分別為2 680和2 650 kg/m3,堆積密度為1 630和1 590 kg/m3,吸水率分別為1.3%和2.1%, 云母含量分別為0和12%,細度模數分別為3.1和3.0; 5～25 mm連續級配碎石; 江蘇蘇博特新材料有限公司生產的聚羧酸減水劑, 固含量為20%, 減水率≥25%; 增強劑使用廣西凱利特新材料科技有限公司生產的ZQ-1型增強劑, 固含量為10%, 其主要由穩泡劑、 醇胺類和納米晶核增強材料等組成, 具有改善混凝土和易性和提高混凝土強度的作用。

1.2 試驗方法及混凝土配合比

分別按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)、 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)和《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)測試混凝土的拌合物性能、 力學性能和干縮性能(接觸法), 其中混凝土含氣量測試儀器型號為LC-615A型混凝土含氣量測定儀, 混凝土干縮試驗測試儀器型號為HSP-540型混凝土收縮膨脹儀。

采用不含云母與含云母的機制砂混摻控制機制砂云母含量, 不同云母含量的混凝土配合比參數及拌合物性能如表3所示。試驗過程中控制混凝土坍落度在200±20 mm, 水泥用量、 單位用水量和碎石用量分別為400、 152和1 100 kg/m3, 減水劑和增強劑用量根據混凝土坍落度進行調整。

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of conerete kg/m3

2 結果與討論

2.1 混凝土拌合物性能

在固定用水量和混凝土坍落度的條件下, 由混凝土減水劑摻量與機制砂云母含量的配比表3可見,隨著機制砂中云母含量的增加, 為了達到相同的坍落度控制范圍, 混凝土減水劑摻量需提高, 其中當機制砂中云母含量達12%, 減水劑摻量要達到膠凝材料的1.7%, 而不含云母的機制砂配制混凝土時, 減水劑摻量僅為膠凝材料的1.2%?；炷翜p水劑摻量的提高主要與含云母機制砂堆積密度小、 空隙率高、 吸水率大等有著密切聯系, 隨著機制砂中云母含量增加, 浸潤表面所需水分增加, 因而在用水量固定的情況下, 需要提高減水劑的摻量。李新宇等[6]也認為高云母石粉顆粒具有比表面積相對較大、 表面粗糙、 吸附性強等特性, 機制砂混凝土單位用水量隨著高云母石粉含量增加而提高。

隨著機制砂云母含量的增加, 即使減水劑摻量提升了, 混凝土含氣量卻下降了, 說明機制砂云母含量對混凝土的含氣量有不利的影響。 雖然混凝土坍落度能達到控制范圍, 但含氣量的降低導致混凝土和易性不佳。在機制砂云母含量相同條件下(6%), 通過摻入一定量的增強劑, 混凝土含氣量可由1.8%增加到2.3%, 說明增強劑具有穩泡作用, 其摻入可以確保減水劑的引氣效果, 混凝土和易性也有明顯改善。

2.2 混凝土抗壓強度

混凝土抗壓強度隨機制砂云母含量的變化關系曲線如圖1所示。

圖1 機制砂云母含量對混凝土抗壓強度的影響Fig.1 Influence of mica content in manufactured sand on compressive strength of concrete

機制砂云母含量對同水膠比混凝土抗壓強度有明顯的影響, 總體而言, 混凝土抗壓強度隨機制砂云母含量增加而減小, 且呈現出對混凝土早期強度影響小而對后期強度影響大。與不含云母的機制砂混凝土相比, 當云母含量為12%時, 3 d抗壓強度降低了9.2%; 28 d抗壓強度降低了15.4%。

針對混凝土抗壓強度隨云母含量增加而降低的情況, 采用摻入適量增強劑來改善混凝土的抗壓強度。從試驗結果可以得出, 摻入一定量的增強劑可以改善混凝土抗壓強度: 與不含云母的機制砂相比, 在含6%云母的機制砂混凝土中摻入0.5%的增強劑, 混凝土3 d抗壓強度未降低, 為28.5 MPa; 而28 d抗壓強度為50.1 MPa, 僅降低了4.9%。 這主要是由于混凝土增強劑中含有醇胺類物質的電負性能夠增強粉體顆粒表面的靜電斥力, 使得水泥漿體的分散性增強, 并且納米晶核材料在混凝土中起到了填充和晶核作用, 促進了水泥水化與密實, 從而提高混凝土強度。

2.3 混凝土干縮性能

不同云母含量(分別為0、 6%和12%)混凝土干縮變形隨齡期變化關系曲線如圖2所示。

圖2 云母含量對混凝土干縮性能的影響Fig.2 Influence of mica content in manufactured sand on drying shrinkage of concrete

3組混凝土干縮變形在60 d 齡期內隨齡期變化較大, 60 d 齡期之后則逐漸趨于穩定, 混凝土干縮率隨云母含量的增大而增加, 但云母含量對于機制砂混凝土干縮率影響相對有限, 其中不含云母的機制砂混凝土120 d干縮率為400×10-6左右, 而云母含量6%和12%的機制砂混凝土120 d干縮率分別為415×10-6和430×10-6。

2.4 機理分析

圖3為標準養護條件下28 d 的不含云母、 含云母和加入增強劑云母砂漿的SEM 微觀形貌。

圖3 不含云母砂漿(a)、 摻云母砂漿(b)和摻增強劑云母砂漿(c)水化產物微觀形貌Fig.3 Micro morphologies of hydration products of mortar without mica(a), mica mortar(b) and mica mortar after adding reinforcing agent(c)

不含云母砂漿中水化產物豐富, 砂顆粒之間存在C-S-H凝膠等水化產物; 含云母機制砂砂漿中可以看到明顯的云母存在, 云母呈現出薄片狀, 導致云母和水泥漿體之間存在一個薄弱的界面, 兩者結合力較差, 導致混凝土強度降低; 摻入增強劑改性后的含云母砂漿, 由于納米晶核作用和膠凝材料分散更均勻而水化加速生成的水化產物包裹在云母顆粒表面, 使得云母顆粒表面不再光滑且具有一定的強度, 并且水化產物密實填充了砂漿與云母間存在的界限, 使砂漿與云母間形成連續致密的過渡區, 從而提升了含云母機制砂的混凝土強度。

3 結 論

(1)相同坍落度條件下, 混凝土減水劑摻量隨著機制砂中云母含量的增加而提高; 通過摻入一定量的增強劑, 可以提高混凝土含氣量, 且明顯改善混凝土和易性。

(2)混凝土抗壓強度隨機制砂云母含量增加而減小, 且呈現出對混凝土早期強度影響小而對后期強度影響大; 摻入一定量的增強劑可以改善混凝土抗壓強度。

(3)混凝土干縮率隨機制砂云母含量的增大而增加, 但云母含量對于機制砂混凝土干縮率影響相對較小。

(4)含云母機制砂砂漿中云母呈現出薄片狀, 導致混凝土強度降低, 增強劑加速了膠凝材料水化, 生成的水化產物包裹在云母顆粒表面, 使砂漿與云母間形成連續致密的過渡區, 從而提升混凝土強度。