花崗巖機(jī)制砂混凝土性能的研究

徐銘陽XU Ming-yang

（安徽理工大學(xué)，淮南 232001）

0 引言

我國雖然幅員遼闊、地大物博，但天然砂作為自然資源，一方面短時(shí)間內(nèi)不可再生，河砂資源瀕臨枯竭；另一方面，大面積開采河砂會(huì)導(dǎo)致河床蓄水層被破壞產(chǎn)生松動(dòng)、地表河水外滲，淹沒周邊環(huán)境，為保護(hù)自然資源，國家出臺(tái)了相關(guān)政策，限制了天然砂的采伐，使得天然砂資源越來越匱乏，價(jià)格攀升。與此同時(shí)，每年砂石市場的需求并沒有減少，也就導(dǎo)致河砂價(jià)格節(jié)節(jié)攀升，部分商家為了眼前利益甚至不顧法律，出現(xiàn)盜采盜挖的現(xiàn)象，工程用砂矛盾日益突出，混凝土質(zhì)量及工程質(zhì)量都存在著一定隱患。所以當(dāng)前最有效的解決問題的方法是找到可以代替天然砂的主要砂源，滿足建筑工程市場的需求。所以采用人工制備的機(jī)制砂產(chǎn)品作為混凝土生產(chǎn)所需的細(xì)集料成為合理選擇。

但隨之而來，花崗巖等各類石材在開采和生產(chǎn)石質(zhì)產(chǎn)品過程中，產(chǎn)生了大量廢棄的粒徑大小不統(tǒng)一的石材廢料。這些石材廢料得不到二次利用，久而久之，造成了堆放方式和處理過程的資源浪費(fèi)，占用了較多的土地資源，同時(shí)細(xì)小的粉末漂浮于空氣中還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，影響空氣質(zhì)量；如若排入河道湖泊等水體中，嚴(yán)重污染水源，影響水中生物的正常生長，破壞生態(tài)系統(tǒng)；大量廢棄的花崗巖石粉侵占了農(nóng)田，影響了作物的正常生長，帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，同時(shí)造成了石材資源的浪費(fèi)。如若將這類石材廢料經(jīng)過篩分后制備成人工機(jī)制砂，應(yīng)用到混凝土的制備當(dāng)中，不僅減少了混凝土對自然資源的依賴，保護(hù)了天然砂資源，延長了混凝土的使用壽命，提高了混凝土性能，同時(shí)，解決了石材廢料造成的堆積問題和環(huán)境污染，變廢為寶，保強(qiáng)增效，為機(jī)制砂混凝土的發(fā)展提供了新思路。

1 試驗(yàn)概況

1.1 水泥

本試驗(yàn)所采用水泥為淮南海螺有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其具體的物理性能指標(biāo)如表1 所示。通過檢驗(yàn)分析，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)。

表1 水泥的物理性能

1.2 天然砂

天然砂，通過自然風(fēng)化作用而產(chǎn)生的巖石顆粒，其顆粒大小分布在5mm 以下。較于人工砂其經(jīng)過河水沖洗，顆粒形狀較為圓滑，棱角少且級配相對豐富。滿足普通混凝土用砂的細(xì)度模數(shù)范圍。顆粒級配見表2。

表2 天然砂顆粒級配

1.3 花崗巖機(jī)制砂

本試驗(yàn)所用花崗巖機(jī)制砂均由當(dāng)?shù)厥募庸S生產(chǎn)加工石料成品過程中所產(chǎn)生的邊角余料經(jīng)二次粉碎篩分后所得到的粒徑范圍的巖石顆粒。花崗巖機(jī)制砂較天然砂相比，其形狀較為細(xì)長，棱角多，粗糙程度較大。符合《GB/T14684-2001 建筑用砂標(biāo)準(zhǔn)》。顆粒級配見表3。

表3 花崗巖顆粒級配

利用XRD 衍射儀分析其化學(xué)成分組成，如圖1 所示。

圖1 花崗巖機(jī)制砂XRD 衍射圖譜分析

由圖1 可見，花崗巖機(jī)制砂中SiO2與Al2O3含量相對最高，占總量的七成左右，且含有少量Fe2O3、K2O、MgO 等。從花崗巖形成的角度出發(fā)：花崗巖是由在高溫高壓條件下處于地下深處熾熱的巖漿上升冷卻凝固而成。而SiO2在高壓條件下排列致密，擁有著較強(qiáng)的抗侵蝕能力，化學(xué)性質(zhì)不活潑，能夠保持穩(wěn)定的形態(tài)。Al2O3則可以以多種形態(tài)存在，其中最典型的結(jié)構(gòu)分為γ-Al2O3、θ-Al2O3、α-Al2O3。其中γ-Al2O3在900℃以后發(fā)生相變逐漸轉(zhuǎn)化為θ-Al2O3，隨著溫度的升高，當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時(shí)，徹底轉(zhuǎn)化為α-Al2O3穩(wěn)定晶型。說明花崗巖機(jī)制砂化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，屬于惰性材料。在混凝土中主要起到物理填充作用。

2 花崗巖機(jī)制砂對混凝土性能的影響

在混凝土中，粗骨料具有足夠的強(qiáng)度和堅(jiān)固性，能夠起到骨架和傳力的作用，細(xì)骨料填充在粗骨料的間隙之中使混凝土達(dá)到最佳密實(shí)狀態(tài)，優(yōu)化水泥基材料的結(jié)構(gòu)性能，本章針對花崗巖機(jī)制砂級配對混凝土的和易性進(jìn)行了相關(guān)研究，為花崗巖機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

2.1 機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1.1 機(jī)制砂混凝土配合比計(jì)算

根據(jù)混凝土試驗(yàn)配合比參JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和現(xiàn)行攪拌站混凝土配合比，在此基礎(chǔ)上結(jié)合課題要求進(jìn)行試配C40 混凝土。選水膠比分0.5。

計(jì)算基準(zhǔn)組配合比結(jié)果見表4。

表4 混凝土配合比

2.1.2 花崗巖機(jī)制砂混凝土配合比調(diào)整

在機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)研究中，為確保試驗(yàn)所制備的混凝土符合建筑工程和試驗(yàn)要求，根據(jù)上述計(jì)算所得混凝土配合比試拌花崗巖機(jī)制砂混凝土，分別以7%、14%、21%、28%、35%、42%機(jī)制砂替代率進(jìn)行替代天然砂，如圖2 所示，通過混凝土工作性能對計(jì)算配合比進(jìn)行調(diào)整。

圖2 混凝土拌和

普通混凝土設(shè)計(jì)中最主要的參數(shù)為水膠比、用水量和砂率，這3 個(gè)參數(shù)與混凝土的性能密切相關(guān)?；◢弾r機(jī)制砂作為一種取代河砂配置混凝土的細(xì)骨料，含有類似膠材顆粒級別的石粉，同時(shí)具有不同于普通天然砂的細(xì)度模數(shù)，使機(jī)制砂的性能影響到配合比中水膠比、用水量和砂率參數(shù)的設(shè)定。

因此，根據(jù)拌合試驗(yàn)表現(xiàn)對機(jī)制砂混凝土配合進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后試驗(yàn)配合比見表5。

表5 花崗巖機(jī)制砂混凝土調(diào)整配合比

2.2 花崗巖機(jī)制砂混凝土工作性能研究

混凝土和易性一直是工程應(yīng)用中混凝土的一項(xiàng)重要參考性能，和易性包含了流動(dòng)性、保水性及粘聚性三個(gè)方面。在混凝土的生產(chǎn)應(yīng)用中，中低強(qiáng)度等級混凝土容易出現(xiàn)離析和泌水現(xiàn)象，流動(dòng)性和保水性較差；高強(qiáng)混凝土使用中會(huì)出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，過于黏稠。和易性良好的混凝土不論從前期拌合、中期運(yùn)輸還是后期到工程現(xiàn)場的澆筑過程中，均能提高工作效率。伴隨著工程技術(shù)的飛速發(fā)展，施工現(xiàn)場的混凝土基本上都實(shí)現(xiàn)了泵送澆筑，因此對混凝土和易性的要求也逐漸提高。對于高標(biāo)號混凝土，不僅強(qiáng)度要滿足工程標(biāo)準(zhǔn)，工作性也必須滿足施工需求，因此本次試驗(yàn)通過調(diào)整減水劑的用量，保證在各組坍落度及擴(kuò)展度相差不大，通過觀察混凝土攪拌機(jī)中混凝土的狀態(tài)及后續(xù)重復(fù)試驗(yàn)確定，來進(jìn)行混凝土力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性。

坍落度試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 花崗巖機(jī)制砂混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果

從表6 中可以看出花崗巖機(jī)制砂，在摻入混凝土中替代天然砂時(shí)，其規(guī)律基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這說明花崗巖機(jī)制砂在適當(dāng)摻量范圍內(nèi)對于混凝土的工作性能具有提升作用，但是隨著摻量的增大，花崗巖機(jī)制砂混凝土坍落度呈現(xiàn)下降趨勢。究其原因，花崗巖機(jī)制砂的級配較粗時(shí)，砂子細(xì)顆粒占比較小，即使在膠凝材料較高的混凝土中，機(jī)制砂也需要有足夠的細(xì)粉料以確保機(jī)制砂與膠凝材料間形成合理的空間搭配；當(dāng)機(jī)制砂級配偏細(xì)時(shí)，細(xì)骨料比表面積整體升高，需要更多的漿體和水對機(jī)制砂表面進(jìn)行包裹和潤濕，在用水量相同的情況下，為了達(dá)到相同的工作性，減水劑用量也被提升。

3 花崗巖機(jī)制砂微觀形貌試驗(yàn)研究

3.1 SEM 掃描電鏡試驗(yàn)研究

掃描電子顯微鏡（SEM）是一種電子束。樣品表面被掃描后，通過接收、放大和顯示這些信息來顯現(xiàn)圖像，分析樣品的微觀界面。試驗(yàn)選取養(yǎng)護(hù)至28 天后的混凝土試件，從試塊中心部位取被水泥漿包裹均勻的混凝土，劈裂取樣，得到邊長小于0.5cm 的片狀試樣。

3.2 花崗巖機(jī)制砂混凝土SEM 掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果分析

對未摻有機(jī)制砂的基準(zhǔn)組混凝土中心部位進(jìn)行掃描電鏡分析，并與同等養(yǎng)護(hù)條件下GB21 組花崗巖機(jī)制砂混凝土進(jìn)行對比分析。圖3 中（a）、（b）、（c）、（d）為兩組混凝土在掃描電鏡下放大1000 倍、3000 倍的照片。

圖3 低倍放大下混凝土對比SEM 照片

從圖3 中可以看出，在低倍掃描電鏡試驗(yàn)檢測中，基準(zhǔn)組混凝土圍觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)，表面有大孔產(chǎn)生，骨料之間的聯(lián)系并不緊密；而花崗巖機(jī)制砂混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然較為粗糙，但是骨料與膠凝材料直接均勻分布，孔隙較少，內(nèi)部形貌勻稱。在放大3000 倍條件下，可以清晰發(fā)現(xiàn)隨著混凝土的機(jī)制砂中小顆粒含量的增加，混凝土的和易性得到改善，硬化后混凝土更趨于均勻密實(shí)。且隨著混凝土中細(xì)粉料的增加，自由水在粉料表面均勻分布，混凝土硬化后自由水蒸發(fā)所形成的空隙被花崗巖機(jī)制砂細(xì)化。

混凝土可以視為由水泥、砂、石組成的連續(xù)顆粒堆積體系，細(xì)顆粒的花崗巖機(jī)制砂，起到填充骨架的作用，使水泥石結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)更為致密。所以宏觀性能表現(xiàn)為，摻入一定量的花崗巖機(jī)制砂可以提高混凝土早期抗壓強(qiáng)度。

從圖3（c）和3（d）對比觀察可以了解到，在掃描電鏡倍數(shù)調(diào)至3000 倍時(shí)，微觀形貌下基準(zhǔn)組大量水化硅酸鈣C-S-H 凝膠和氫氧化鈣C-H 相互膠結(jié)，整體較致密，但孔隙直徑分布參差不齊，不規(guī)則孔較多；而花崗巖機(jī)制砂混凝土，花崗巖機(jī)制砂可以誘導(dǎo)水化物析晶，促進(jìn)Ca3SiO5和3CaO·Al2O3的水化，機(jī)制砂在水泥漿中的均勻分布，能夠提高有效結(jié)晶產(chǎn)物含量，減少結(jié)晶產(chǎn)物的缺陷，使混凝土過渡區(qū)強(qiáng)度提高，膠凝材料完全包裹機(jī)制砂，提高了對粗細(xì)骨料的膠結(jié)力，孔隙率得到下降，混凝土的強(qiáng)度得到提升。

同時(shí)，因?yàn)榛炷林泻形此念w粒和毛細(xì)孔，當(dāng)水化程度一定時(shí)，水灰比決定了混凝土的孔隙率，一定范圍內(nèi)水灰比越低，混凝土孔隙率越小，所以花崗巖機(jī)制砂的混凝土的力學(xué)強(qiáng)度得到提高。通過觀察放大10000 倍對比掃描電鏡試驗(yàn)圖片，基準(zhǔn)組中的C-H 雖與C-S-H 相互連接，但依然存在大面積C-H 定向富集。微觀下，我們可以觀察到混凝土界面致密，片狀水化產(chǎn)物較少，膠凝材料易于膠結(jié)，結(jié)構(gòu)致密。

4 結(jié)論

本文從確定花崗巖機(jī)制砂替代混凝土中天然砂角度出發(fā)，采用單因素試驗(yàn)方法，研究了機(jī)制砂摻量因素對混凝土拌合物性能的影響，以此確定出了不同機(jī)制砂最佳替代率。通過掃描電鏡對花崗巖機(jī)制砂混凝土進(jìn)行微觀測試分析，分析了機(jī)制砂混凝土微觀形貌宏觀力學(xué)性能之間的聯(lián)系，最終得出以下幾條結(jié)論：

①在花崗巖機(jī)制砂摻入混凝土中替代天然砂時(shí)，塌落度其規(guī)律基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這說明花崗巖機(jī)制砂在適當(dāng)摻量范圍內(nèi)對于混凝土的工作性能具有提升作用，但是隨著摻量的增大，花崗巖機(jī)制砂混凝土坍落度呈現(xiàn)下降趨勢。同時(shí)說明花崗巖機(jī)制砂的參量應(yīng)該在一個(gè)合理的范圍之間。

②通過掃描電鏡和壓汞試驗(yàn)分析，花崗巖機(jī)制砂混凝土的微觀形貌優(yōu)于基準(zhǔn)組混凝土，是因?yàn)榛◢弾r機(jī)制砂改善了水泥水化反應(yīng)造成的C-H 定向富集，增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)性；通過微觀確定了花崗巖代替天然砂的可能性。

③花崗巖機(jī)制砂在一定的范圍內(nèi)可以代替天然砂的使用，解決了花崗巖石材在開采和生產(chǎn)石質(zhì)產(chǎn)品過程中，產(chǎn)生了大量廢棄的粒徑大小不統(tǒng)一的石材廢料的問題，提升了資源綜合利用率，且有效地降低了混凝土的生產(chǎn)成本。