機(jī)制砂巖性及石粉含量對MB值、砂漿流動(dòng)性及C35混凝土力學(xué)性能的影響

引言隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益發(fā)展，混凝土的用量急劇增加，而砂石作為混凝土中的主要原材料，占混凝土總體積的70%~80%[1]。但天然砂作為自然資源，一方面短時(shí)間內(nèi)不可再生，另一方面，河砂被過度采伐會(huì)導(dǎo)致河床蓄水層被破壞、河床產(chǎn)生松動(dòng)及地表河水大量滲漏，因此，國家加大保護(hù)生態(tài)的力度，限制了天然砂的開采，使得天然砂資源越來越匱乏[2-3]，在此背景下，機(jī)制砂逐漸取代天然河砂已經(jīng)成為一種趨勢。機(jī)制砂泛指以石灰?guī)r、石英巖、花崗巖等巖石為原料，經(jīng)過除土處理后由機(jī)械破碎、篩分等過程得到粒徑在4.75mm以下的且粒形和級配滿足要求的巖石、尾礦、廢渣等顆粒，但不包含那些輕質(zhì)巖和風(fēng)化巖所形成的顆粒[4-6]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂的石粉含量以及MB值是機(jī)制砂檢測以及選用的關(guān)鍵性能控制指標(biāo)，機(jī)制砂區(qū)別于天然砂的最顯著特點(diǎn)是其破碎生產(chǎn)中產(chǎn)生質(zhì)量15%~25%的粒徑小于75μm的石粉[7]，不同于天然砂中的泥粉，石粉是機(jī)制砂生產(chǎn)過程中的產(chǎn)物，其成分與泥砂完全不同，對混凝土、砂漿拌合物的流動(dòng)性、泌水性等性能都有一定的影響[8]。而機(jī)制砂的品質(zhì)很大程度上取決于母巖[9]，機(jī)制砂中小于0.075mm顆粒的主要成分與母巖化學(xué)性質(zhì)基本相同[10]，不同的巖性也會(huì)影響到砂漿拌合物的性能，Bonavetti[11]研究發(fā)現(xiàn)，石英粉可以增大膠砂的抗壓強(qiáng)度，而花崗巖石粉對膠砂抗壓強(qiáng)度作用無明顯規(guī)律。劉凱等[12]的研究則表明當(dāng)石粉含量占膠凝材料的7%時(shí)，所制備的混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。同時(shí)不同的機(jī)制砂類型對亞甲基藍(lán)的吸附程度不同，也會(huì)對MB值有一定的影響。因此，本文基于佛山第一環(huán)路西延伸工程，采用項(xiàng)目周邊可選用的花崗巖機(jī)制砂、石灰?guī)r卵石機(jī)制砂以及石灰?guī)r礫石機(jī)制砂，研究機(jī)制砂的巖性及石粉含量對MB值、砂漿流動(dòng)性值以及C35混凝土力學(xué)性能的影響，為優(yōu)化機(jī)制砂混凝土的制備提供參考。1、原材料

機(jī)制砂：花崗巖機(jī)制砂、石灰?guī)r卵石機(jī)制砂以及石灰?guī)r礫石機(jī)制砂均來自廣東佛山的機(jī)制砂生產(chǎn)廠，其基本材料性能見表1，花崗巖機(jī)制砂和石灰?guī)r機(jī)制砂的化學(xué)組成見表2。表1

機(jī)制砂的基本性能表2

機(jī)制砂的化學(xué)組成%水泥：廣東水泥廠生產(chǎn)的P·O52.5水泥，其3d強(qiáng)度32.5MPa，28d強(qiáng)度59.8MPa。粉煤灰：廣東清遠(yuǎn)電廠生產(chǎn)的I級粉煤灰，其燒失量3.3%，需水量比95%。外加劑：廣東外加劑廠生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑，其含固量25%，減水率25%。2、試驗(yàn)方法

制備不同石粉含量的機(jī)制砂試樣先將上述3種機(jī)制砂清洗，自然干燥，通過0.075mm篩的通過率為0%，便得到石粉含量為0%的機(jī)制砂試樣；接著將石粉按0%、3%、5%、7%、10%、12%、15%的比例與清洗干燥后的機(jī)制砂混合，制備出不同巖性以及不同石粉含量的機(jī)制砂試樣；所用的混合石粉由相應(yīng)的機(jī)制砂經(jīng)過0.075篩后獲得。機(jī)制砂MB值的測試按照GB/T14684—2022《建筑用砂》中的規(guī)定進(jìn)行。砂漿的流動(dòng)性試驗(yàn)所使用的配合比參照J(rèn)G/T486—2015《混凝土用復(fù)合摻合料》中流動(dòng)性試驗(yàn)方法對應(yīng)的試樣砂漿配合比，考慮到在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)加入一定量的外加劑，因此在流動(dòng)性試驗(yàn)的配合比中也相應(yīng)地加入一定量的高性能聚羧酸減水劑，砂漿流動(dòng)性的基準(zhǔn)配合比見表3。表3

砂漿流動(dòng)性試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比g選取石粉含量為5%、7%、10%、15%的機(jī)制砂制備C35機(jī)制砂混凝土，對比研究機(jī)制砂石粉含量對C35混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)配合比見表4。再選用石粉含量為7%的不同種類機(jī)制砂與河砂，對比研究花崗巖、石灰?guī)r機(jī)制砂石和河砂對C35混凝土力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)配合比見表5。表4

不同石粉含量的C35機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)配合比表5

不同砂石類型的C35機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)配合比3、結(jié)果與討論

3.1機(jī)制砂的巖性及石粉含量對MB值的影響不同石粉含量的花崗巖機(jī)制砂、石灰?guī)r卵石機(jī)制砂以及石灰?guī)r礫石機(jī)制砂的MB值變化規(guī)律如圖1～圖3所示。由圖1～圖3可知，（1）在石粉含量為0%時(shí)，3種機(jī)制砂的MB值均為0.25；（2）石粉含量為0%~15%時(shí)，花崗巖機(jī)制砂的MB值保持不變，而石灰?guī)r機(jī)制砂的MB值則隨著石粉含量的增加而逐漸增加；（3）對比石灰?guī)r2種形態(tài)的機(jī)制砂，隨著石粉含量的增加，石灰?guī)r卵石機(jī)制砂的MB值從0.25增加到0.9，而石灰?guī)r礫石機(jī)制砂的MB值則從0.25增加到2.25，可見石灰?guī)r礫石機(jī)制砂MB值的增加效果更明顯；（4）石粉含量從0%增加到3%時(shí)，花崗巖機(jī)制砂和石灰?guī)r卵石機(jī)制砂的MB值沒有變化，而石灰?guī)r礫石機(jī)制砂的MB值則從0.25%增加到1%，增加幅度大于前2種機(jī)制砂；石粉含量為3%~5%時(shí)，石灰?guī)r機(jī)制砂的MB值都有明顯的增加，而在3%~7%石粉含量范圍內(nèi)，MB值的增加幅度隨石粉含量的增加而減少。由此可見，機(jī)制砂本身對MB有一定的吸附作用。姚楚康[13]的研究發(fā)現(xiàn)，母巖風(fēng)化程度越高，粘土質(zhì)成分就越多，質(zhì)地越疏松、砂粒的堅(jiān)固性越差，對亞甲藍(lán)的吸附能力也越強(qiáng)?？傮w來看，對比3種機(jī)制砂，石粉含量對于MB值的影響情況如下：石灰?guī)r礫石機(jī)制砂>石灰?guī)r卵石機(jī)制砂>花崗巖碎石機(jī)制砂。圖1

花崗巖機(jī)制砂MB值圖2

石灰?guī)r卵石機(jī)制砂MB值圖3

石灰?guī)r礫石機(jī)制砂MB值3.2機(jī)制砂的巖性以及石粉含量對砂漿流動(dòng)性的影響進(jìn)行不同石粉含量的花崗巖機(jī)制砂、石灰?guī)r卵石機(jī)制砂及石灰?guī)r礫石機(jī)制砂的流動(dòng)性試驗(yàn)，機(jī)制砂流動(dòng)性能隨石粉含量的變化規(guī)律如圖4～圖6所示。由圖4～圖6可知，（1）當(dāng)石粉含量為0%時(shí)，石灰?guī)r卵石機(jī)制砂砂漿流動(dòng)性能最佳，而當(dāng)石粉含量從0%增加到15%時(shí)，石灰?guī)r礫石機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性逐漸降低，而花崗巖機(jī)制砂和石灰?guī)r卵石機(jī)制砂的流動(dòng)性都呈現(xiàn)出先提高后降低的現(xiàn)象；（2）當(dāng)石粉含量為5%時(shí)，花崗巖機(jī)制砂和石灰?guī)r卵石機(jī)制砂的流動(dòng)性都達(dá)到最大。分析原因：當(dāng)摻入少量石粉的時(shí)候，其顆粒能夠補(bǔ)充砂漿的細(xì)微結(jié)構(gòu)，起到優(yōu)化機(jī)制砂顆粒級配的作用，使得砂漿的流動(dòng)性得到提升，而當(dāng)石粉含量過多時(shí)，機(jī)制砂的總比表面積隨之增大，導(dǎo)致粉體與水的接觸面積增大，從而使砂漿的需水量提高，在一定的用水量下，石粉含量的增加就會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性能降低。對比3種機(jī)制砂，石粉含量對不同機(jī)制砂砂漿流動(dòng)性的影響程度為：石灰?guī)r礫石機(jī)制砂＞石灰?guī)r卵石機(jī)制砂＞花崗巖碎石機(jī)制砂。

圖4

花崗巖機(jī)制砂砂漿流動(dòng)度圖5

石灰?guī)r卵石機(jī)制砂砂漿流動(dòng)度圖6

石灰?guī)r礫石機(jī)制砂砂漿流動(dòng)度3.3機(jī)制砂的巖性以及石粉含量對C35混凝土力學(xué)性能的影響不同石粉含量的C35機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。不同巖性的C35機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖9、圖10所示。由圖7、圖8可知，隨著石粉含量的增加，C35混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度以及彈性模量都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；而在石粉含量為7%時(shí)，混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能都達(dá)到最佳。分析原因，這可能是當(dāng)石粉含量過低時(shí)，未能充分發(fā)揮其微填充作用，不能有效填充骨料間的空隙；而當(dāng)石粉含量過高時(shí)，石粉的增加使得骨料的比表面積增加，從而導(dǎo)致骨料表面的漿體層變薄，降低了混凝土骨料間的粘結(jié)力，最終使混凝土的強(qiáng)度下降。Celik和Marar[14]通過研究發(fā)現(xiàn)，在水灰比固定的情況下，混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度會(huì)隨著石粉含量的增加而存在一個(gè)最優(yōu)值，這是因?yàn)楫?dāng)石粉含量小于5%時(shí)，石粉無法完全填充骨料與水泥漿之間的空隙，而當(dāng)石粉含量大于10%時(shí)，則沒有足夠的水泥漿體包裹粗細(xì)集料顆粒，從而使混凝土抗壓抗折強(qiáng)度下降。

圖7不同石粉含量的C35混凝土抗壓強(qiáng)度圖8不同石粉含量的C35混凝土抗折強(qiáng)度和彈性模量由圖9、圖10可知，石粉含量為7%時(shí)，花崗巖和石灰?guī)r機(jī)制砂所制備的C35混凝土其各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)都能符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)在不同齡期時(shí)，其抗壓、抗折強(qiáng)度都高于同齡期的用河砂制備的混凝土；對比2種機(jī)制砂則發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土在不同齡期的強(qiáng)度要高于同齡期的花崗巖機(jī)制砂混凝土。這是由于花崗巖的主要化學(xué)成分為SiO2，活性SiO2能與水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，從而有利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。石灰?guī)r則是以方解石為主要成分的碳酸鹽巖，CaCO3石粉的摻入，可以與水泥中的C3A反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣，C3A的消耗則可以抑制水化早期形成的鈣礬石的轉(zhuǎn)化，同時(shí)石灰?guī)r石粉的較高比表面積能夠填充混凝土中的孔隙，這都有利于提高混凝土的抗壓抗折強(qiáng)度。周鴻煜[15]通過研究發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度在不同齡期的強(qiáng)度高于花崗巖機(jī)制砂，這與不同巖性機(jī)制砂的壓碎值有一定關(guān)系，當(dāng)壓碎值較小時(shí)，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度也可能較小。圖9不同巖性的C35機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度

圖10不同巖性的C35機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度和彈性模量

結(jié)論

本文研究機(jī)制砂不同巖性及石粉含量對MB值、砂漿流動(dòng)性及C35混凝土力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論：（1）花崗巖機(jī)制砂、石灰?guī)r卵石機(jī)制砂及石灰?guī)r礫石機(jī)制砂的MB值均隨著石粉含量的增加有對應(yīng)的變化。花崗巖機(jī)制砂的MB值隨石粉含量的增加而保持不變，石灰?guī)r機(jī)制砂的MB值則隨著石粉含量的增加而增加，相對而言，碎石形態(tài)的石灰?guī)r所制備的機(jī)制砂，其MB增加范圍比石灰?guī)r卵石機(jī)制砂要更大，總體看來，石粉含量的變化對機(jī)制砂MB值的影響為：石灰?guī)r礫石機(jī)制砂>石灰?guī)r卵石機(jī)制砂>花崗巖碎石機(jī)制砂。（2）花崗巖機(jī)制砂、石灰?guī)r卵石機(jī)制砂及石灰?guī)r礫石機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性隨石粉含量變化的規(guī)律為：隨著石粉含量的增加，石灰?guī)r礫石機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性降低，石灰?guī)r卵石機(jī)制砂和花崗巖機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性先增大后減少，在石粉含量達(dá)到5%時(shí)，這2類機(jī)制砂的砂漿流動(dòng)性都達(dá)到最佳，而在石粉含量達(dá)到15%時(shí)，3