机制砂MB 值对混凝土性能的影响

左文銮，魏勇，陈雷，范建峰

（南通众润混凝土有限公司利废技术开发中心，江苏 南通 226600）

0 前言

建筑业的飞速发展需要越来越多的混凝土材料[1]，而混凝土材料中的砂石骨料占混凝土质量的 2/3，巨大数量的砂石消耗使得天然资源远远不能满足使用要求，尤其是天然砂资源[2]，因此机制砂成为很多建筑砂的来源。机制砂中 0.075mm以下的颗粒被称为石粉，而天然砂中粒径小于 0.075mm 的颗粒含量被称为含泥量，两者有着本质的区别，石粉为机制砂破碎过程中的副产物，其物理化学性质与母岩性质相同，对混凝土性能的影响有利有弊。由于机制砂是由岩石破碎而成，在生产过程中难免带入部分山皮，导致机制砂中0.075mm 以下颗粒中含有部分泥粉，它们多是天然砂在搬运过程中夹杂的尘屑、淤泥和粘土[3]。泥粉的存在可引起混凝土需水量增加，减弱混凝土性能或更容易被风化，阻碍水泥与骨料胶结的充分发展,妨碍水泥的正常水化或与水泥中成分进行化学反应等负面影响。GB/T14684—2011《建筑用砂》[4]规定混凝土用机制砂需用亚甲蓝方法（MB 值）检测机制砂中泥粉的含量，制定了严格的规定，但未给出解释。现代混凝土对砂石的要求越来越高，特别是高强和高性能混凝土对骨料的要求特别严格，砂的质量严重制约了高性能混凝土的发展[5]，对机制砂 MB 值的研究有利于控制砂的质量，为混凝土的发展提供理论支持。

1 原材料

（1）水泥：采用磊达水泥厂生产的 P·O42.5 级水泥，其部分性能如表1 所示。

（2）粉煤灰：采用南通华锦粉煤灰开发有限公司生产的Ⅱ粉煤灰，其品质如表2 所示。

（3）矿粉：采用南通市恒固建材科技有限公司生产的S95 粒化高炉矿渣粉（简称 S95 矿粉），品质如表3 所示。

表1 磊达水泥厂水泥部分性能指标

表2 粉煤灰品质 %

表3 矿粉品质

（4）细集料：机制砂细度模数 2.8，石粉含量 4.3%，表观密度为 2690kg/m3，机制砂的级配见图1。

（5）粗集料：粗骨料采用南京六合产 5～31.5mm 连续级配碎石，其级配曲线见图2，其他性能指标如表4 所示。

（6）减水剂：江苏某公司生产的 JM-10 聚羧酸减水剂。

（7）水：采用自来水。

图1 机制砂级配曲线

图2 石子级配曲线

表4 粗骨料各项性能指标

2 实验结果及分析

通过石粉和泥粉对机制砂 MB 值的影响，机制砂 MB 值对混凝土力学性能、长期强度、弹性模量、收缩、抗冻性能的影响等几个方面进行了研究分析。

2.1 石粉和泥粉对机制砂 MB 值的影响

不同石粉含量的机制砂的 MB 值见表5 和图3。

为了研究泥粉对 MB 值的影响，实验时先将机制砂中石粉筛除，然后加入两种不同塑性（A、B）的泥粉，实验结果见表6 和图4、5。

表5 不同石粉含量的机制砂的 MB 值

图3 不同石粉含量的机制砂的 MB 值

表6 泥粉对机制砂 MB 值的影响

图4 机制砂中泥粉含量对 MB 值的影响

图5 机制砂 MB 值与泥粉特性的关系

由图4 和图5 可以看出，泥粉的 MB 值与泥土的性质有关。相同泥粉含量时，机制砂的 MB 值与液限指数、塑限指数、液塑限指数的相关性的顺序为液限指数＞液塑限指数＞塑限指数。因此，可以认为机制砂中泥粉的液限指数决定着机制砂的 MB 值。

通过以上的实验分析表明，机制砂中石粉和泥粉两者的性质不能等同，适当的石粉可以调节混凝土的性能，而泥粉则是有害物质。同时机制砂的 MB 值越大，对水的吸附性越强。

2.2 机制砂 MB 值对混凝土力学性能的影响

主要研究机制砂 MB 值对低强度等级混凝土和高强度等级混凝土的强度的影响，见表7。

低强度混凝土的具体配合比为：水泥 260kg/m3，粉煤灰60kg/m3，矿粉 65kg/m3，水 160kg/m3，聚羧酸系 JM-10 型减水剂 5.8kg/m3，碎石 1045kg/m3，机制砂 773kg/m3（包含石粉与泥粉的质量）。

表7 机制砂 MB 值对低等级混凝土的强度的影响

从表7 可以看出，随着机制砂 MB 值的增加，低等级混凝土的强度都出现了一个先略增长再下降的趋势，7d 强度和28d 强度在 MB 值为 1.05 时出现了个最大值，但是随着 MB值的继续增大，混凝土的抗压强度下降且 7d 下降的幅度要比28d 的大。抗折强度也出现先增大后降低的趋势，在 MB 值为1.05 时达到了最大值，随 MB 值的增大抗折强度的下降幅度更加明显。呈现这种趋势的原因可能是对于低强度等级混凝土而言,其水胶比较大，易于产生离析泌水，泌水在粗集料表面富集，形成薄弱的界面过渡区，降低混凝土的强度，而 MB值的提高（泥粉的加入）改善了水泥浆体的保水性，降低了自由水在集料表面的富集，从而在一定程度上改善了混凝土界面过渡区，提高了混凝土强度；但另一方面，机制砂 MB值（泥粉含量）的提高，影响了水泥的正常水化，降低了混凝土中水泥石的强度，且泥粉的增加，也导致了混凝土内部大量自由水被吸附，内部形成更多的微裂纹，这都导致混凝土强度的降低。机制砂 MB 值两种效应共同作用，导致低强混凝土随 MB 值增大，呈现先增大后降低的趋势，且当 MB值达到一定程度时，其后一种作用更加显著，同时对于混凝土而言，混凝土内部裂缝对抗折强度劣化作用较抗压强度更显著，因此也就出现了随 MB 值提高折压比下降的现象。

高强度等级混凝土的具体配合比为：水泥 440kg/m3，矿物掺合料 60kg/m3，水 160kg/m3，聚羧酸系 JM-10 型减水剂10kg/m3，石子 1077kg/m3，机制砂 718kg/m3（包含泥粉与石粉的质量）。

表8 机制砂 MB 值对高等级混凝土的强度的影响

由表8 可以看出，机制砂 MB 值对高等级机制砂混凝土的早期抗压强度的影响较为显著，由于泥粉含量的增加导致混凝土早期抗压强度的下降，但对混凝土后期抗压强度没有明显的影响。机制砂 MB 值变化对水泥的抗折强度影响明显，混凝土抗折强度最高降低约 15%，且抗折降低幅度略高于普通混凝土。对于高强机制砂混凝土而言，由于高强机制砂胶凝材料用量较高，水胶比较低，机制砂 MB 值提高混凝土保水作用，降低界面过渡区厚度的影响效应不明显，而泥粉阻碍水泥水化的效应则被较为明显的体现出来。

2.3 机制砂 MB 值对混凝土长期强度的影响

为了研究机制砂 MB 值对混凝土长期强度的影响，对前述高等级强度混凝土进行了实验，28d 后自然养护，其结果见表9 和图6。

表9 机制砂 MB 值对混凝土长期强度的影响

图6 机制砂 MB 值对混凝土长期强度的影响

从上述图表可以看出，60d 前，混凝土的强度略增长，60d 后强度开始出现倒缩， MB 值在 1.5 以后尤为明显，且倒缩幅度较大。分析其原因是长期自然养护的过程中，混凝土中水分缺失，内部水化颗粒水化中止，所以强度略微增长，且随着 MB 值的增大，泥粉含量增加，导致混凝土在干燥过程中内部裂缝加剧，造成混凝土强度倒缩。

2.4 机制砂 MB 值对混凝土弹性模量的影响

为了对比研究机制砂 MB 值对混凝上静压弹性模量的影响，试验采用配合比为：水泥 400kg/m3，粉煤灰 60kg/m3，水160kg/m3，机制砂（包含石粉与泥粉的质量）720kg/m3，碎石1110kg/m3，外加剂 JM-10 型 9.8kg/m3。实验结果见表10 和图7。

表10 机制砂 MB 值对混凝土弹性模量的影响

图7 机制砂 MB 值对混凝土弹性模量的影响

从图7 可以看出，随着 MB 值的增大，混凝土的弹性模量出现先增大又降低的趋势，在 MB 值为 1.05 前，弹性模量略微增长，在 1.05 到 1.85 之间又略微下降，1.85 之前总体变化幅度不大，但在 2.2 时急剧下降。这肯能是因为：在 MB 值为 1.85 之前，泥粉的含量不大，对混凝土的弹性模量影响不大，弹性模量是略微的增长和下降，但当 MB 值过了 1.85 以后，泥粉的含量提高了，阻碍了水泥的正常水化，降低了水泥石的强度，从而导致了混凝土弹性模量的降低。

2.5 机制砂 MB 值对混凝土收缩的影响

通过实验对比研究机制砂 MB 值对混凝土收缩的影响，其混凝土的配合比前述高强度等级混凝土的配比，具体为水泥 440kg/m3，矿物掺合料 60kg/m3，水 160kg/m3，聚羧酸系JM-10 型减水剂 10kg/m3，石子 1077kg/m3，机制砂 718kg/m3（包含泥粉与石粉的质量）。实验结果见表11 和图8。

表11 机制砂 MB 值对高强混凝土收缩性能的影响

图8 机制砂 MB 值对高强混凝土收缩性能的影响

由图8 可以看出混凝土收缩率随着 MB 值的增大而增大，且早期收缩显著，这主要是因为高强机制砂混凝土水胶比较低，而泥粉的存在又吸附了大量的游离水，混凝土内部相对湿度进一步降低，致使高强混凝土的自收缩加剧，最终导致高强机制砂混凝土早期干缩及整体收缩加剧。

3.6 机制砂 MB 值对混凝土抗冻性能的影响

实验配比仍为上述高强度等级混凝土的配比，本实验采用相对动弹模量来表征混凝土的抗冻性能，其实验结果见表12。

表12 机制砂 MB 值对混凝土抗冻性能的影响

从表12 可以看出，在冻融循环 100 次以下时，机制砂MB 值对混凝土相对动弹模量的影响并不显著，但当冻融循环达到 150 次时，MB 值为 1.85 的混凝土的相对动弹模量首先出现大幅度降低，当冻融循环增加到 200 次时，几乎所有的混凝土都出现了相对动弹模量的显著降低，且 MB 值越大，降低幅度越大。

对于混凝土出现这种趋势的原因分析认为：机制砂中泥粉为松散型，均匀分散于水泥石中，其疏松多孔的结构容纳了大量的毛细孔水，其毛细管壁的强度要低于正常水泥石毛细管壁，在经受多次反复的冻融循环后，含泥粉的毛细管壁被破坏，导致混凝土相对动弹模量降低。

3 结论

通过以上实验研究分析，得出以下结论：

（1）机制砂中石粉含量对机制砂的 MB 值的影响不大，机制砂的 MB 值主要受机制砂中泥粉含量的影响，泥粉的液限指数决定着机制砂的 MB 值。

（2）对于低强度等级混凝土而言，随着机制砂 MB 值的增大，混凝土的 28d 抗折强度、7d 和 28d 的抗压强度均出现了先增大又降低的趋势，且都在 MB 值为 1.05 时出现了最大值。对于高强度等级的混凝土而言，随着机制砂 MB 值的增加，混凝土的早期抗压强度明显下降，但 28d 强度影响不显著，混凝土的抗折强度下降幅度较大，比低强度的幅度大。

（3）机制砂 MB 值对混凝土长期强度的影响可总结为60d 前，混凝土的强度略增长，60d 后强度开始出现倒缩，MB 值在 1.5 以后尤为明显，且倒缩幅度较大。

（4）随着 MB 值的增大，混凝土的弹性模量出现先增大又降低的趋势，在 MB 值为 1.05 前，弹性模量略微增长，在1.05 到 1.85 之间又略微下降，1.85 之前总体变化幅度不大，但过了 1.85 后，泥粉含量的提高阻碍了水泥的正常水化，降低了水泥石的强度，从而导致了混凝土弹性模量的降低。

（5）混凝土收缩率随着 MB 值的增大而增大，且早期收缩显著。

（6）在冻融循环 100 次以下时，机制砂 MB 值对混凝土相对动弹模量的影响并不显著，但当冻融循环达到 150 次时，MB 值为 1.85 的混凝土的相对动弹模量首先出现大幅度降低，当冻融循环增加到 200 次时，几乎所有的混凝土都出现了相对动弹模量的显著降低，且 MB 值越大，降低幅度越大。

[1]吴忠伟，廉惠珍.高性能混凝土[M].北京：中国铁道出版社，1999.

[2]牛威.人工砂 MB 值及其对砂浆、混凝土性能影响的研究[D].北京建筑工程学院，2011.

[3]王稷良.机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉理工大学，2008.

[4]GB/T14684-2011.建筑用砂.

[5]李北星，周明凯，蔡基伟，等.机制砂中石粉含量对不同强度等级混凝土性能的影响研究[J].混凝土，2008(7): 51-54.