人工砂高云母石粉对抗冲磨混凝土性能影响研究

李新宇，谢国帅，任金明，邢界泉

人工砂高云母石粉对抗冲磨混凝土性能影响研究

李新宇1，谢国帅1，任金明1，邢界泉2

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310014；2.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州310058）

通过控制人工砂中石粉含量，系统研究了高云母石粉对抗冲磨混凝土性能的影响规律。结果表明，在一定范围内，随着人工砂中高云母石粉含量的增加，抗冲磨混凝土单位用水量有所增加，抗压强度与劈拉强度呈现先增加后减小的趋势，但变化幅度相对较小；人工砂中高云母石粉含量对于抗冲磨混凝土早龄期干缩值影响相对较小，对于长龄期干缩值却有较大幅度影响；人工砂中高云母石粉含量与混凝土抗冲磨强度呈现明显的线性负相关关系。适当控制人工砂中高云母石粉含量在一定程度上有利于提高抗冲磨混凝土性能。

人工砂；高云母石粉；抗冲磨混凝土；干缩；抗冲磨强度

0　前言

随着天然砂资源的逐渐减少，目前大型水电工程建设过程中细骨料多采用人工砂方案，但人工砂在生产过程中会不可避免地产生较多石粉，这与天然砂有着显著的区别。根据DL/T5144—2001《水工混凝土施工规范》规定人工砂石粉含量宜控制在6%～18%。然而对于石粉含量的控制范围，尚存在一定的争议。目前关于人工砂石粉含量对混凝土性能影响研究主要针对大坝常态混凝土或碾压混凝土［1-4］，石粉含量对于抗冲磨混凝土性能影响研究较少。

云母一般呈薄片状，表面光滑，强度很低，且易沿节理错裂，与水泥浆的粘结力很差，是混凝土细骨料中有害物质之一，当砂中云母含量超过一定限度时，混凝土拌和物和易性、混凝土强度、耐久性等均有显著降低［5-8］。根据GB/T14684—2011《建筑用砂》和DL/T5144—2001《水工混凝土施工规范》均限定砂中云母含量不得大于2%。但与上述规范配套的试验方法只能测试出砂中粒径大于0.3 mm（或0.315 mm）的游离云母含量，对砂中石粉内的云母含量无法测试，同时目前也没有相应规范对砂中石粉内的云母含量进行限制。如采用现行规范云母含量测试方法，按照目前的生产工艺，即使母岩云母含量很高的岩石也可能轧制出粒径大于0.3 mm的游离云母含量小于2%的人工砂，即人工砂中云母含量满足规范要求，但已有试验结果表明，采用云母含量较高的母岩轧制的人工砂配制出的混凝土和易性和抗拉强度相对较差［9］。

由于抗冲磨混凝土强度等级较高，DL/T5207—2005《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》规定配制高性能抗冲磨蚀的混凝土及其砂浆所用材料“应选用质地坚硬、含石英颗粒多、清洁、级配良好的中粗砂”，该规范在一定程度上对配制抗冲磨混凝土的细骨料品质、级配等技术指标有所限定，但没有明确石粉含量、石粉品质等指标。考虑到云母含量较高的母岩轧制的人工砂石粉云母含量较高，本文通过控制人工砂中高云母石粉含量，系统研究了人工砂中高云母石粉含量变化对抗冲磨混凝土性能的影响规律，以期为相关工程采用高云母石粉人工砂配制优质抗冲磨混凝土提供技术支撑。

1　试验设计

1.1原材料

试验采用42.5中热硅酸盐水泥（P.MH42.5）、II级粉煤灰、聚羧酸减水剂、引气剂、片麻岩粗细骨料等原材料，原材料各项性能基本满足相应规范技术要求。片麻岩原岩主要由石英和黑云母组成，局部有少量石英晶体、方解石和长石等，采用结合图像分析的岩相分析测得原岩中黑云母含量为40%，呈细粒结构。片麻岩原岩经轧制加工得到人工砂，采用规范规定的人工挑选法测得云母含量仅为0.1%，满足规范要求。人工砂石粉含量为14.6%，细度模数为2.78，细骨料颗粒级配试验结果如图1所示，可以看出所选用的人工砂颗粒级配大致在II区中砂范围内。

为了得到不同石粉含量的人工砂，先用摇筛机将人工砂中小于0.16 mm的石粉筛除，试验过程中根据需要在筛除石粉的人工砂中掺加一定量的石粉配制成不同含量石粉（6%、9%、12%、15%、18%）的人工砂，然后开展抗冲磨混凝土试验。筛除得到的石粉采用结合图像分析的岩相分析测得其中云母含量为49%，为高云母石粉，石粉颗粒及其中云母颗粒形貌如图2所示。

图1　人工砂颗粒级配曲线

图2　人工砂石粉颗粒及其中云母颗粒形貌

可以看出，石粉颗粒粒径相对较小，50 μm以下颗粒占有较大部分比例。石粉颗粒呈现大量不规则的棱角状、块状、片状和碎屑状等形态，同时颗粒表面相对粗糙，吸附有一定量微屑。云母颗粒呈薄片状，强度较低，易沿节理面错裂，同时其内部层间结构也较为特殊，可能具有较强的吸附性。

1.2配合比设计

不同高云母石粉含量抗冲磨混凝土配合比参数及新拌性能如表1所示。试验过程中控制混凝土坍落度在50～70 mm之间，含气量在3.0%～4.0%之间，单位用水量、砂率、引气剂等参数根据实际情况进行调整。

1.3抗冲磨混凝土性能

抗冲磨混凝土性能测试主要包括拌和物性能、抗压强度、劈拉强度、干缩变形、抗冲磨强度等指标。其中抗冲磨强度采用水下钢球法和圆环法两种手段进行测试，水下钢球法主要模拟大粒径推移质对混凝土表面的冲磨特性，圆环法主要模拟悬移质在高速水流下对混凝土表面的冲刷特性。

表1　不同高云母石粉含量抗冲磨混凝土配合比参数及新拌性能

2　试验结果与讨论

2.1拌和物性能

抗冲磨混凝土单位用水量随高云母石粉含量变化关系曲线如图3所示。可以看出，随着高云母石粉含量的增加，为了达到同样的坍落度控制范围，抗冲磨混凝土单位用水量需提高，且两者近于线性相关。这主要与高云母石粉颗粒比表面积相对较大、粒形较差、表面粗糙、内部层间结构特殊、吸附性强等特性密切相关，随着高云母石粉含量增加，浸润表面所需水分增加，因而单位用水量提高。

图3　人工砂中高云母石粉含量对抗冲磨混凝土单位用水量影响

表1的结果显示，18%高云母石粉含量的抗冲磨混凝土引气剂掺量较其余组有所提高，但拌合物含气量却仍然相对较小，说明过高的高云母石粉掺量对于抗冲磨混凝土的引气效果有一定不利影响。高云母石粉颗粒表面相对粗糙、吸附性较强，对气泡具有一定的吸附作用从而弱化了引气剂的引气效果。此外，随着石粉含量的增加，人工砂细度模数有所减小，因而配制相应抗冲磨混凝土的最优砂率也稍有降低。

2.2抗压强度

各龄期抗冲磨混凝土抗压强度随高云母石粉含量变化关系曲线如图4所示。结果表明，高云母石粉含量对同水胶比抗冲磨混凝土抗压强度有一定影响，但幅度相对有限。总体而言，抗冲磨混凝土抗压强度随高云母石粉含量增加呈现先增加后减小的趋势，9%高云母石粉含量的抗冲磨混凝土各龄期抗压强度相对较高，说明控制适当的高云母石粉含量对于提高抗冲磨混凝土抗压强度有一定好处。18%高云母石粉含量抗冲磨混凝土抗压强度略有增加，这可能与其拌和物含气量相对较低有一定关系。

图4　人工砂中高云母石粉含量对抗冲磨混凝土抗压强度影响

2.3劈拉强度

各龄期抗冲磨混凝土劈拉强度随高云母石粉含量变化关系曲线如图5所示。可以看出，与抗压强度变化规律类似，抗冲磨混凝土劈拉强度随高云母石粉含量增加呈现先增加后减小的趋势，9%及12%高云母石粉含量的抗冲磨混凝土劈拉强度相对较高，但整体上劈拉强度随高云母石粉含量的变化幅度也相对有限。

图5　人工砂中高云母石粉含量对抗冲磨混凝土劈拉强度影响

2.4干缩

不同高云母石粉含量抗冲磨混凝土干缩变形随龄期变化关系曲线如图6所示。可以看出，各组抗冲磨混凝土干缩变形在90 d龄期内随龄期变化较大，90 d龄期之后则逐渐趋于稳定。高云母石粉含量对于抗冲磨混凝土早龄期干缩值影响相对有限，对于长龄期干缩值却有较大幅度影响，365 d龄期之后各组抗冲磨混凝土干缩值在350×10-6～450× 10-6之间波动，差异相对较大。

图6　人工砂中高云母石粉含量抗冲磨混凝土干缩随龄期变化

各长龄期抗冲磨混凝土干缩值随高云母石粉含量变化关系曲线如图7所示。整体上，抗冲磨混凝土长龄期干缩值随高云母石粉含量的增加而增加，这与人工砂中高云母石粉含量增加后，混凝土单位用水量和胶凝材料量相应增加有较大关系。一般来说，混凝土干缩主要与胶凝材料浆体的收缩密切相关，而胶凝材料浆体的收缩主要与水胶比和用水量有关，通常情况下，水胶比越大、用水量越高，浆体干缩值越大［10］。

图7　人工砂中高云母石粉含量对抗冲磨混凝土干缩影响

2.5抗冲磨强度

抗冲磨混凝土90 d及180 d龄期抗冲磨强度随高云母石粉含量变化关系曲线如图8所示。可以看出，随着高云母石粉含量的增加，水下钢球法和圆环法试验得到的混凝土抗冲磨强度都有一定幅度下降，且两者具有良好的线性相关关系，回归方程如表2所示。

图8　人工砂中高云母石粉含量对混凝土抗冲磨强度影响

表2　人工砂中高云母石粉含量与混凝土抗冲磨强度回归关系

一方面，在混凝土中，骨料的抗冲耐磨性能比硬化水泥浆体高得多，因而水泥浆体与骨料含量的比例对于混凝土抗冲磨强度有着重要影响；另一方面，混凝土的抗冲磨强度又与其表层强度及硬度直接相关［11］。一般而言，混凝土坍落度一定时，降低水泥用量有利于减少混凝土表面浮浆，有利于提高混凝土的抗冲磨强度。随着人工砂中高云母石粉含量的增加，混凝土单位用水量和胶凝材料量相应都有所增加，同时由于云母颗粒多呈薄片状、密度相对较小而易在浆体中悬浮，因而人工砂中高云母石粉含量的增加也加剧了混凝土表层浆体的富集程度，这些都使得混凝土的抗冲磨强度随之下降。

值得注意的是，本试验石粉含量控制在6%～18%之间，因而并不意味着石粉含量越低就一定对混凝土的抗冲磨强度有利。当石粉含量过低时，新拌混凝土容易离析与泌水，骨料与浆体的界面过渡区域相对疏松继而有可能会影响到混凝土的抗冲磨特性，而这些有待在将来作进一步研究。

4　结论

（1）同坍落度控制条件下，抗冲磨混凝土单位用水量随着人工砂中高云母石粉含量的增加而增加。

（2）抗冲磨混凝土抗压强度及劈拉强度随人工砂中高云母石粉含量增加呈现先增加后减小的趋势，但整体上影响幅度相对有限。

（3）人工砂高云母石粉含量对于抗冲磨混凝土早龄期干缩值影响相对较小，对于长龄期干缩值却有较大幅度影响。

（4）人工砂高云母石粉含量对于抗冲磨混凝土抗冲磨强度有着较大影响。在一定范围内，随着高云母石粉含量的增加，混凝土抗冲磨强度逐渐下降，且两者具有良好的线性相关关系。

（5）适当控制人工砂中高云母石粉含量有利于提高抗冲磨混凝土综合性能。

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（责任编辑王琪）

Effect of Mica-rich Stone Powder Contained in Manufactured Sand on the Properties of Abrasion Resistance Concrete

LI Xinyu1，XIE Guoshuai1，REN Jinming1，XING Jiequan2
（1.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310014，Zhejiang，China；2.College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China）

The effects of mica-rich stone powder contained in manufactured sand on the properties of abrasion resistance concrete are systematically studied by controlling the content of stone powder.The test results show that，（a）the unit water use of abrasion resistance concrete will increase while its compressive strength and splitting strength changes slightly with the increase of mica-rich stone powder content；（b）the effect of mica-rich stone powder on the early-age shrinkage of abrasion resistance concrete is negligible while its long-age shrinkage value increase as the increase of mica-rich stone powder content；and（c）the abrasion resistance strength of concrete shows a strong negative linear correlation in terms of mica-rich stone powder content.Maintaining the content of mica-rich stone powder in a proper range will partly contribute to improve the properties of abrasion resistance concrete.

manufacturedsand； mica-richstonepowder； abrasionresistanceconcrete； shrinkage； abrasion resistance strength

TV431

A

0559-9342（2016）02-0106-05

2015-03-05

国家自然科学基金青年基金资助项目（51209219）

李新宇（1978—），男，湖北石首人，教授级高工，博士，主要从事高混凝土坝结构与材料方面的研究.