石灰岩机制砂砂浆的干缩与耐磨性能

崔强，高超，陈富强，孔令才，杨大田，卿丽雅

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.广西壮族自治区公路管理局，广西南宁 530001)

石灰岩机制砂砂浆的干缩与耐磨性能

崔强1，高超1，陈富强2，孔令才2，杨大田1，卿丽雅1

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.广西壮族自治区公路管理局，广西南宁 530001)

为研究石灰岩机制砂中石粉的质量分数和亚甲蓝值对砂浆干缩、耐磨性能的影响，通过亚甲蓝试验对黏土与亚甲蓝值之间的关系进行回归分析，并配制不同石粉的质量分数和亚甲蓝值的机制砂水泥砂浆，对其进行干缩、磨耗试验。研究结果表明:石粉的质量分数为10%时砂浆耐磨性能最好，干缩率最小；亚甲蓝值越大，干缩率越大，耐磨性越差；砂浆干缩率与磨耗值呈正相关，工程应用中可以通过控制砂浆的干缩来提高其耐磨性能。

机制砂；石粉；亚甲蓝值；干缩；耐磨性

水泥混凝土路面表面磨耗损坏首先从面层砂浆开始，砂浆的磨损导致路面粗集料外露，砂浆的耐磨性能对水泥混凝土路面的路用性能影响较大[1-3]。良好的水泥砂浆耐磨性能是水泥混凝土路面拥有良好路用性能的先决条件，尤其是机制砂水泥混凝土路面，耐磨性能不足严重限制其推广使用。石灰岩机制砂水泥砂浆的组成材料中，砂占有较大的比例，由于生产工艺及条件等方面的原因，砂浆组成材料中不可避免地掺入了少量的石粉及黏土。石粉主要以与机制砂岩性相同的母岩研磨成的粉末，与母岩物理性质相似，是机制砂生产过程中必然产生的成分；黏土主要是由于母岩表面裹覆的泥质及掺杂的风化岩在研磨过程中无法彻底清除而掺入到砂中。现有研究表明：石粉及黏土的质量分数对水泥混凝土的收缩、耐磨等性能有不可忽略的影响[4-12]。本文通过亚甲蓝试验、水泥砂浆干缩试验以及耐磨耗试验研究石粉、黏土对石灰岩机制砂水泥砂浆的干缩和耐磨性能的影响。

1 试验设计

1.1原材料

本文试验采用拉法基水泥，强度等级为42.5，比表面积为333 m2/kg，密度为2.996 g/cm3；试验用砂为石灰岩机制砂，细度模数为2.51，级配见表1；石粉采用石灰岩磨制的石粉，密度为2.680 g/cm3。

表1 石灰岩机制砂级配

1.2试验方法

为了研究机制砂中黏土的质量分数与亚甲蓝值的关系，首先采用水洗法除去机制砂中小于0.075 mm的石粉，烘干备用。按照文献[13]中细集料亚甲蓝试验方法，对不同黏土的质量分数的机制砂进行亚甲蓝值测定，确定黏土的质量分数与亚甲蓝值之间的关系，为后续试验做准备。

在洗净的机制砂中掺加不同质量分数的黏土和石粉，根据文献[14]中水泥胶砂干缩试验方法，对不同黏土、石粉的质量分数的水泥砂浆进行干缩试验。按水灰比0.38、灰砂比0.5，成型尺寸为25 mm×25 mm×280 mm的砂浆试件。放入温度为20±1 ℃、相对湿度为95%的养护箱中养护。用比长仪测量4、11、18、25 d试件的长度，由长度变化来确定水泥砂浆的干缩性能。

在洗净的机制砂中掺加不同质量分数的黏土和石粉，根据文献[14]中水泥胶砂耐磨性试验方法进行水泥砂浆的耐磨性试验，研究黏土、石粉的质量分数对水泥砂浆的耐磨性的影响。

2 结果与讨论

图1 亚甲蓝值与黏土含量关系

2.1黏土的质量分数与亚甲蓝值的相关性试验

根据相关研究[9-12]，混凝土的工作性能随细集料黏土的质量分数的增加而变差，当黏土的质量分数超过3%时，混凝土的干缩率将大幅增加，强度显著降低。为探求黏土的质量分数与亚甲蓝值的关系，本文配制了黏土的质量分数分别0、1%、2%、3%、4%的水泥砂浆进行亚甲蓝试验。不同黏土含量与亚甲蓝值的关系如图1所示。由图1可知，随着黏土的质量分数增大，亚甲蓝值随之增大，且具有良好的线性相关性。

2.2亚甲蓝值对水泥砂浆干缩性的影响

根据图1中得到的亚甲蓝值随黏土质量分数的变化曲线，算得亚甲蓝值分别为1和2时对应的黏土的质量分数，并以此分别配制石粉质量分数不同的水泥砂浆，测量其在不同龄期的干缩率见表2。

表2 不同石粉的质量分数和亚甲蓝值砂浆各龄期干缩率

由表2可以看出：随着黏土质量分数增加，各龄期水泥砂浆的干缩率都增大，说明黏土的存在会增加水泥砂浆的干缩。这是由于黏土包裹在机制砂颗粒表面，阻碍水泥水化，且降低水泥砂浆的和易性，拌合不均匀[12,15]，从而使水泥浆体存在更多的游离水。随着龄期增加，游离水的挥发使得水泥砂浆干缩增大。3种石粉的质量分数下，不同亚甲蓝值水泥砂浆干缩率见图2。

a) 石粉的质量分数为0 b) 石粉的质量分数为10% c) 石粉的质量分数为20%图2 不同亚甲蓝值水泥砂浆的干缩率

由图2可知，不同亚甲蓝值水泥砂浆的干缩率早期变化较大，随着龄期的增长则趋于平缓。随着龄期的增加，水泥砂浆的干缩率逐渐增大。这是因为水泥水化程度随龄期增大而提高，水分散失增加，干缩增大。

水泥砂浆早期的干缩率随亚甲蓝值变化的差别不大，随着龄期增加，不同亚甲蓝值的干缩率差异越来越明显，这可能是因为水泥砂浆的干缩主要是浆体失水造成的。在早期，水泥首先与浆体中的游离水接触而发生水化，由于形成的水化产物的体积小于水泥和水的总体积，水泥砂浆呈现一定的体积收缩[16-17]；黏土吸附部分游离水[18]，尽管黏土的质量分数不同，但总体较小，浆体中仍有较充足的游离水，砂浆内部水分的蒸发散失以浆体中的游离水为主，因此相同石粉的质量分数、不同黏土的质量分数水泥砂浆的干缩值及总体收缩值相近，亚甲蓝值对砂浆早期干缩率的影响不大。随着浆体中游离水因为水化作用逐渐散失，黏土吸附水分的散失成为水泥砂浆干缩的主要来源，亚甲蓝值差异对干缩率的影响逐渐明显，亚甲蓝值越大，黏土的质量分数越高，水泥砂浆的干缩率相应增大。

2.3石粉的质量分数对水泥砂浆干缩性的影响

3种亚甲蓝值下，不同石粉的质量分数的水泥砂浆在不同龄期的干缩率如图3所示。

a) 亚甲蓝值为0 b) 亚甲蓝值为1 c) 亚甲蓝值为2图3 不同石粉的水泥砂浆的干缩率

从图3中可以看出，当石粉的质量分数为10%时，25 d砂浆干缩率最小，石粉的质量分数为20%时25 d砂浆干缩率最大，说明掺加一定量的石粉有助于减少水泥砂浆的干缩，而过量的石粉反而会加大砂浆的干缩率。这是因为石粉可以有效改善水泥砂浆的和易性，减少离析和泌水现象，使得水泥砂浆能充分拌合均匀。同时，石粉以微集料的形式存在于水泥砂浆中，改善了水泥砂浆中的孔结构，使孔径得以细化和均化，从而减少水泥砂浆的干缩。但是，当石粉的质量分数过大、水灰比不变时，水化作用和水化产物减少，水泥浆体结构密实度降低且富余水量增多，导致后期干缩增大。因此，对于机制砂水泥砂浆的干缩性而言，石粉的最佳质量分数为10%左右，在最佳质量分数范围内，有助于减少水泥砂浆的干缩，超过最佳质量分数，则会加大干缩。

2.4石粉的质量分数、亚甲蓝值对水泥砂浆耐磨性的影响

不同石粉的质量分数、亚甲蓝值水泥砂浆的单位面积磨损量见表3。

表3 不同石粉质量分数、亚甲蓝值水泥砂浆的25 d磨损量

从表3中可以看出，同一石粉的质量分数下，随着亚甲蓝值的增大，黏土的质量分数越高，单位面积磨损量增加，即耐磨性降低。这是因为砂表面被黏土泥包裹，阻碍了砂与水泥基的粘结，形成强度薄弱区，降低了水泥基与砂的粘结力，同时黏土杂质会对水泥的水化产生影响，增加了腐蚀破坏作用，黏土在拌合时遇水粘结成团，不易散开，同时降低水泥砂浆的和易性，从而降低了水泥砂浆的强度和耐磨性。

表3还表明：加入少量石粉，可有效减少水泥砂浆的磨损量，但当石粉的质量分数超过10%时，磨损量反而增加。这是因为适量石粉改善了胶凝材料物理级配和水泥砂浆界面结构，减少了水化初期水化物的相互粘结，提高了水泥砂浆的和易性，减少了离析和泌水，使水泥砂浆形成密实充填结构和细观层次的自紧密规程堆积体系，改善了水泥砂浆的孔结构，降低孔隙率并减少了最大孔径尺寸[19]。石粉的此种微集料效应，使得水泥水化产物分布均匀，从而提高混凝土密实度。同时石粉抑制了碱骨料反应，降低了水化热，减少了混凝土结构早期温度裂缝。其活性在水泥水化时亦能发挥，进而提高水泥砂浆的强度，耐磨性与强度硬度息息相关，强度增加，耐磨性增加[20-21]。但当石粉的质量分数超过10%时，过多的石粉包裹在集料表面，减弱了机制砂间的机械啮合力。同时石粉较大的表面积会吸收本应提供于水泥水化的游离水，减弱了水泥水化作用，导致水泥砂浆的强度降低，耐磨性能减弱；水泥水化消耗的水量减少，石粉吸附的游离水较多，散失后留下了大量分散的空隙，这些空隙也会降低砂浆的耐磨性能。

2.5砂浆干缩率与磨耗值相关性分析

图4 砂浆25 d干缩率与磨耗值关系曲线

对3组砂浆的25 d干缩率与磨损值进行回归分析，绘制成曲线如图4所示。

由图4可知，砂浆干缩率与磨损值呈正相关，当干缩率减小时其磨损值减小，干缩率增加时其磨损值增大。说明砂浆干缩减小其耐磨性能增强，砂浆干缩增大其耐磨性能减弱。这是因为砂浆失水收缩受到粗颗粒的阻碍，干缩率越大，在砂浆表面形成微裂缝越多，这些微裂缝降低了砂浆表面抗磨耗损失的能力。

3 结论

1)亚甲蓝值对砂浆早期干缩率的影响不大，干缩率随亚甲蓝值增大而增大，且随龄期增大，增大趋势越来越明显。

2)随着石粉的质量分数增加，砂浆各个龄期的干缩率先减小后增大。在石粉的质量分数为10%左右时干缩率达到最小。

3)随着黏土的质量分数增加，亚甲蓝值增大，砂浆的耐磨性能降低。

4)石粉的质量分数为10%左右有利于增强砂浆抵抗磨耗损失的能力，石粉的质量分数过大反而会降低砂浆的耐磨性能。

5)当砂浆的干缩率增大时，其耐磨性能随之减弱，实际工程应用中控制砂浆的耐磨性能可以从控制其干缩性能入手。

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(责任编辑：郎伟锋)

DryShrinkageandWearResistanceofMortarwithLimestoneManufacturedSand

CUIQiang1,GAOChao1,CHENFuqiang2,KONGLingcai2,YANGDatian1,QINGLiya1

(1.SchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 2.HighwayManagementBureauofGuangxiZhuangAutonomousRegion,Nanning530001,China)

In order to study the influence of the limestone powder content and methylene blue value of the limestone manufactured sand on mortar′s dry shrinkage and wear resistance, the relationship between the clay content and methylene blue value is analyzed by the methylene blue tests and then the mortar with different limestone powder content and methylene blue value is prepared, and drying shrinkage tests and wear tests are carried out. The results show that the mortar with 10% limestone power has the best wear resistance properties and the minimal drying shrinkage ratio; the greater the methylene blue value is, the greater drying shrinkage is, and the worse wear resistance is; the drying shrinkage ratio of mortar is in positive correlation to the wear value, so the wear resistance of mortar can be improved by controlling its dry shrinkage in engineering applications.

manufactured sand; limestone powder; methylene blue value; drying shrinkage; wear resistance

2017-01-07

广西交通科技项目(20152615)

崔强(1992—)，男，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为路基路面结构与材料，E-mail:cuiq791@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.02.010

TU528

：A

：1672-0032(2017)02-0061-05