陕西地区机制砂参数对混凝土性能的影响

2021-11-30陈长军柯余良苗东辉贺冲朱维维

新型建筑材料 2021年11期

陈长军，柯余良，苗东辉，贺冲，朱维维

（陕西科之杰新材料有限公司，陕西西安710000）

0 引言

混凝土是工程建设所需关键材料之一，也是目前用量最大、用途最广泛的一种工程材料，在桥梁、核电、高层建筑等的建设中发挥巨大的作用。砂石骨料是混凝土生产中不可或缺的关键部分，约占混凝土质量的70%～80%[1]。但天然砂的自给率越来越低，已很难满足当前工程建设的需求，这在很大程度上制约了相关行业的发展。随着天然河砂的日趋紧张，开发和研究机制砂就显得尤为重要。机制砂质量较差，会对颗粒级配和颗粒形状产生不利的影响，大量研究表明[2-3]，机制砂的质量影响胶凝材料的用量和混凝土的用水量，特别是对低强度等级混凝土的影响更大。有鉴于此，陕西省2016年出台了DBJ61T 137—2017《机制砂生产与应用技术规程》，进一步规范了机制砂生产方式，以满足预拌混凝土和预拌砂浆的相关要求。然而机制砂在颗粒级配、形貌、组成结构等方面同天然砂有显著区别，由于机制砂与天然砂各自组成的混凝土在微观形貌、宏观性能等方面受砂石的物理化学性能影响较大。因此，本文以陕西地区的机制砂参数为研究对象，主要分析了不同机制砂的母岩成分，研究了机制砂石粉含量、泥块含量、MB值等对混凝土性能的影响。

1 试验

1.1 试验材料

机制砂：西安及周边地区（西安、宝鸡、铜川、渭南、安康、咸阳、汉中）产的22种机制砂，编号分别为S1～S22。

水泥（C）：冀东海德堡水泥有限公司，P·O42.5水泥，其物理力学性能见表1。

表1 水泥的物理力学性能

粉煤灰（F）：韩城大唐盛龙科技实业有限责任公司，F类，Ⅱ级，细度22.6%，需水量比99%，烧失量3.48%，三氧化硫含量0.77%，密度2.35 g/cm3。

粗骨料（G）：碎石，针片状含量2%，压碎值8.3%，含泥量0.3%，粒级5～31.5 mm。

外加剂：陕西科之杰新材料有限公司生产，醚类聚羧酸减水母液：LT－S04C，LT－S10A；缓凝剂：H7；引气剂：Y47；消泡剂：X4；自来水（W）。外加剂的配比为m（LT－S04C）∶m（LTS10A）∶m（H7）∶m（Y47）∶m（X4）∶m（W）=250∶20∶10∶0.4∶0.1∶719.5。

1.2 C30混凝土配合比设计

参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，混凝土强度等级为C30，混凝土设计密度为2400 kg/m3，胶材360 kg/m3，水泥280 kg/m3，水胶比0.44，砂率46%，粉煤灰80 kg/m3。

1.3 机制砂性能测试

机制砂试验方法依照GB/T 14684—2011《建设用砂》和JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》进行。机制砂性能测试结果如表2所示。

表2 机制砂性能测试结果

2 结果与讨论

2.1 机制砂母岩成分分析

由于试验选取的机制砂种类较多，对每种母岩的成分进行分析难度较大，而S8、S21在色泽方面较其它样品具有显著的差异，因此特对上述2种机制砂进行母岩成分分析。图1为S21机制砂样品的母岩成分分析。

图1 S21机制砂样品母岩成分

由图1可见，S21砂石内部主要矿物由岩石碎屑、泥质、石英、黑云母、金属矿物等组成，岩石碎屑以泥质岩和砂岩类为主。砂石整体呈棱角－次棱角状，磨圆度较差。碎石粒度分布在0.10 mm×0.10 mm～1.50 cm×2.00 cm。

石英主要分布在砂岩内部，大部分为细小的粒状，粒度分布在0.05 mm×0.05 mm～0.15 mm×0.15 mm，还有一部分分布在0.02 mm×0.02 mm以下。泥质由细小的高岭土和蒙脱石组成。岩石碎屑的粒度分布在0.10 mm×0.10 mm～0.40 mm×0.40 mm。

岩石内部的微晶石英粒度小于0.02 mm×0.02 mm，主要分布在岩石碎屑（石英粉砂岩）之中，为具有碱活性的矿物。各矿物成分含量见表3。

表3 S21机制砂样品母岩矿物含量 %

图2为S8机制砂样品母岩成分分析。

由图2可见，S8机制砂样品砂石呈灰白色，内部主要矿物由约80%的方解石、少量的白云石及石英等组成，主要为硅酸盐类矿物。砂石粒度分布在0.05 mm×0.05 mm～1.00 cm×1.00 cm。砂石整体呈棱角状，磨圆度较差。经过混合液滴定，

图2 S8机制砂样品母岩成分

方解石变红，大部分白云石未发生变色，少量的白云石变蓝色。

方解石粒度分布在0.05 mm×0.05 mm～1.00 mm×1.00 mm，还有一部分细粒则分布在0.02 mm×0.02 mm以下。白云石的粒度分布在0.01 mm×0.01 mm以下。微晶石英主要分布在方解石颗粒的裂隙中，含量较少。岩石内部的微晶白云石粒度小于0.01 mm×0.01 mm，为具有20%的微晶白云石、少量的微晶石英等碱活性的矿物组成。

2.2 石粉含量对混凝土外加剂掺量的影响

表2中，陕西地区22种机制砂混凝土外加剂的掺量介于0.7%～8.0%，平均值为2.4%，总体而言，不同机制砂混凝土外加剂的掺量离散度较大，特别是S1、S2、S3、S4、S5、S7、S9、S11、S15、S16、S17、S20、S21机制砂混凝土外加剂掺量波动幅度较大；其余机制砂混凝土外加剂掺量较为稳定。为了分析外加剂掺量变化的原因，进一步对上述各样品的石粉含量与机制砂混凝土外加剂掺量之间的关系进行了研究，其统计结果如图3所示，曲线拟合优度R2=0.8096，这意味着石粉含量对机制砂混凝土外加剂的掺量有较大的影响。

图3 机制砂石粉含量与外加剂掺量之间的变化趋势

基于上述结果，石粉含量对混凝土外加剂掺量的影响可归因于以下几个方面：（1）石粉对聚羧酸减水剂的直接吸附。由于石粉矿物成分在断面上存在大量裸露的Si—O、Al—O断键[4-5]，而这些断键成为减水剂吸附的新位点。同时，聚羧酸减水剂中—COOH与石粉表面的Al、Ca元素反应生成类似PC—COO—Al、PC—COO—Ca的化合物。此外，减水剂中羰基会与石粉表面羟基化后形成氢键吸附在表面，而且吸附在石粉表面的钙离子会起到桥接作用，一边吸附石粉表面，一边吸附减水剂，由此导致减水剂大量的吸附在石粉的表面，使减水剂最终在机制砂混凝土中掺量增加。（2）石粉和水泥对聚羧酸分子的竞争吸附。聚羧酸减水剂分子不仅可以吸附在水泥颗粒的表面，同时也可以吸附在石粉颗粒表面，由于这种竞争吸附关系导致水泥颗粒表面聚羧酸减水剂的有效吸附量下降，进而影响聚羧酸减水剂的减水分散效果。此外，石粉对聚羧酸减水剂的吸附能力可能高于水泥对聚羧酸减水剂的吸附能力，导致聚羧酸减水剂的有效吸附量降低，减水率下降，进而影响其在混凝土中的用量。（3）石粉的“吸水”效应[6]。石粉对聚羧酸减水剂的减水效果具有正负2个方面的影响，由于石粉的亲水性较低，且粒径较小的石粉颗粒在一定程度上可起到填充效应，此时，石粉对聚羧酸减水剂发挥减水效果的有利作用占主导地位，表现为石粉含量较低时对聚羧酸减水剂的减水效果影响不明显；反之，当石粉含量较高时，石粉对聚羧酸减水剂发挥减水效果的不利影响将占主导地位，导致聚羧酸减水剂的减水效果降低。

2.3 泥块含量对外加剂掺量的影响

为了分析机制砂泥块含量对混凝土外加剂掺量的影响，对S1、S2、S3、S4、S5、S7、S9、S11、S15、S16、S17、S20、S21样品的泥块含量与机制砂混凝土外加剂掺量之间进行了数学统计，结果如图4所示。

图4 机制砂泥块含量与外加剂掺量之间的变化趋势

由图4可知，机制砂泥块含量与外加剂掺量拟合曲线的拟合优度R2=0.7689，表明机制砂的泥块含量是影响混凝土外加剂掺量的又一重要因素。究其原因，可能有以下几个方面：（1）机制砂中泥块颗粒与聚羧酸减水剂分子之间存在“竞争吸附”和“选择吸附”关系[7-8]。机制砂中泥块颗粒的含量越高，聚羧酸减水剂（PCE）分子在水泥颗粒表面的有效吸附量越低，导致PCE的减水效果大幅下降，进而影响聚羧酸减水剂在混凝土中掺量的变化[9]。这是因为机制砂中的泥土颗粒主要是黏土、高岭土、蒙脱土的混合物，聚羧酸减水剂对泥土的吸附主要表现为对黏土颗粒的吸附。当水泥和黏土共存时，由于黏土具有较大的比表面积，会在其表面吸附大量的水泥水化产物Ca2+。因此，聚羧酸减水剂会与黏土表面吸附的Ca2+发生络合作用吸附在黏土表面，造成用于分散水泥颗粒的聚羧酸减水剂量变少，从而降低了混凝土拌合物的流动性。为维持混凝土拌合物的良好状态，需提高外加剂的掺量，由此导致机制砂混凝土中减水剂的掺量提高[10]。（2）黏土与水泥吸水率的差异。通常情况下，黏土的吸水率大于水泥的吸水率[6]。含泥量较低时，黏土对减水剂和水的吸附量较少，此时对水泥的水化影响作用有限，外加剂掺量变化较小。含泥量高时，黏土会吸附大量的减水剂及体系中的自由水，影响水泥的水化，为维持较好的流动性，必须改变水及外加剂的用量，最终影响机制砂混凝土中外加剂的掺量。（3）黏土结构的特殊性。由于黏土具有类似于“汉堡”的层状结构，对聚羧酸减水剂可形成插层吸附[11]。大多数聚羧酸减水剂分子侧链中含有聚氧乙烯，其中的氧原子会通过水作为桥联基团与黏土矿物层间的硅羟基形成氢键而被吸附于黏土层间，从而消耗了部分聚羧酸减水剂，导致水泥颗粒表面有效吸附的聚羧酸减水剂的密度下降，体系中用于分散水泥颗粒的聚羧酸减水剂用量增加，体现为其在混凝土中掺量的提高。

2.4 MB值对外加剂掺量的影响

基于对机制砂中石粉含量、泥块含量与外加剂掺量之间的关系分析，进一步研究了MB值与机制砂混凝土外加剂掺量的影响。其线性统计结果如图5所示。

图5 机制砂MB值与外加剂掺量的变化趋势

由图5可见，机制砂MB值与外加剂掺量拟合曲线的拟合优度R2=0.7097，该结果表明机制砂的MB值也是影响混凝土外加剂掺量的原因。这是因为，MB值主要与机制砂中的泥粉含量有关，MB值越大，表明机制砂中泥粉含量越高，其对外加剂掺量的影响类似于泥块对聚羧酸减水剂吸附的影响，即泥粉与水泥对聚羧酸减水剂分子仍存在“竞争吸附”关系。同时，受泥粉自身特性的影响，其对聚羧酸减水剂的吸附能力也较强，聚羧酸减水剂分子更易吸附在泥粉的表面，进而降低溶液中聚羧酸减水剂分子的有效数量[12]，导致聚羧酸减水剂用量增加。

综上，混凝土外加剂掺量的波动程度主要受机制砂中石粉含量、泥块含量、MB值的影响，线性关系研究表明，机制砂中石粉含量的变化对机制砂混凝土外加剂掺量的影响作用最强，泥块含量对机制砂混凝土外加剂掺量的影响低于石粉含量的影响，MB值对机制砂混凝土外加剂掺量的影响相对石粉含量、泥块含量的影响作用较弱。据此可推断，机制砂混凝土中外加剂掺量波动是由于机制砂的石粉含量、泥块含量、MB值三者协同作用的结果。

2.5 石粉含量对混凝土7 d抗压强度的影响

为了分析机制砂石粉含量对混凝土7 d抗压强度的影响，对22种不同机制砂样品的石粉含量与机制砂混凝土7 d抗压强度的关系进行了数学统计，其结果如图6所示。

图6 机制砂石粉含量对混凝土7 d抗压强度的影响

由图6可见，机制砂石粉含量与混凝土7 d抗压强度拟合曲线拟合优度R2=0.447，因此，机制砂样品的石粉含量可能是影响混凝土7 d抗压强度一个因素。石粉含量对混凝土抗压强度的影响有正负两方面的作用，石粉的正效应如下：（1）石粉的微集料填充效应和晶核效应[4]。在机制砂混凝土体系中，石粉能够填充混凝土中的孔隙，改善混凝土界面过渡区的性能，适当的石粉可在一定程度上使得混凝土的细观结构更加紧密，从而提高混凝土的强度。同时，在凝结阶段，微细石粉可诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化反应，促进水泥早期强度的发展，使硬化后的水泥颗粒界面区密实性得以改善。（2）参与水化反应。石粉具有一定的活性，可在水泥水化早期对氢氧化钙、C-S-H起到晶核作用，致使溶解状态的C-S-H凝胶遇到固相粒子并接着沉淀其上的概率增大，同时，石粉在水化过程中在其活性作用下可以与水泥中的C3A和C4AF发生反应，形成的水化碳铝酸盐可以与其它水化产物相互搭接，使水泥石结构更加密实，从而提高强度[13-15]。石粉的负效应主要体现在当石粉取代量增大到某极限值时使水泥胶凝材料的用量大幅降低，进而导致水化产物总量减少。此外，过量的石粉破坏了混凝土中最密实堆积结构。当石粉含量过大时，其负效应的影响远大于正效应的影响，导致混凝土强度降低[16]。

2.6 细度模数对混凝土7 d抗压强度的影响（见图7）

图7 机制砂细度模数对混凝土7 d抗压强度的影响

由图7可见，机制砂细度模数与混凝土7 d抗压强度拟合曲线的拟合优度R2=0.4466，基于该统计结果，机制砂样品的细度模数是混凝土7 d抗压强度另一影响因素。其主要原因可能是由于不同机制砂颗粒大小不一，级配不良所导致混凝土强度大小存在差别。颗粒越大，其在混凝土中移动需要克服的阻力也越大，同时，大粒径颗粒的增多导致大颗粒间的嵌锁增加，使得颗粒移动的阻力增大。因此，导致了混凝土屈服应力大幅提高，进而导致混凝土的抗压强度增高，反之亦然[4]。

2.7 压碎指标对混凝土7 d抗压强度的影响

机制砂是经母岩破碎而成，因而母岩的强度、矿物组成、破碎工艺等可能会影响机制砂的压碎值。目前关于集料压碎指标与集料混凝土的立方体抗压强度之间的关系尚未形成统一的认识，有人认为二者之间没有数学上关系，但也有人定性地认为二者的结果是一致的。但机制砂的压碎值对混凝土影响程度有多大，目前的研究结果较少，未有明确的报道。有鉴于此，对试验选取的22种机制砂压碎指标与混凝土强度7 d抗压强度进行对比研究，结果如图8所示。

由图8可见，机制砂压碎指标与混凝土的7 d抗压强度无明显相关性。可能是由于机制砂所选用母岩本身强度较高，在混凝土中不能形成明显的缺陷。且机制砂颗粒较小，小颗粒中存在缺陷的概率大幅降低。因此，可以认为机制砂颗粒的压碎指标与混凝土强度相关性不强，该分析结果与王稷良[4]的研究结论一致。