机制砂中细粉MB值对混凝土性能影响规律的研究

徐志华 邓俊双 刘战鳌 李北星* 周明凯

(江西省交通工程集团有限公司1) 南昌 330000) (武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室2) 武汉 430070)

0 引 言

机制砂区别于天然砂最显著特点是其破碎生产中会产生一定量(10%～20%)粒径小于75 μm的细粉[1].由于矿山开采时山皮表层土未清理干净或破碎前岩石夹层土、岩石裂隙中的沉积泥质无法彻底清除，机制砂生产过程中不可避免地含泥，黏土是泥的主要成分.因此，机制砂中的细粉实际上是由与母岩化学成分相同的石粉和黏土质泥组成的混合物，我国现行国标GB/T 14684—2011将其统称为石粉.由于石粉和泥粉的吸附性存在显著差异，欧、美国家和我国普遍通过亚甲蓝值(MB值)来表征细粉颗粒吸附性能，以判断细粉是以黏土还是以石粉为主.考虑到砂粒吸附性较低，现行我国相关标准中均是采用0～2.36 mm粒级机制砂测试MB值来评价细粉中有害黏土矿物的含量，该方法被证实能在一定程度上控制含泥量及其有害性，对于保证混凝土质量起了重要作用.但由于是将细粉和砂粒混在一起进行测试，使得试验结果同时受到机制砂中2.36 mm通过率和细粉含量的影响，以致无法直接准确地对细粉中含泥量进行评价.为了充分利用细粉矿产资源，欧、美一些国家和地区直接采用0～0.075 mm细粉颗粒的MB值评价细粉中含泥量[2]，我国建工行业标准JG/T568—2019《高性能混凝土用骨料》也引入细粉亚甲蓝值评价人工砂中细粉的吸附性.

目前，国内外进行了大量有关机制砂石粉(实际为细粉)含量对混凝土性能影响的研究，但大多研究忽视了石粉吸附性差异的影响，而事实上石粉的吸附性与石粉含量均会影响混凝土的性能，这也是当前国内外关于石粉含量限值存在争议和分歧的根本原因.虽然一些研究者已注意到了机制砂或细粉MB值与混凝土工作性、强度、干燥收缩的关系[3]，但由于缺乏系统研究，当前有关MB值与混凝土性能之间的关系尚未完全理解，还达不到根据MB值预测混凝土性能的程度.这也是以美国和欧盟为主的大多数国家虽然推荐性地将亚甲蓝试验纳入规范，但并未制订MB临界值的重要原因.机制砂中细粉的存在形式包括石粉、黏土以及含黏土石粉，关于石粉对水泥水化的影响机理，一般认为石粉对早期水泥水化的促进作用主要在于“晶核效应”，降低了成核壁垒并为水化产物的生长提供了更多的成核基体[4].而黏土是否影响水泥水化目前还没有一个确切的结论，徐全等[5]认为黏土的存在会阻碍水泥水化[5]、削弱浆体—集料界面而降低强度，但文献[6]研究表明，黏土对水泥水化无负面影响作用，甚至一定程度上促进水泥早期水化和提高强度.

我国现行国家标准GB/T14685—2011《建设用砂》规定机制砂的石粉含量限值为10%.为揭示机制砂中细粉MB值与混凝土性能的相互关系，文中通过在石粉中掺入不同含量的黏土配制成不同MB值的细粉，在机制砂中的细粉含量固定10%情况下，研究细粉的MB值对C30和C60机制砂混凝土工作性、抗压强度、抗氯离子渗透性、抗冻性和干缩等性能的影响规律，并通过XRD和TG-DSC测试不同MB值细粉对水泥水化产物的影响.

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

1) 水泥 亚东P·O 42.5水泥，其3，28 d抗压强度为30.3，51.2 MPa.

2) 机制砂 水洗白云岩机制砂，细度模数3.2，压碎指标23.2%，石粉含量0.32%，机制砂MB值0.25.

3) 粗集料5～20 mm连续级配石灰岩碎石，压碎值10.7%，含泥量0.6%.

4) 不同MB值细粉 通过在纯石粉中添加不同比例的黏土制得MB值分别为1.3，3，7，10，14，20 g/kg的细粉，石粉与黏土的具体比例见表2.纯石粉为上述水洗白云岩机制砂烘干后在实验室球磨机中粉磨而成，纯石粉的MB值为1.3 g/kg，比表面积为335 m2/kg；黏土采用膨润土，比表面积为471 m2/kg，其主要矿物组成为蒙脱石.

5) 减水剂 聚羧酸高性能聚减水剂母液，固含量38.8%.

上述原材料的化学成分见表1.

表1 原料的化学组成

1.2 试验方法

1) 细粉的MB值测试 按JTGE42—2005《公路工程集料试验规程》中矿粉亚甲蓝试验方法进行.除测试样品为30g细粉外，其余试验程序与机制砂MB值试验方法一致.

2) 混凝土配合比 将不同MB值的细粉以10%的固定含量代机制砂分别加入C30、C60两个强度级别混凝土中.考虑到实际工程中往往配制等坍落度混凝土，同时为排除工作性差异对混凝土性能的影响，当细粉MB值增加时，分别通过调整混凝土用水量(W/C变化)和减水剂用量(W/C不变)来实现混凝土的等坍落度，C30和C60混凝土的坍落度分别控制在 (160±20) mm和(200±20) mm范围，在大致等坍落度下研究细粉MB值对混凝土工作性、抗压强度、抗氯离子渗透、抗冻和干缩的影响.混凝土配合比见表2.

表2 混凝土配合比

3) 混凝土性能测试 混凝土抗压强度按GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，混凝土抗氯离子渗透性(电通量法)、抗冻性(快冻法)、干缩分别按GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试.

4) 微观结构测试 通过X射线衍射(XRD)和综合热分析(TG-DSC)测定外掺不同MB值细粉的水泥样品的水化产物，试样配比见表3.XRD测试仪器是日本RIGAKU公司生产的D/MAX-RB型转靶X射线衍射仪，扫描速度10(°)/min.TG-DSC分析采用德国耐驰公司Netzsch STA449C型综合热分析仪.

表3 外掺不同MB值细粉的水泥浆体配比

2 试验结果与讨论

2.1 细粉MB值对混凝土工作性的影响

通过等坍落度下的混凝土用水量和减水剂用量变化来评价细粉MB值对混凝土工作性的影响.当细粉MB值增大时，细粉MB值对固定坍落度下的混凝土用水量和减水剂用量的影响见图1.

图1 细粉MB值对达到固定工作性所需用水量和减水剂用量的影响

由图1可知:随着细粉MB值的增加，混凝土达到固定坍落度所需的用水量随之线性增加，而减水剂掺量随之近似呈指数增加，并在MB值>10 g/kg后增加速率加快.当MB值增加至20 g/kg时，C30和C60混凝土的用水量相比MB值1.3 g/kg分别增加了25.0%和29.9%，而减水剂用量增加了205.5%和170.2%，这表明MB值对减水剂用量的影响高于对用水量的影响.

细粉MB值大小本质上反映了其中的膨胀性黏土含量高低.在新拌混凝土中，黏土矿物因其特有的层状结构和较强的阳离子交换能力，能吸附较多的拌合水和减水剂分子[7-8].MB值越大，细粉中黏土含量越高，被吸附的水和减水剂量愈多，从而需要额外加入更多的水或减水剂来达到相同的坍落度.相比C30混凝土，C60混凝土的水灰比小且用水量低，因此需要加入更多的减水剂来保证其工作性，并且可接纳的黏土量也更低，这也是C60混凝土工作性受到的影响更大的原因.

2.2 细粉MB值对混凝土抗压强度的影响

细粉MB值对等坍落度下混凝土抗压强度的影响见图2.

图2 细粉MB值对混凝土抗压强度的影响

由图2a)可知，通过增加用水量调整坍落度时，抗压强度随细粉MB值的增加而直线下降，当细粉MB值增加至20 g/kg时，C30、C60混凝土28 d抗压强度相比MB值1.3 g/kg时分别减小了20.6%、24.5%.这主要是由于细粉MB值的增大增加了等坍落度下的用水量，导致水灰比增大所致，且C60混凝土抗压强度的降低程度高于C30混凝土.

由图2b)可知，当W/C不变时，C30混凝土的3 d和28 d抗压强度随着细粉MB值的增加表现为先增大后轻微减小的趋势，在MB值超过10 g/kg时开始降低，MB值为10 g/kg的3 d和28 d强度相比1.3 g/kg分别增加12.2%和11.7%.值得注意的是，MB值3～20 g/kg的混凝土抗压强度均高于MB值1.3 g/kg的混凝土，说明细粉MB值增加未对C30混凝土强度产生负面影响.对于C60混凝土，3d抗压强度变化较小，但28 d强度随MB值的增加而呈降低趋势，在MB值达到20 g/kg时的抗压强度相比MB值1.3 g/kg降低了7.6%.这说明细粉中的黏土会对C60混凝土后期强度产生有害影响.

另外，细粉MB值增加对W/C不变时的混凝土抗压强度的影响远不及W/C变化时的影响显著.固定W/C时，细粉中黏土因吸水改善高水灰比的C30混凝土的密实性与保水性而增加抗压强度.但对于低水灰比的C60混凝土而言，其抗压强度的降低主要是由于细粉中的黏土阻碍水泥水化，另外黏土的湿胀干缩会在水泥石内部形成空隙或削弱界面粘结[9-10].由于早期水泥浆体中自由水数量相比水化后期更为充裕，因此3 d抗压强度受到的影响较小，而28 d抗压强度受到的影响较大.

2.3 细粉MB值对混凝土抗氯离子渗透性的影响

混凝土抗氯离子渗透性的试验结果见图3.由图3a)可知，在调整W/C时，电通量随细粉MB值的增大呈线性增加，主要是由于固定工作性下用水量增大导致W/C增加所致.当细粉MB值增大到20 g/kg时，C30和C60混凝土的电通量相比1.3 g/kg的分别增加了26.8%和50.4%，说明C60混凝土抗氯离子渗透性降低程度高于C30混凝土.由图3b)可知，当W/C不变时，C30混凝土电通量随石粉MB值的增加呈现先减后增趋势，在MB值10 g/kg时电通量最低，较MB值1.3 g/kg试样降低9.7%；而C60混凝土的电通量在MB值较小时变化较小，当MB值超出10 g/kg后开始增大，MB值达到20 g/kg时电通量相比MB值1.3 g/kg试样增加14.3%，抗氯离子渗透性出现劣化.

图3 细粉MB值对混凝土抗氯离子渗透性的影响

当MB值增加时，C30混凝土抗渗性的改善可能也是由于细粉中黏土填充了毛细孔并且减少了泌水产生的毛细管扩散通道；C60混凝土抗渗性在MB值超过10 g/kg后出现劣化主要由于黏土湿胀干缩在水泥石内部形成空隙与微裂纹所致[11-12].

2.4 细粉MB值对混凝土抗冻性的影响

细粉MB值对C30、C60混凝土抗冻性的影响见表4～5.由表4～5可知，无论是W/C变化还是不变，混凝土在不同冻融循环次数下的相对动弹模均随着细粉MB值的增大而减小，抗冻性不断降低，但W/C不变时混凝土抗冻等级的降低程度低于W/C变化时.当细粉MB值从1.3增大到20 g/kg，在增大水W/C时，C30和C60混凝土的抗冻等级分别从F100和F300降低至不足F25和F150，而固定W/C的混凝土抗冻等级降低至F50和F200.可见，细粉MB值的增加显著降低了混凝土的抗冻性，因此对抗冻性有较高要求的机制砂混凝土应严格控制机制砂细粉的MB值或者说含泥量.

表4 细粉MB值对C30混凝土抗冻性的影响

水灰比和饱水度是决定混凝土抗冻性的关键因素[13-14].通过增加用水量来达到等坍落度时，W/C的提高必然会降低混凝土抗冻性.即使W/C不变，但高吸水性的黏土矿物的湿胀干缩会在混凝土中形成毛细孔和微裂纹，当混凝土处于饱水环境时会提高混凝土饱水度，这将加剧冻融破坏作用导致抗冻性降低.石粉MB值越高，引入的黏土量越多或W/C增加越多，抗冻性降低幅度越大.

表5 细粉MB值对C60混凝土抗冻性的影响

2.5 细粉MB值对混凝土干缩的影响

细粉MB值与混凝土180 d龄期干缩率之间的关系见图4.由图4可知，当细粉MB值从1.3 g/kg增大至20 g/kg，W/C变化时C30和C60混凝土的180d干缩分别增加26.8%和37.9%，而W/C固定时C30和C60混凝土的180 d干缩分别增加30.6%和42.9%.这说明无论是通过增加减水剂固定W/C还是增加用水量增加W/C达到相同工作性，细粉MB值的增大均会显著增加混凝土的干缩.相比而言，细粉MB值在W/C不变时对干缩的增大程度高于W/C增加时，并对于C60混凝土干缩的影响程度高于C30混凝土.

图4 细粉MB值对混凝土180d干缩的影响

细粉MB值增大引起混凝土干缩的增加主要归结于：一方面W/C的增加会增大干缩；另一方面细粉中黏土湿胀干缩会造成干缩；再者就是减水剂的加入细化了水泥浆体孔结构，增加了孔径小于50 nm的孔含量而会增大干缩[15].由于保持W/C不变时减水剂掺量大幅增加，其对干缩的促进作用超过了W/C增加对干缩的促进作用，导致出现如上试验结果.

2.6 XRD分析

水泥中外掺20%含量的不同MB值细粉的水泥浆体水化3 d和28 d的XRD图谱见图5.与空白组相比，4组含黏土石粉的水泥浆体的水化产物类型未发生变化，主要包括CH、AFt、CSH等，还有部分未水化的C3S、C2S熟料矿物.另外，白云石、α-石英的衍射峰由含黏土石粉引入.

图5 不同MB值的细粉对水泥水化产物的影响

在水泥中外掺20%细粉的情况下，相当于水泥被细粉稀释，但无论是3 d还是28 d，掺入MB值为3 g/kg和7 g/kg细粉的水泥浆的Ca(OH)2衍射峰强度与空白组无明显差别，而掺入MB值为10 g/kg和20 g/kg细粉的水泥浆的Ca(OH)2衍射峰强度明显低于空白组，说明细粉在MB值大于7 g/kg后会阻碍水泥浆体的水化，且对后期水化的阻碍作用相比早期水化更为显著，这可归结为黏土吸附了水泥浆体中自由水而影响了水化进程，黏土吸附性越强，阻碍作用越明显.在水化早期，水分相对富余使黏土对水化的阻碍作用不明显，而在水化后期，由于水分大量消耗而使黏土对水化的阻碍作用开始凸显.

2.7 TG-DSC分析

参照文献[16]中处理方法，将热重分析曲线中400～550 ℃温度范围内的质量损失作为Ca(OH)2脱水分解的质量损失，据此计算水泥浆体中Ca(OH)2含量，结果见图6.

图6 不同MB值的细粉对水泥浆体中Ca(OH)2含量影响

由图6可知:就外掺20%含量细粉的水泥浆体水化产生的Ca(OH)2而言，无论是在3 d还是28 d，Ca(OH)2含量随掺入细粉的MB值增大呈先增后降趋势.呈当细粉MB值为7时，水泥浆体中Ca(OH)2的含量最大，分别相比空白组增加了6.7%和4.9%；当MB超过7后，CH含量开始出现较为明显的降低，当MB值为20 g/kg时，水泥浆体3d龄期的Ca(OH)2含量与空白组几乎持平，但28d的Ca(OH)2含量相比空白组降低4.3%.这说明石粉在MB超过7 g/kg会抑制水泥浆体的水化而减少Ca(OH)2生成量，并且对后期水化的阻碍作用相对于早期更加明显.该结果与根据XRD衍射峰强度定性判断所得结论一致.

3 结 论

1) 在细粉含量一定情况下，随着细粉MB值的增大，配制等坍落度混凝土所需的用水量(W/C变化)或减水剂掺量(W/C不变)随之增大.W/C不变时，随MB值的增大，混凝土抗冻性降低，干缩变大，但在MB值分别超过10和7 g/kg后，才会降低C30和C60混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性；W/C增大时，MB值的增大显著劣化了混凝土的上述各项性能.

2) 机制砂细粉MB值与混凝土在等坍落度下的用水量或减水剂掺量、28 d抗压强度、抗氯离子渗透性，以及干缩率存在较高相关性，且细粉MB值的增加对混凝土工作性、干缩和抗冻性的影响程度高于对强度与渗透性，对C60混凝土性能的负面影响程度高于C30混凝土.

3) 机制砂中含黏土细粉不影响水泥水化产物类型，但当细粉MB值大于7 g/kg时将会阻碍水泥水化.高MB值机制砂细粉对混凝土性能的有害影响主要在于黏土矿物吸附拌合水和减水剂而影响工作性，阻碍水泥水化、自身湿胀干缩等原因所致.

4) 虽然可通过提高减水剂用量缓解高MB值机制砂细粉对混凝土工作性的负面影响，但无法消除高MB值细粉对抗压强度、抗冻性和干缩的劣化作用.本试验条件下，对C30、C60混凝土性能不产生明显劣化的机制砂细粉MB临界值为10，7 g/kg.