特细骨料在混凝土中的应用探讨

夏 勇 陈 哲 吴春丽 麦俊明 罗新东

（广东省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

随着我国经济的快速发展及建筑行业的蓬勃发展，推动了混凝土行业的飞速发展[1]，商品混凝土的需求量逐年增长，年产量如表1 所示。但是，砂、石、水泥等混凝土原材料的需求量也在不断增加。资料显示，2020 年我国水泥产量达到23.6 亿吨，截止至2020 年11 月全国砂石产量约165 万亿吨。然而，经过这些年的消耗，我国优质河砂越来越少，河砂资源短缺问题日益严重，解决河砂短缺问题已经迫在眉睫。因此，寻找合适的细骨料置换混凝土中河砂是当前研究的重点方向之一。

表1 商品混凝土产量

现阶段我国特细砂资源相对丰富，同时，我国还有大量的超细尾矿砂资源，若采用特细砂、超细尾矿砂作为细骨料制备混凝土可缓解河砂资源短缺问题。但是，特细砂、超细尾矿砂等特细骨料相较于河砂具有细度模数小、级配差等缺点，而且超细尾矿砂中有害物质含量高，对混凝土的配制以及混凝土的性能影响较大。目前，国内外众多学者对特细骨料置换河砂配制混凝土展开了丰富的研究，本文将简述砂率、骨料级配、特细砂掺量对混凝土配合比设计以及混凝土工作性能、力学性能和耐久性的影响。另一方面，本文开展了关于将三膜厚度理论运用于特细骨料混凝土配合比优化设计的可能性探讨，为混凝土配合比优化设计时特细骨料掺量的选取提供参考作用，同时对超细多金属矿尾矿砂配制混凝土进行了展望。

1 特细砂混凝土配合比设计

1.1 特细砂混凝土配合比设计影响因素

河砂作为混凝土中的细骨料，是混凝土材料的重要组成部分，主要作用为填充粗骨料间的空隙，其体积分数一般为骨料总体积的18%～49%[2]。研究表明细骨料的细度模数、颗粒级配、砂率等对混凝土的工作性能、力学性能、耐久性具有重要影响[3-11]。但是，相较于天然河砂，特细砂具有粒径更小、细度模数小、颗粒级配差、比表面积大等特点，导致特细砂配制的混凝土容易出现泌水、离析等问题[12-15]。因此，研究人员进行了大量关于特细砂混凝土配合比优化设计影响因素的研究。

梁秋红等[2,16,17]指出特细砂混凝土配合比设计应满足“三低一高一掺”的要求，即低砂率、低胶凝材料量、低坍落度、外加高效减水剂和掺粉煤灰。沈晓钧[15]发现减水剂用量与粉煤灰掺量之间存在交互关系，当粉煤灰掺量为10%～15%时，减水剂最佳用量为0.5%，粉煤灰掺量提高至20%～30%时，减水剂最佳用量为0.75%。Dan Ravina[18]试验表明在特细砂混凝土中掺入适量粉煤灰可改善混凝土的和易性，过量掺入将导致和易性变差。

蒲心诚等[13]在进行特细砂混凝土配合比设计时，根据砂率计算公式得出特细砂混凝土的砂率为30%，并提出基本技术路线：硅酸盐水泥+活性矿物掺合料+高效减水剂。其他研究人员分别采用当地特细砂配制特细砂泵送混凝土，尽管试验结果显示最佳砂率各不相同，但一致认为砂率设计值要尽量偏低[2,12,19]。

张武等[20]指出在混凝土中没有规范使用特细砂将导致混凝土骨料级配较差，而掺入适量米粒石可改善骨料级配，有助于减少裂缝发生，提高混凝土的强度和耐久性；此外，有学者[21,22]将特细砂与粗砂进行混掺可得到级配合理的混合砂，这是由于两者混掺能够有效降低河砂中粗颗粒含量，提高细颗粒含量，优化颗粒级配。

1.2 三膜厚度理论在特细骨料混凝土配合比设计中作用的探讨

针对特细骨料混凝土配合比优化设计过程中特细骨料掺量的选取，本节将探讨采用三膜厚度理论为特细骨料混凝土配合比优化设计提供参考作用的可行性。三膜厚度理论指水膜厚度、泥浆膜厚度和砂浆膜厚度，通过水测紧密值法测试固体材料的填充密度[23-25]，可理论量化出三膜厚度。此法综合考虑了固体材料间的空隙、固体材料比表面积、剩余液体体积、剩余浆体体积等因素，已有研究表明三膜厚度与混凝土的工作性能、强度之间有良好的联系[26-29]。水膜厚度、泥浆膜厚度和砂浆膜厚度的理论计算公式如下所示[26]：

式中：

T1——水膜厚度（单位：μm）；

T2——泥浆膜厚度（单位：μm）；

T3——砂浆膜厚度（单位：μm）；

W1——剩余液体体积（单位：mL）；

W2——剩余泥浆体积（单位：mL）；

W3——剩余砂浆体积（单位：mL）；

A1——胶凝材料、粗骨料、细骨料的总表面积（单位：m2）；

A2——粗骨料、细骨料的总表面积（单位：m2）；

A3——粗骨料的总表面积（单位：m2）；

V1——实际使用的液体体积（单位：mL）；

V2——实际使用的泥浆体积（单位：mL）；

V3——实际使用的砂浆体积（单位：mL）；

μ——空隙比率；

Pmax——固体材料填充密度；

Mw、Mc、Ms、Mg——水、胶凝材料、细骨料、粗骨料的质量（单位：kg）；

ρw、ρc、ρs、ρg——水、胶凝材料、细骨料、粗骨料的密度（单位：kg/m3）；

Ac、As、Ag分别为胶凝材料、细骨料、粗骨料的比表面积（单位：m2/m3）。

水膜厚度表示胶凝材料、细骨料和粗骨料等固体颗粒表面包裹的液体平均厚度。由于特细砂具有颗粒粒径小、比表面积大的特点，通过观察公式⑴、⑷、⑺、⑻和⑾可发现，掺入特细砂一方面会增加固体材料的总表面积；另一方面，掺入特细砂有利于改善固体颗粒级配，提高填充密度，降低固体颗粒间空隙体积，增加了剩余水量。因此，水膜厚度与特细砂掺量并非是简单的线性变化关系，换言之，在理论上存在最佳掺量使得水膜厚度值最大，表示在该掺量下固体颗粒表面附着的自由水含量最高，即混凝土流动性最佳。因此，通过计算水膜厚度理论推导出混凝土流动性最佳时的特细砂掺量，可为混凝土配合比的优化设计提供一定的参考作用。

泥浆膜厚度表示粗、细骨料颗粒表面包裹的水泥浆料平均厚度。利用特细砂置换河砂配制混凝土增加了细骨料的总表面积，观察公式⑵、⑸、⑺、⑼和⑿可得，泥浆膜厚度有减小的趋势；但是，掺入适量的特细砂优化了骨料的颗粒级配，提高了骨料的填充密度，骨料间空隙体积减少，用于包裹骨料表面的剩余水泥浆料体积增加，在一定程度上提高了泥浆膜厚度。因此，与水膜厚度相似，在理论上存在最佳掺量使得泥浆膜厚度值最大，而较大的泥浆膜厚度对混凝土的工作性能、强度、耐久性等有明显的影响[26-27]。所以，在特细骨料混凝土配合比设计过程中，通过理论推导泥浆膜厚度可为混凝土的优化设计提供辅助参考作用。

砂浆膜厚度表示粗骨料颗粒表面包裹的砂浆平均厚度。由于利用特细砂置换河砂并未改变粗骨料的体积、总表面积，分析公式⑶、⑹、⑺、⑽和⒀可知，混凝土试样的砂浆膜厚度并无明显变化。

综上所述，通过理论推导特细骨料混凝土试样的三膜厚度为混凝土配合比优化设计提供参考作用具有可行性，但是，满足工程实际要求的特细骨料掺量仍需经过试验测试得出。

2 特细砂对混凝土性能的影响

2.1 特细砂对混凝土工作性能的影响

新拌混凝土良好的工作性能有助于混凝土的泵送、浇筑等，而特细砂自身的特性以及适宜的砂率、特细砂掺量对混凝土的工作性能具有深远影响。因此，科研工作者对此开展了广泛的研究。

通过探索特细砂混凝土的配制技术，研究人员[13]发现特细砂混凝土与中砂混凝土相比，特细砂混凝土具有更佳的流动性，这是因为特细砂颗粒圆滑，在混凝土拌合物中发挥润滑作用，加速混凝土中粗骨料的流动[30]。焦佳[2]采用邯郸当地特细砂配制混凝土，试验发现混凝土坍落度的主要影响因素为砂率，砂率控制为30%时较为合理。张云飞[12]试验得出特细砂混凝土和易性达到最优时不同强度等级混凝土中特细砂的最佳掺量如表2所示，邓桥[31]发现当特细砂掺量达到50%时，混凝土和易性已经完全不能满足施工要求。

表2 不同强度等级的混凝土中特细砂最佳掺量

2.2 特细砂对混凝土力学性能的影响

混凝土力学性能包括抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度等，其中，特细砂掺量、砂率对混凝土力学性能具有显著影响。因此，研究人员开展了关于特细砂掺量、砂率与混凝土力学性能之间的研究。

张帅[32]将黄河沿岸的特细砂与机制砂混合配制特细砂混凝土，特细砂掺量分别为0%、15%、30%、45%，通过测试特细砂混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和静弹性模量，结果显示抗压强度、劈裂抗拉强度以及静弹性模量均随着特细砂掺量的增加先上升后下降，最优掺量为15%。这其中主要原因是掺入特细砂降低了机制砂的细度模数，减小了骨料之间的空隙，提高了混凝土的密实度，强度增加，但掺量过高导致混合砂细度模数偏小，对强度产生不利影响。王健健[33]同样选取黄河沿岸的特细砂与机制砂混合，系统研究了不同龄期下特细砂掺量对不同强度等级混凝土抗压强度的影响，结果如表3 所示。张禹[34]研究了砂率对不同龄期特细砂混凝土试件抗压强度的影响，结果发现砂率相差不大时，对混凝土28d 抗压强度的影响较小，但是，较高的砂率有利于增强3d 抗压强度。

表3 不同龄期、不同掺量对不同强度等级混凝土抗压强度的影响

2.3 特细砂对混凝土耐久性的影响

混凝土耐久性通常包括碳化、冻融、氯离子侵蚀、渗透等，耐久性对混凝土结构的安全可靠性能具有显著影响。因此，研究人员分析了特细砂掺量、骨料级配以及砂率对混凝土耐久性的影响。

邢文杰[35]对黄河特细砂开展了关于特细砂混凝土耐久性的研究，结果表明特细砂掺量为15%时，混凝土碳化速度和氯离子侵蚀速度都最慢，而掺量在30%时，混凝土的抗冻性最佳，这是因为掺入特细砂改善了骨料级配以及试件内部孔隙结构，有效减少了大孔径孔隙，使得孔隙的分布更佳合理[12]。

张延毅等[22]将特细砂与粗砂混掺配制混凝土并测试其渗透系数，结果显示，特细砂掺量在25%～50%时渗透系数显著下降，掺量大于50%时则无明显变化，因为特细砂与粗砂混掺优化了颗粒级配，用于填充砂间的水泥用量减少，导致用水量下降，减少了水分蒸发后形成的连通孔道，提高了混凝土抗渗性能。另一方面，有学者研究了渗透系数与砂率之间的关系，研究发现砂率由17%增加至21%时，渗透系数下降明显，继续提高至25%时，渗透系数无明显变化[15]。

3 特细砂配制混凝土的经济效益

混凝土配合比设计应考虑工作性、强度、耐久性和经济性等指标，在脱离经济性的基础上设计高强高性能混凝土是不切合实际的。研究表明，利用特细砂配制的混凝土经过配合比优化设计后不仅可以满足实际工程的需求，而且能够节约成本，如表4 所示。因此，合理化利用特细砂以及其他特细骨料，例如超细尾矿砂，可达到节约资源、保护环境的目的以及具有良好的经济效应。

表4 特细砂混凝土的经济效益

4 结论与展望

将特细砂运用于混凝土中得到广泛的研究，并且研究成果极其可观，而超细多金属矿尾矿砂与特细砂物化性质有较多相似之处，理论上将其运用于混凝土中具有可行性。但是，超细多金属矿尾矿砂作为金属矿浮选过程中的固体废弃物，具有成分复杂、种类繁多等特点，而且尾矿中可能残留有害物质，如果存在对人体有害的放射性元素或者硫化物含量超标则不能作为建筑材料使用，前者会影响人体健康，后者将影响混凝土结构的耐久性、安全性。因此，在使用前需对超细尾矿进行有害物质含量检测，使其必须符合我国环保和安全相关标准和规范。

由于特细骨料具有颗粒粒径小、比表面积大、颗粒级配差等问题，特细骨料混凝土的配合比设计与普通混凝土的配合比设计具有较大差异，因此，特细骨料混凝土的配合比优化设计则至为重要。本文提出并探讨了三膜厚度理论在特细骨料混凝土配合比优化设计过程中的可行性，为特细骨料混凝土配合比优化设计提供新思路，但不同地区特细骨料的理化性质各异，无法确定统一的设计标准，因而具体的配合比仍需根据试验进行调整。

我国特细砂、超细多金属矿尾矿砂等特细骨料资源相对丰富，将其置换河砂制备混凝土可缓解河砂资源短缺问题，而且采用当地的特细骨料可减少运输成本，节约资金；另一方面，超细多金属矿尾矿砂作为固体废弃物来制备混凝土可达到变废为宝、保护环境的目的，为合理处置固体废弃物提供新方向。因此，利用特细骨料制备混凝土将具有较好的经济效益和社会效益。