机制砂MB值对等坍落度砂浆性能影响研究

李家正 龚德新 石妍 林育强

摘要：

在混入机制砂的泥土中，若黏土过量，会导致亚甲基蓝值（MB值）超标，对拌和砂浆的某些性能产生不利影响。为研究不同类型的黏土矿物对砂浆性能的影响，向相同级配的机制砂中掺入不同含量的非膨胀性黏土伊利石或膨胀性黏土蒙脱石，配制成不同MB值的含黏土机制砂，并使用纯机制砂作为基准组，按照工程现场生产要求控制砂浆的坍落度与水胶比相同，研究砂浆各种性能受机制砂MB值的影响。结果表明：砂浆的力学性能随MB值增大呈先升后降的趋势，临界点MB值在1.5附近；砂浆的凝结时间和干燥收缩率均受MB值影响显著；膨胀性黏土对砂浆的抗冻性能有明显的提升作用；MB值超过1.5时，可通过保持水胶比不变、增大用水量和胶材用量等措施配制出性能符合设计要求的混凝土，但会增加成本。

关 键 词：

机制砂； MB值； 黏土； 伊利石； 蒙脱石； 砂浆性能

中图法分类号： TU528

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.027

0 引 言

随着近些年中国基础设施建设的快速发展，作为混凝土细骨料的天然河砂被过度开采，对生态环境、基础设施和沿河居民生活造成了不良影响，且由于河砂资源总量有限、分布不均衡、环境压力和成本不断增大，天然砂资源越来越少，造成工程用砂的供需矛盾日益突出，使得天然砂正在被机制砂迅速替代［1-3］。作为细骨料的机制砂是混凝土的重要组分，对混凝土性能具有重要影响［4-5］。

由于机制砂原岩夹层中存在变质泥层，或在生产运输等过程中混入泥土，使得机制砂的微粒中既含有原岩石粉、又含有泥粉（主要成分是多种矿物类型的黏土）。石粉和黏土的矿物类型和特性的差异导致其对混凝土性能的影响显著不同：石粉能提升混凝土性能［6］，而泥土中具有疏松多孔结构、强吸附性和软弱特性的黏土，对混凝土的各项性能都有显著的不利影响［7-10］。相关标准［11-13］中，用于表征机制砂微粒中泥土吸附性能的综合性指标是MB值（Methylene Blue Value，亚甲基蓝值），表示每1 kg砂样的悬浊液能吸附亚甲基蓝的质量，单位为g/kg（后文中略去）。一般用MB值为1.4作为定性判定微粒成分是以石粉为主还是以泥为主的临界值。

有研究指出：① 采用相同配合比时，机制砂中的黏土会降低混凝土的流动性，且强度等级越高的混凝土所受影响越明显［14-15］。当机制砂MB值小于1.5时，黏土对混凝土的强度有一定的提高；随着机制砂MB值或含泥量的继续增大，混凝土拌合性能、抗压强度、抗冻融性能明显下降，塑性、干燥收缩、碳化深度增加，抗渗透性能轻微降低［16-20］。② 当各组混凝土所用胶凝材料相同，为保持混凝土坍落度而调整用水量时，随着机制砂黏土含量的增加，较低黏土含量的机制砂混凝土强度逐渐减小，但较高黏土含量的机制砂混凝土强度变化不大［21］；但另一研究表明［22］，混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和弹性模量随着黏土掺量增加而显著下降。

笔者认为以上研究存在如下不足：向机制砂中掺入泥土的黏土矿物类型未知，也未测出相应MB值时黏土的含量，未研究黏土的矿物类型和含量对混凝土性能的影响；使用相同配合比拌和不同MB值机制砂混凝土，其工作性能差异很大，违背了混凝土施工工艺重视工作性的原则；已有研究中多使用相同坍落度，但又改变了水胶比，会影响混凝土性能。自然界泥土中的黏土矿物种类繁多，但主要分为非膨胀性黏土和膨胀性黏土。鉴于此，本文在保持砂浆工作性能相当、水胶比不变的情况下，向机制砂中掺入非膨胀性黏土伊利石或膨胀性黏土蒙脱石，研究不同矿物类型的黏土、MB值对砂浆各项主要性能的影响，以为含泥机制砂的应用提供参考和建议。

1 试验原材料及研究方法

1.1 试验原材料

向机制砂中掺入的黏土为伊利石或蒙脱石，通过调整每组机制砂中黏土的含量，共配制成1组MB值为0.3、不添加黏土的纯净机制砂作为基准组，4组MB值分别为1.0，1.5，2.0，2.5的伊利石机制砂和4组MB值也分别为1.0，1.5，2.0，2.5的蒙脱石机制砂，8组含黏土机制砂各自的黏土含量如表1所列。其他材料为：P·O42.5水泥，F类I级粉煤灰，PCA-1型聚羧酸高性能减水剂。

1.2 研究方法

在满足混凝土性能（主要参数是水胶比）的前提下，施工人员在实际工程的混凝土施工浇筑过程中往往更关心的是混凝土的工作性能（主要测试混凝土的坍落度）。当遇到黏土含量及MB值均较高的机制砂时，处理措施通常是保持混凝土的水胶比不变，增加用水量和胶凝材料用量，调节到预期的坍落度，以使拌合混凝土达到适宜的工作性能。故将以上9组机制砂拌制的砂浆使用等水胶比、等坍落度、等外加剂掺量比（与胶凝材料質量之比），以贴合施工现场常用的混凝土调制方法。为保证9组机制砂配制的砂浆具有基本相同的坍落度，随着机制砂MB值的增加，砂浆的拌和水、胶凝材料和外加剂用量会随之增加，而机制砂的用量会随之减少。经试配，得出各组机制砂拌制的砂浆配合比和相应的坍落度如表2所列，其中水胶比为0.6，减水剂掺量比为0.08%。

2 试验结果及讨论

2.1 机制砂MB值对砂浆凝结时间影响

根据试验规程［12］，使用不同的测针测试9组砂浆试件各时间段的贯入阻力值，建立贯入度阻力值和时间的关系曲线，并拟合计算得出每个试件的初、终凝时间随机制砂MB值的变化趋势，绘制成折线图如图1所示。总体上看，机制砂MB值在0.3～2.5变化的过程中，伊利石、蒙脱石砂浆的初、终凝时间都会逐渐增加，但在相同MB值的情况下，蒙脱石砂浆初、终凝时间都比伊利石砂浆长。

分析其原因在于：① MB值为0.3的机制砂中无黏土的掺入，随着MB值增大，由于掺入了具有强吸水性的黏土，吸附了更多的自由水使砂浆的保水性能增强，并形成毛细孔水；② 黏土分散在砂浆中阻碍了水泥的水化反应。

另一方面，MB值越大的机制砂拌制的砂浆，共用水量越多，砂用量越少，造成凝结时间延长。在相同的MB值时，蒙脱石砂浆对砂浆中水和减水剂的吸附性能更强，用水量和胶凝材料用量更多，砂用量更少，对砂浆的凝结时间影响更加明显。

2.2 机制砂MB值对砂浆力学性能影响

2.2.1 抗压强度

根据试验规程［12］，测试9组70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体砂浆试件的3 d、7 d和28 d抗压强度随机制砂MB值的变化趋势，如图2所示。

可以看出：总体上伊利石砂浆和蒙脱石砂浆立方体试件其抗压强度随MB值的变化趋势相似，MB值在0.3～1时，有一定上升，MB值在1～2.5时，持续下降，但在MB值为2.5时抗压强度反而高于MB值为0.3时。从砂浆的3 d、7 d和28 d龄期来看，龄期越短，抗压强度从MB值为1.0的高点下降幅度越大。3 d龄期时的下降幅度较大，低于MB值为0.3时的抗压强度值。在相同龄期、相同MB值时，从机制砂所含黏土类型来看，伊利石砂浆的抗压强度大于蒙脱石砂浆。

同理，根据试验规程［12］，测试9组规格为Ф150 mm×300 mm的圆柱体砂浆试件的7 d和28 d轴心抗压强度如图3所示。

可以看出：总体上伊利石砂浆和蒙脱石砂浆轴心抗压强度随MB值的变化趋势相似，MB值在0.3～1.0时，有一定上升，MB值在1.0～2.5时，持续下降。在相同MB值时，从机制砂所含黏土类型来看，3 d龄期的伊利石砂浆抗压强度与蒙脱石砂浆相近，28 d龄期的伊利石砂浆抗压强度大于蒙脱石砂浆。

2.2.2 劈裂抗拉强度

9组砂浆70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试件的3 d、7 d和28 d立方体劈裂抗拉强度随机制砂MB值的变化趋势如图4所示。

可以看出：总体上伊利石砂浆和蒙脱石砂浆立方体劈裂抗拉强度随MB值的变化趋势相似，MB值在0.3～1.0时有一定上升，MB值在1.0～2.5时持续下降。从砂浆的3 d、7 d和28 d龄期来看，龄期越短，抗拉强度从MB值为1.0的高点下降幅度越大。3 d、7 d龄期的下降幅度较大，低于MB值为0.3时的抗拉强度值。在相同MB值、相同龄期时，伊利石砂浆劈裂抗拉强度大于蒙脱石砂浆。

2.2.3 静力抗压弹性模量

9组规格为Ф150 mm×300 mm的圆柱体砂浆试件的7 d和28 d静力抗压弹性模量如图5所示。

可以看出：总体上伊利石砂浆和蒙脱石砂浆静力抗压弹性模量随MB值的变化趋势相似，MB值在0.3～1.0时有一定上升，MB值在1.0～2.5时持续下降。28 d龄期时MB值为2.5的砂浆试件静力抗压弹性模量小于MB值为0.3的砂浆，7 d龄期时MB值为2.5的砂浆试件静力抗压弹性模量大于MB值为0.3的砂浆。在相同MB值、相同龄期时，伊利石砂浆静力抗压弹性模量均大于蒙脱石砂浆。

综合分析以上砂浆抗压强度、劈裂抗拉强度和静力抗压弹性模量等力学性能，发现它们受机制砂MB值的影响主要源于黏土及其他原材料用量的变化起到的加强或减弱作用。

加强作用有：① 微小粒径的黏土对砂浆的材料结构有微集料作用，增大了砂浆的密实度；② 黏土对砂浆中水的吸附使胶凝材料水化用水减少，水胶比随之减小；③ 随着机制砂的MB值增大、黏土含量增加，吸附更多的砂浆拌和用水，为保持相同水胶比和基本相同的坍落度，拌和用水和胶凝材料同时增加，砂的用量相对减少。

减弱作用有：① 黏土吸附的水使砂浆界面过渡区的水灰比增大，削弱了砂浆中骨料与水泥浆体之间的界面连接力；② 黏土包裹砂粒阻碍砂与水泥浆体的黏结、阻碍水泥水化，形成强度薄弱区域；③ 黏土自身的湿胀干缩会在水泥石内部形成空隙，削弱结构强度，降低结构的致密性。

在MB值為0.3～1.0时，由于机制砂的黏土含量较少，其对砂浆力学性能的加强作用大于减弱作用，促进了砂浆力学性能的提高；而在MB值为1.0～2.5时，其对砂浆力学性能的减弱作用大于加强作用，造成了砂浆力学性能的降低。

在相同龄期内，伊利石砂浆的力学性能强于蒙脱石砂浆，即伊利石对砂浆的力学性能影响小于蒙脱石，主要原因是各自掺入机制砂中的黏土含量和拌制的砂浆配合比存在差异：① 在相同MB值时，伊利石在机制砂中的含量远远大于蒙脱石，本次试验中MB值在1.0～2.5的范围内的机制砂其伊利石含量是蒙脱石的11.35～15.58倍；② 伊利石和蒙脱石的吸附性能存在明显差异，即使MB值相同，二者对砂浆的原材料吸附性能也存在很大的差异，所以在保持砂浆拌和物坍落度相同的前提下，蒙脱石砂浆的用水量和胶凝材料用量大于伊利石砂浆。

2.3 机制砂MB值对砂浆抗冻性能影响

根据试验规程［12］，测试9组规格为40 mm×40 mm×160 mm的砂浆棱柱体试件的28 d抗冻性能，按标准方法计

在对混凝土抗冻性能有影响的多种因素方面，水胶比越大，硬化的水泥浆体中的大孔体积也越大，含有更多的可冻水，在冻融循环的过程之中，质量损失的程度以及相对动弹性模量降低的程度也会变得更大；水工混凝土中的微孔结构也是对混凝土的受冻融破坏程度大小产生影响的几个关键因素之一［23］。相关研究表明，对于28 d龄期混凝土，水泥水化所需的水量仅占到水泥用量的1/4，多余的水分则以游离状态存在于混凝土结构的孔隙中，从而影响混凝土自身结构的抗冻性能；引气产生的封闭气泡削弱了混凝土毛细管渗水通道所产生的静水压力，改善了混凝土中孔的分布以及结构，以此调节混凝土内部结构的冻胀压力［24］。聚羧酸系高效减水剂具有一定的引气性能，能改善混凝土的孔结构，从而减轻冻融破坏［25］。

如前文分析所言，掺入的黏土颗粒粒径远小于石粉、水泥，能够填补砂浆中的微细孔隙，起到微集料效应，提高砂浆的密实性和抗渗透性能，能阻隔外界环境中水分的浸入，从而提高砂浆的抗冻性能。其次，高吸水性能的黏土大量吸附砂浆中未参与水泥水化反应的剩余水分，使砂浆内部孔隙中的水分大幅减少，减少水分的滞留，使这部分孔隙结构的砂浆受冻融破坏性更小，提高了砂浆的抗冻性能。其三，掺入的黏土吸附了砂浆拌和物中的大量水分，降低了砂浆中实际参与水泥水化反应的水胶比，从而增强了砂浆的抗冻性能。特别是当机制砂中掺入的黏土为膨胀性的蒙脱石时，它由粒径更小的颗粒组成，更有助于改善砂浆内部的孔隙结构；蒙脱石晶体的层间结构吸附性能更强，吸附砂浆中更多的水分，从而降低了水胶比，使砂浆的抗冻性能得到显著提高。

另外，随着本次试验中砂浆使用的机制砂MB值增大，其吸附水的能力增强，为保证每组砂浆拌和物具有基本相同的坍落度、水胶比，使用的配合比随之变化，即用水量和胶凝材料用量、减水剂用量同步增大。胶凝材料、减水剂用量的增加也有助于砂浆抗冻性能的提高。

2.4 机制砂MB值对砂浆干燥收缩性能影响

根据试验规程［12］，测试、计算9种规格为28 mm×28 mm×280 mm砂浆棱柱体试件3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d和180 d龄期干燥收缩率随MB值的变化趋势，如图8所示。

从图8中可以看出：

（1） 伊利石和蒙脱石砂浆各龄期的干燥收缩率都随MB值的增大而持续增大。

主要原因是：① 黏土自身的湿胀干缩特性增大了砂浆干燥收缩率［29］；② 黏土的强吸水性减小了砂浆内部的水胶比、提高了保水性使干燥收缩率减小；③ 随着MB值增加，砂浆的用水量和胶凝材料、减水剂用量同步增加，砂浆的干燥收缩率增大，且该因素占主导作用。所以，无论是伊利石还是蒙脱石砂浆，总体上都随着MB值的增大、黏土含量增加，其干燥收缩率持续增大。

（2） 相同MB值和龄期的伊利石砂浆干燥收缩率与蒙脱石砂浆的基本相当，并无明显的差异。

主要原因是：① 在相同的MB值下，机制砂中伊利石的含量是蒙脱石的11.35～15.58倍，具有高伊利石含量的砂浆受到结构削弱、湿胀干缩的影响更大，导致砂浆的干燥收缩率比具有低含量蒙脱石的砂浆更大；② 为保持相同坍落度，使用相同MB值的机制砂拌制砂浆时，蒙脱石砂浆所需的用水量和胶凝材料用量比伊利石更多，从而减水剂用量更多，砂灰比减小，导致蒙脱石砂浆的干燥收缩率大于伊利石砂浆。在以上两方面原因互相抵消的作用下，伊利石砂浆和蒙脱石砂浆的干燥收缩率差异不大。

另外有关研究也表明，水胶比的增大、减水剂量的增加会增大干燥收缩率［26-27］；砂灰比减小，砂浆的干燥收缩率也会增大［28］。

3 结 论

遵循实际工程中控制拌和混凝土工作性一致的原则，保持水胶比、减水剂掺率不变，当机制砂MB值在0.3～2.5时，可得出如下結论：

（1） 随着MB值的增大，砂浆初、终凝时间延长；相同MB值的蒙脱石对砂浆的凝结时间影响大于伊利石。

（2） 随着机制砂MB值的增大，砂浆试件的抗压强度、劈裂抗拉强度和静力抗压弹性模量等力学性能总体上呈现先升后降的趋势，而MB值超过约1.5以后将出现较大程度的下降，MB值对砂浆力学性能影响的临界值在1.5附近；含不同黏土类型的砂浆其力学性能存在较大的差异，在龄期、MB值相同时，蒙脱石对砂浆力学性能的影响大于伊利石。

（3） 冻融后砂浆的质量损失率、相对动弹性模量与机制砂MB值无明显的相关性，蒙脱石砂浆的质量损失率明显小于伊利石砂浆；蒙脱石砂浆的抗冻等级、抗冻性能指标都明显大于伊利石砂浆；黏土的掺入能提高砂浆的抗冻性能，膨胀性黏土比非膨胀性黏土的提升作用更大。

（4） 各龄期的伊利石砂浆和蒙脱石砂浆其干燥收缩率均随MB值的增大而持续增大；相同MB值和龄期时，伊利石与蒙脱石对砂浆干燥收缩率的影响无明显差异。

（5） 机制砂MB值超过1.5以后，可以通过保持水胶比不变、增大用水量和胶凝材料用量配制出工作性、力学性能和耐久性能等符合设计要求的混凝土。但以本次试验为例，单方混凝土材料中胶凝材料用量增大约15%～19%，成本增加约9.5%～12%。

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（编辑：胡旭东）

Influence of manufactured sand MB value on motor properties under equal slump

LI Jiazheng，GONG Dexin，SHI Yan，LIN Yuqiang

（Institute of Materials and Structure，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In the process of production and transportation，manufactured sand will inevitably be mixed with soil，and excessive clay will lead to excessive methylene blue（MB） value，which will adversely affect some properties of mixed mortar.In order to study the influence of different types of clay minerals on the mortar performance，different contents of non-expansive clay illite or expansive clay montmorillonite were added to the same gradation of manufactured sand to prepare clay-contained manufactured sand with different MB values.The pure manufactured sand was used as the reference group.Then according to the production requirements of the project site，the slump and water-binder ratio of the mortar were controlled to be the same，and the influence of the manufactured sand MB value on the mortar properties was studied.The results showed that the mechanical properties of the mortar increased first and decreased with the MB value increasing，and the critical point of MB value was near 1.5.The setting time and drying shrinkage of mortar were significantly affected by MB value.The expansive clay had a significant effect on improving the frost resistance of mortar.When the MB value exceeded 1.5，the concrete that met the design requirements such as workability could be prepared by keeping the water-binder ratio constant and increasing the amount of water and glue，but it would increase the cost.

Key words：

manufactured sand；MB value；clay；illite；montmorillonite；motor property