人工砂游离云母含量对混凝土性能的影响

吴文博,贺晶晶,王海婷,赵坤龙,樊李浩

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710199)

0 引 言

砂石是我国基础建设的重要原材料之一,随着基础建设的日益发展,尤其是近十年跨越式发展,我国许多地区经过几十万年形成的有限的天然砂资源几乎用尽。根据工程需要和环保要求,机制砂逐渐代替人工砂作为混凝土的主要原材料,而许多水电工程基本上就地取材,利用开挖岩石来生产人工骨料。

云母是一种很常见的组成岩石的矿物,三大岩石中都有可能含有云母,不同的是在沉积岩中云母通常是破碎形成的小碎片,变质岩中的云母通常是在变质作用下形成的,而岩浆岩中的云母是岩浆结晶形成的。云母具有玻璃光泽,由非常薄的层构成,呈典型的层状结构,晶体为连续层状硅氧四面体构造,具有良好的化学稳定性和热稳定性[1]。云母的表面光滑且呈层状结构的物理结构特性,导致其与水泥基浆体的粘接强度较低,细骨料中的片状云母会使混凝土部分性能降低,对工程产生不利影响。水电工程中经常存在一些原岩云母含量较高的情况:我国最大的水电站三峡工程的花岗岩开挖料,其黑云母比例为10%[2-3];苗尾水电站丹坞堑料场片麻岩骨料中云母含量高达40%[4]。

国内外已有研究人员研究了云母对混凝土的影响。Dewar[5]的研究发现,砂中的游离云母会对混凝土的强度和拌和物性能产生不利影响,随着云母含量增加,用水量增加,混凝土的强度降低。James[6]的研究也发现人工砂中的游离云母会使混凝土的性能劣化。中国水利水电科学研究院对天然砂中云母含量对混凝土性能的影响进行研究,得出了天然砂会对混凝土的拌和物性能、力学性能、耐久性能均产生不利影响[7]。李家正等[8]和伏文勇[9]对三峡工程开挖的高云母含量花岗岩对混凝土性能的影响进行研究。钟贻辉等[10]将机制砂和天然砂进行掺配,用以调整混合砂的云母含量,研究其对混凝土抗冻性能的影响,发现云母含量在3.5%以内对混凝土抗冻性能没有显著影响,云母呈光滑薄片的结构特性是影响混凝土抗冻性能的主要原因。李新宇等[4]、邢界泉等[2]研究了高云母含量的石粉对砂浆和混凝土的影响,高云母含量的石粉会导致混凝土和砂浆强度降低,抗冻性能下降。毛永琳等[11]在人工砂中外掺游离云母,研究了游离云母含量对砂浆流动性的影响,发现人工砂的游离云母含量超过2.5%时,砂浆流动度显著降低,云母含量增加导致减水剂的掺量增加,砂浆流动度损失加快,云母的扁平状形貌结构、吸水率高的特性是砂浆流动性降低、黏度大的主要原因。

目前我国砂石骨料试验规范《建设用砂》(GB/T 14684—2022)[12]、《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2020)[3]、《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2014)[13]等只适用于检测砂中粒径在0.315～5.000 mm的游离云母颗粒含量。SL/T 352—2020[3]中认为影响混凝土性能的主要是大颗粒的片状云母,因此提出“游离云母”的概念。同时实践表明:对于一些细粒碎云母(如绢云母)含量较高的母岩轧制的人工砂,使用规范中测试方法得出的云母含量测试结果偏差较大;某些水利水电工程采用云母含量较高的母岩作为混凝土骨料料源,人工砂在加工过程中是否会形成较大粒径的游离云母,与母岩中云母的结构和颗粒粒径相关。

目前研究云母含量对混凝土的影响使用的方法多为掺入某一粒径区间的云母,通过调整含云母石粉和不含云母石粉的比例,控制<0.16 mm粒径区间的不同云母含量,或者掺入0.3～1.25 mm粒径区间的云母颗粒,使人工砂中云母含量不同,研究云母对混凝土较短龄期(28 d)性能的影响。本文对机制砂外掺连续级配的云母,配制不同云母含量的人工砂,研究不同游离云母含量对混凝土长龄期抗压强度、极限拉伸强度与极限拉伸值、抗冻性能、抗渗性能的影响。

1 试验材料与方法

本次试验结合某水电工程,坝址开挖的二长岩轧制的人工砂云母含量较高,根据高程和区域不同,云母含量有所变化,人工砂中游离云母含量达到2.7%,已超过规范的限定值。为了解云母含量超标对混凝土造成的不利影响,进行了人工砂中不同云母含量对混凝土性能的影响试验。采用外掺云母的方法,将人工砂中的游离云母含量调至4.0%和6.0%,研究其对混凝土性能的影响。

人工从骨料中分离出满足试验要求的云母含量,几乎不可能;采用化学方法分离,又会造成骨料对分离液的吸附,影响混凝土性能。外掺云母对混凝土性能的影响可近似反映游离云母的不利影响。

试验用水泥为甘肃永登水泥厂生产的42.5中热硅酸盐水泥,主要性能指标见表1。

表1 水泥主要性能指标

试验用粉煤灰为平凉热电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰,主要性能指标见表2。

表2 粉煤灰主要性能指标

试验所用外掺云母为咸阳圣方化工有限公司生产的黑云母,其颗粒级配见表3。

表3 云母颗粒级配

人工砂为二长岩轧制的人工砂,细度模数2.7,属于2区中砂,表观密度为2.67 g/cm3,石粉含量为16.7%,坚固性为2.3%。粗骨料为二长岩轧制的分级人工骨料,压碎指标为13.0%。减水剂(ZB-1A)掺量为0.7%,引气剂(DH9)掺量为0.5%。

对轧制人工骨料的母岩进行云母含量检测,试验方法采用X射线衍射物相定量分析中的“绝热法”[14-15],对母岩进行矿物成分分析,其中石英、斜长石、钾长石、方解石、云母、绿泥石、闪石含量分别为24.1%、12.3%、1.6%、2.8%、36.8%、20.5%、1.9%。按照母岩的云母含量检测方法,人工砂石粉中的云母含量为33.8%,母岩X射线衍射图谱见图1,而按照DL/T 5151—2014[13]的方法检测,人工砂0.315～5.000 mm粒径区间游离云母含量仅为2.7%。从结果来看,2种方法测得云母含量差别较大。而施工规范中要求云母含量<2%[16],是针对粒径在0.315～5.000 mm的游离云母[13],对粒径<0.315 mm的云母含量限值目前没有规定。

图1 母岩X射线衍射图谱

试验采用三级配混凝土,坍落度控制为50～70 mm,通过外掺云母,控制人工砂中粒径0.315～5.000 mm的游离云母含量分别为4%、6%。湿筛40 mm以上粒径粗骨料成型150 mm×150 mm×150 mm立方体试件测试混凝土的抗压强度和劈拉强度,每组各3块;成型100 mm×100 mm×400 mm试件用于测试混凝土的抗冻性能,每组3块;成型顶面直径175 mm、底面直径185 mm、高度150 mm的试件用于测试混凝土的抗渗性能,每组6块;成型100 mm×100 mm×500 mm试件用于测试混凝土的轴向拉伸试验,每组4块;试验水灰比为0.44,砂率为32%,具体材料用量见表4。所有试件成型后按照《水工混凝土试验规程》(DL/T5150—2017)[17]的规定进行养护和试验。

表4 不同云母含量的混凝土拌和物性能

2 试验结果分析

2.1 游离云母含量对混凝土拌和物性能的影响

不同游离云母含量对混凝土拌和物性能的影响试验结果见表4。

由试验结果可知,当人工砂中云母含量由2.7%增至6.0%时,混凝土用水量增加了6 kg/m3,人工砂中云母含量使混凝土的用水量略有增加,随云母含量的变化,混凝土含气量变化不大。由于云母颗粒的特殊粒型结构,呈薄片状,粒形较差,相比于人工砂,相同质量的云母比表面积较大,因此包裹云母颗粒所需的水泥浆体会增多,导致混凝土的单位用水量增大。产生这种影响只限于游离状态的云母颗粒,而附着在粗骨料、人工砂表面的云母则不会使其比表面积增加。

2.2 游离云母含量对混凝土力学性能的影响

人工砂中不同云母含量对混凝土力学性能(抗压强度、劈拉强度)的影响试验结果见表5、表6。

表5 不同云母含量的混凝土抗压强度

表6 不同云母含量的混凝土劈拉强度

由表5和表6数据可知,人工砂中云母含量的增加对混凝土28 d抗压强度、劈拉强度没有显著影响,对混凝土180 d抗压强度略有影响,云母含量从2.7%增至4.0%时,混凝土180 d抗压强度略有降低。

2.3 云母含量对混凝土极限拉伸性能的影响

拉伸性能对混凝土的抗裂有着重要影响, 是混凝土抵抗温度变形和收缩变形的重要指标。 不同游离云母含量对混凝土极限拉伸性能的影响试验结果见表7。

表7 不同云母含量混凝土的拉伸性能

由表7可以看出,人工砂中云母含量在2.7%～6%之间对混凝土的拉伸弹性模量几乎没有影响,轴拉强度、极限拉伸值随着云母含量的增加略有减小。这可能是因为片状云母颗粒光滑的表面影响水泥浆体之间的结合,当混凝土受到拉应力时,云母结合部位会最先产生微裂缝,拉应力继续增加引起裂缝扩展,使混凝土轴拉强度降低。

2.4 云母含量对混凝土抗冻和抗渗性能的影响

不同云母含量人工砂对混凝土抗冻性能的影响试验结果见图2。

图2 不同云母含量混凝土的质量损失率和相对动弹性模量

由试验结果可知,经过300次冻融循环,人工砂中游离云母含量为2.7%的混凝土相对动弹性模量降为89.5%,质量损失率为0.88%;而人工砂中云母含量为6.0%的混凝土相对动弹性模量降低到78.5%,质量损失率为2.22%。当混凝土冻融循环次数超过200次后,人工砂中云母含量对抗冻性能影响程度显著增加,随着人工砂中云母含量的增加,混凝土的抗冻性能变差,云母含量由4%增加至6%时,混凝土质量损失率和相对动弹性模量降幅都增大较多。

云母导致混凝土抗冻性能降低主要是云母的物理性质导致的,因为云母为片状结构,容易剥离,强度非常低,混凝土中过高的云母含量会影响水泥浆体与砂石骨料的结合,阻碍水泥等胶凝材料和骨料形成整体。冻融过程中,水通过毛细孔渗入混凝土内云母与浆体结合处的薄弱层面,当混凝土内部孔隙受到的冻胀压力超过混凝土的抗拉强度时,就会产生冻融破坏[18]。冻胀作用很容易造成薄弱层面的劣化,大量的云母使胶结薄弱带大量存在,从而导致混凝土抗冻性能劣化。

不同云母含量人工砂对混凝土抗渗性能的影响试验结果见表8。

表8 不同云母含量混凝土的抗渗性能

由表8可知,人工砂中云母含量对混凝土抗渗性能影响较小,云母含量从2.7%增加到6%,混凝土抗渗试件均未出现渗水,能够满足W8等级抗渗,试件渗水高度随着云母含量的增加略有增加。

3 结 论

(1) 在混凝土坍落度保持基本相同的条件下,随着云母含量的增加,混凝土用水量略有增加,游离云母含量增加2%,混凝土用水量增加约4 kg/m3。

(2)人工砂中游离云母含量对混凝土抗压强度、劈拉强度影响较小;随着云母含量增加,混凝土轴拉强度和极限拉伸值略有降低。

(3)当混凝土冻融循环次数超过200次后,人工砂中云母含量对抗冻性能有一定影响,随着云母含量增加,抗冻试件质量损失率增大。

(4)人工砂中游离云母含量对混凝土的抗渗性能影响较小。

(5)由于水电工程混凝土原材料多为就地取材,将云母含量较高的岩石作为工程料源,宜进行专项的云母含量试验研究。