花岗岩机制砂混凝土性能的研究

2024-05-19徐铭阳XUMingyang

价值工程 2024年13期

徐铭阳XU Ming-yang

（安徽理工大学，淮南 232001）

0 引言

我国虽然幅员辽阔、地大物博，但天然砂作为自然资源，一方面短时间内不可再生，河砂资源濒临枯竭；另一方面，大面积开采河砂会导致河床蓄水层被破坏产生松动、地表河水外渗，淹没周边环境，为保护自然资源，国家出台了相关政策，限制了天然砂的采伐，使得天然砂资源越来越匮乏，价格攀升。与此同时，每年砂石市场的需求并没有减少，也就导致河砂价格节节攀升，部分商家为了眼前利益甚至不顾法律，出现盗采盗挖的现象，工程用砂矛盾日益突出，混凝土质量及工程质量都存在着一定隐患。所以当前最有效的解决问题的方法是找到可以代替天然砂的主要砂源，满足建筑工程市场的需求。所以采用人工制备的机制砂产品作为混凝土生产所需的细集料成为合理选择。

但随之而来，花岗岩等各类石材在开采和生产石质产品过程中，产生了大量废弃的粒径大小不统一的石材废料。这些石材废料得不到二次利用，久而久之，造成了堆放方式和处理过程的资源浪费，占用了较多的土地资源，同时细小的粉末漂浮于空气中还会造成严重的环境污染，影响空气质量；如若排入河道湖泊等水体中，严重污染水源，影响水中生物的正常生长，破坏生态系统；大量废弃的花岗岩石粉侵占了农田，影响了作物的正常生长，带来了严重的环境污染问题，同时造成了石材资源的浪费。如若将这类石材废料经过筛分后制备成人工机制砂，应用到混凝土的制备当中，不仅减少了混凝土对自然资源的依赖，保护了天然砂资源，延长了混凝土的使用寿命，提高了混凝土性能，同时，解决了石材废料造成的堆积问题和环境污染，变废为宝，保强增效，为机制砂混凝土的发展提供了新思路。

1 试验概况

1.1 水泥

本试验所采用水泥为淮南海螺有限公司生产的P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，其具体的物理性能指标如表1 所示。通过检验分析，相关技术指标符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》标准。

表1 水泥的物理性能

1.2 天然砂

天然砂，通过自然风化作用而产生的岩石颗粒，其颗粒大小分布在5mm 以下。较于人工砂其经过河水冲洗，颗粒形状较为圆滑，棱角少且级配相对丰富。满足普通混凝土用砂的细度模数范围。颗粒级配见表2。

表2 天然砂颗粒级配

1.3 花岗岩机制砂

本试验所用花岗岩机制砂均由当地石材加工厂生产加工石料成品过程中所产生的边角余料经二次粉碎筛分后所得到的粒径范围的岩石颗粒。花岗岩机制砂较天然砂相比，其形状较为细长，棱角多，粗糙程度较大。符合《GB/T14684-2001 建筑用砂标准》。颗粒级配见表3。

表3 花岗岩颗粒级配

利用XRD 衍射仪分析其化学成分组成，如图1 所示。

图1 花岗岩机制砂XRD 衍射图谱分析

由图1 可见，花岗岩机制砂中SiO2与Al2O3含量相对最高，占总量的七成左右，且含有少量Fe2O3、K2O、MgO 等。从花岗岩形成的角度出发：花岗岩是由在高温高压条件下处于地下深处炽热的岩浆上升冷却凝固而成。而SiO2在高压条件下排列致密，拥有着较强的抗侵蚀能力，化学性质不活泼，能够保持稳定的形态。Al2O3则可以以多种形态存在，其中最典型的结构分为γ-Al2O3、θ-Al2O3、α-Al2O3。其中γ-Al2O3在900℃以后发生相变逐渐转化为θ-Al2O3，随着温度的升高，当温度达到1200℃时，彻底转化为α-Al2O3稳定晶型。说明花岗岩机制砂化学性质较为稳定，属于惰性材料。在混凝土中主要起到物理填充作用。

2 花岗岩机制砂对混凝土性能的影响

在混凝土中，粗骨料具有足够的强度和坚固性，能够起到骨架和传力的作用，细骨料填充在粗骨料的间隙之中使混凝土达到最佳密实状态，优化水泥基材料的结构性能，本章针对花岗岩机制砂级配对混凝土的和易性进行了相关研究，为花岗岩机制砂在混凝土中的应用奠定理论基础。

2.1 机制砂混凝土配合比设计

2.1.1 机制砂混凝土配合比计算

根据混凝土试验配合比参JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》和现行搅拌站混凝土配合比，在此基础上结合课题要求进行试配C40 混凝土。选水胶比分0.5。

计算基准组配合比结果见表4。

表4 混凝土配合比

2.1.2 花岗岩机制砂混凝土配合比调整

在机制砂混凝土配合比设计研究中，为确保试验所制备的混凝土符合建筑工程和试验要求，根据上述计算所得混凝土配合比试拌花岗岩机制砂混凝土，分别以7%、14%、21%、28%、35%、42%机制砂替代率进行替代天然砂，如图2 所示，通过混凝土工作性能对计算配合比进行调整。

图2 混凝土拌和

普通混凝土设计中最主要的参数为水胶比、用水量和砂率，这3 个参数与混凝土的性能密切相关。花岗岩机制砂作为一种取代河砂配置混凝土的细骨料，含有类似胶材颗粒级别的石粉，同时具有不同于普通天然砂的细度模数，使机制砂的性能影响到配合比中水胶比、用水量和砂率参数的设定。

因此，根据拌合试验表现对机制砂混凝土配合进行调整，调整后试验配合比见表5。

表5 花岗岩机制砂混凝土调整配合比

2.2 花岗岩机制砂混凝土工作性能研究

混凝土和易性一直是工程应用中混凝土的一项重要参考性能，和易性包含了流动性、保水性及粘聚性三个方面。在混凝土的生产应用中，中低强度等级混凝土容易出现离析和泌水现象，流动性和保水性较差；高强混凝土使用中会出现堵管现象，过于黏稠。和易性良好的混凝土不论从前期拌合、中期运输还是后期到工程现场的浇筑过程中，均能提高工作效率。伴随着工程技术的飞速发展，施工现场的混凝土基本上都实现了泵送浇筑，因此对混凝土和易性的要求也逐渐提高。对于高标号混凝土，不仅强度要满足工程标准，工作性也必须满足施工需求，因此本次试验通过调整减水剂的用量，保证在各组坍落度及扩展度相差不大，通过观察混凝土搅拌机中混凝土的状态及后续重复试验确定，来进行混凝土力学性能、体积稳定性。

坍落度试验结果见表6。

表6 花岗岩机制砂混凝土坍落度试验结果

从表6 中可以看出花岗岩机制砂，在掺入混凝土中替代天然砂时，其规律基本呈现先增大后减小的趋势。这说明花岗岩机制砂在适当掺量范围内对于混凝土的工作性能具有提升作用，但是随着掺量的增大，花岗岩机制砂混凝土坍落度呈现下降趋势。究其原因，花岗岩机制砂的级配较粗时，砂子细颗粒占比较小，即使在胶凝材料较高的混凝土中，机制砂也需要有足够的细粉料以确保机制砂与胶凝材料间形成合理的空间搭配；当机制砂级配偏细时，细骨料比表面积整体升高，需要更多的浆体和水对机制砂表面进行包裹和润湿，在用水量相同的情况下，为了达到相同的工作性，减水剂用量也被提升。

3 花岗岩机制砂微观形貌试验研究

3.1 SEM 扫描电镜试验研究

扫描电子显微镜（SEM）是一种电子束。样品表面被扫描后，通过接收、放大和显示这些信息来显现图像，分析样品的微观界面。试验选取养护至28 天后的混凝土试件，从试块中心部位取被水泥浆包裹均匀的混凝土，劈裂取样，得到边长小于0.5cm 的片状试样。

3.2 花岗岩机制砂混凝土SEM 扫描电镜试验结果分析

对未掺有机制砂的基准组混凝土中心部位进行扫描电镜分析，并与同等养护条件下GB21 组花岗岩机制砂混凝土进行对比分析。图3 中（a）、（b）、（c）、（d）为两组混凝土在扫描电镜下放大1000 倍、3000 倍的照片。

图3 低倍放大下混凝土对比SEM 照片

从图3 中可以看出，在低倍扫描电镜试验检测中，基准组混凝土围观内部结构，表面有大孔产生，骨料之间的联系并不紧密；而花岗岩机制砂混凝土的内部结构虽然较为粗糙，但是骨料与胶凝材料直接均匀分布，孔隙较少，内部形貌匀称。在放大3000 倍条件下，可以清晰发现随着混凝土的机制砂中小颗粒含量的增加，混凝土的和易性得到改善，硬化后混凝土更趋于均匀密实。且随着混凝土中细粉料的增加，自由水在粉料表面均匀分布，混凝土硬化后自由水蒸发所形成的空隙被花岗岩机制砂细化。

混凝土可以视为由水泥、砂、石组成的连续颗粒堆积体系，细颗粒的花岗岩机制砂，起到填充骨架的作用，使水泥石结构和界面结构更为致密。所以宏观性能表现为，掺入一定量的花岗岩机制砂可以提高混凝土早期抗压强度。

从图3（c）和3（d）对比观察可以了解到，在扫描电镜倍数调至3000 倍时，微观形貌下基准组大量水化硅酸钙C-S-H 凝胶和氢氧化钙C-H 相互胶结，整体较致密，但孔隙直径分布参差不齐，不规则孔较多；而花岗岩机制砂混凝土，花岗岩机制砂可以诱导水化物析晶，促进Ca3SiO5和3CaO·Al2O3的水化，机制砂在水泥浆中的均匀分布，能够提高有效结晶产物含量，减少结晶产物的缺陷，使混凝土过渡区强度提高，胶凝材料完全包裹机制砂，提高了对粗细骨料的胶结力，孔隙率得到下降，混凝土的强度得到提升。

同时，因为混凝土中含有未水化的颗粒和毛细孔，当水化程度一定时，水灰比决定了混凝土的孔隙率，一定范围内水灰比越低，混凝土孔隙率越小，所以花岗岩机制砂的混凝土的力学强度得到提高。通过观察放大10000 倍对比扫描电镜试验图片，基准组中的C-H 虽与C-S-H 相互连接，但依然存在大面积C-H 定向富集。微观下，我们可以观察到混凝土界面致密，片状水化产物较少，胶凝材料易于胶结，结构致密。