人工砂高云母石粉對抗沖磨混凝土性能影響研究

李新宇，謝國帥，任金明，邢界泉

人工砂高云母石粉對抗沖磨混凝土性能影響研究

李新宇1，謝國帥1，任金明1，邢界泉2

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 310014；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州310058）

通過控制人工砂中石粉含量，系統(tǒng)研究了高云母石粉對抗沖磨混凝土性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，隨著人工砂中高云母石粉含量的增加，抗沖磨混凝土單位用水量有所增加，抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，但變化幅度相對較?。蝗斯ど爸懈咴颇甘酆繉τ诳箾_磨混凝土早齡期干縮值影響相對較小，對于長齡期干縮值卻有較大幅度影響；人工砂中高云母石粉含量與混凝土抗沖磨強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。適當(dāng)控制人工砂中高云母石粉含量在一定程度上有利于提高抗沖磨混凝土性能。

人工砂；高云母石粉；抗沖磨混凝土；干縮；抗沖磨強(qiáng)度

0　前言

隨著天然砂資源的逐漸減少，目前大型水電工程建設(shè)過程中細(xì)骨料多采用人工砂方案，但人工砂在生產(chǎn)過程中會不可避免地產(chǎn)生較多石粉，這與天然砂有著顯著的區(qū)別。根據(jù)DL/T5144—2001《水工混凝土施工規(guī)范》規(guī)定人工砂石粉含量宜控制在6%～18%。然而對于石粉含量的控制范圍，尚存在一定的爭議。目前關(guān)于人工砂石粉含量對混凝土性能影響研究主要針對大壩常態(tài)混凝土或碾壓混凝土［1-4］，石粉含量對于抗沖磨混凝土性能影響研究較少。

云母一般呈薄片狀，表面光滑，強(qiáng)度很低，且易沿節(jié)理錯裂，與水泥漿的粘結(jié)力很差，是混凝土細(xì)骨料中有害物質(zhì)之一，當(dāng)砂中云母含量超過一定限度時，混凝土拌和物和易性、混凝土強(qiáng)度、耐久性等均有顯著降低［5-8］。根據(jù)GB/T14684—2011《建筑用砂》和DL/T5144—2001《水工混凝土施工規(guī)范》均限定砂中云母含量不得大于2%。但與上述規(guī)范配套的試驗方法只能測試出砂中粒徑大于0.3 mm（或0.315 mm）的游離云母含量，對砂中石粉內(nèi)的云母含量無法測試，同時目前也沒有相應(yīng)規(guī)范對砂中石粉內(nèi)的云母含量進(jìn)行限制。如采用現(xiàn)行規(guī)范云母含量測試方法，按照目前的生產(chǎn)工藝，即使母巖云母含量很高的巖石也可能軋制出粒徑大于0.3 mm的游離云母含量小于2%的人工砂，即人工砂中云母含量滿足規(guī)范要求，但已有試驗結(jié)果表明，采用云母含量較高的母巖軋制的人工砂配制出的混凝土和易性和抗拉強(qiáng)度相對較差［9］。

由于抗沖磨混凝土強(qiáng)度等級較高，DL/T5207—2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》規(guī)定配制高性能抗沖磨蝕的混凝土及其砂漿所用材料“應(yīng)選用質(zhì)地堅硬、含石英顆粒多、清潔、級配良好的中粗砂”，該規(guī)范在一定程度上對配制抗沖磨混凝土的細(xì)骨料品質(zhì)、級配等技術(shù)指標(biāo)有所限定，但沒有明確石粉含量、石粉品質(zhì)等指標(biāo)?？紤]到云母含量較高的母巖軋制的人工砂石粉云母含量較高，本文通過控制人工砂中高云母石粉含量，系統(tǒng)研究了人工砂中高云母石粉含量變化對抗沖磨混凝土性能的影響規(guī)律，以期為相關(guān)工程采用高云母石粉人工砂配制優(yōu)質(zhì)抗沖磨混凝土提供技術(shù)支撐。

1　試驗設(shè)計

1.1原材料

試驗采用42.5中熱硅酸鹽水泥（P.MH42.5）、II級粉煤灰、聚羧酸減水劑、引氣劑、片麻巖粗細(xì)骨料等原材料，原材料各項性能基本滿足相應(yīng)規(guī)范技術(shù)要求。片麻巖原巖主要由石英和黑云母組成，局部有少量石英晶體、方解石和長石等，采用結(jié)合圖像分析的巖相分析測得原巖中黑云母含量為40%，呈細(xì)粒結(jié)構(gòu)。片麻巖原巖經(jīng)軋制加工得到人工砂，采用規(guī)范規(guī)定的人工挑選法測得云母含量僅為0.1%，滿足規(guī)范要求。人工砂石粉含量為14.6%，細(xì)度模數(shù)為2.78，細(xì)骨料顆粒級配試驗結(jié)果如圖1所示，可以看出所選用的人工砂顆粒級配大致在II區(qū)中砂范圍內(nèi)。

為了得到不同石粉含量的人工砂，先用搖篩機(jī)將人工砂中小于0.16 mm的石粉篩除，試驗過程中根據(jù)需要在篩除石粉的人工砂中摻加一定量的石粉配制成不同含量石粉（6%、9%、12%、15%、18%）的人工砂，然后開展抗沖磨混凝土試驗。篩除得到的石粉采用結(jié)合圖像分析的巖相分析測得其中云母含量為49%，為高云母石粉，石粉顆粒及其中云母顆粒形貌如圖2所示。

圖1　人工砂顆粒級配曲線

圖2　人工砂石粉顆粒及其中云母顆粒形貌

可以看出，石粉顆粒粒徑相對較小，50 μm以下顆粒占有較大部分比例。石粉顆粒呈現(xiàn)大量不規(guī)則的棱角狀、塊狀、片狀和碎屑狀等形態(tài)，同時顆粒表面相對粗糙，吸附有一定量微屑。云母顆粒呈薄片狀，強(qiáng)度較低，易沿節(jié)理面錯裂，同時其內(nèi)部層間結(jié)構(gòu)也較為特殊，可能具有較強(qiáng)的吸附性。

1.2配合比設(shè)計

不同高云母石粉含量抗沖磨混凝土配合比參數(shù)及新拌性能如表1所示。試驗過程中控制混凝土坍落度在50～70 mm之間，含氣量在3.0%～4.0%之間，單位用水量、砂率、引氣劑等參數(shù)根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

1.3抗沖磨混凝土性能

抗沖磨混凝土性能測試主要包括拌和物性能、抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、干縮變形、抗沖磨強(qiáng)度等指標(biāo)。其中抗沖磨強(qiáng)度采用水下鋼球法和圓環(huán)法兩種手段進(jìn)行測試，水下鋼球法主要模擬大粒徑推移質(zhì)對混凝土表面的沖磨特性，圓環(huán)法主要模擬懸移質(zhì)在高速水流下對混凝土表面的沖刷特性。

表1　不同高云母石粉含量抗沖磨混凝土配合比參數(shù)及新拌性能

2　試驗結(jié)果與討論

2.1拌和物性能

抗沖磨混凝土單位用水量隨高云母石粉含量變化關(guān)系曲線如圖3所示?？梢钥闯觯S著高云母石粉含量的增加，為了達(dá)到同樣的坍落度控制范圍，抗沖磨混凝土單位用水量需提高，且兩者近于線性相關(guān)。這主要與高云母石粉顆粒比表面積相對較大、粒形較差、表面粗糙、內(nèi)部層間結(jié)構(gòu)特殊、吸附性強(qiáng)等特性密切相關(guān)，隨著高云母石粉含量增加，浸潤表面所需水分增加，因而單位用水量提高。

圖3　人工砂中高云母石粉含量對抗沖磨混凝土單位用水量影響

表1的結(jié)果顯示，18%高云母石粉含量的抗沖磨混凝土引氣劑摻量較其余組有所提高，但拌合物含氣量卻仍然相對較小，說明過高的高云母石粉摻量對于抗沖磨混凝土的引氣效果有一定不利影響。高云母石粉顆粒表面相對粗糙、吸附性較強(qiáng)，對氣泡具有一定的吸附作用從而弱化了引氣劑的引氣效果。此外，隨著石粉含量的增加，人工砂細(xì)度模數(shù)有所減小，因而配制相應(yīng)抗沖磨混凝土的最優(yōu)砂率也稍有降低。

2.2抗壓強(qiáng)度

各齡期抗沖磨混凝土抗壓強(qiáng)度隨高云母石粉含量變化關(guān)系曲線如圖4所示。結(jié)果表明，高云母石粉含量對同水膠比抗沖磨混凝土抗壓強(qiáng)度有一定影響，但幅度相對有限?？傮w而言，抗沖磨混凝土抗壓強(qiáng)度隨高云母石粉含量增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，9%高云母石粉含量的抗沖磨混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度相對較高，說明控制適當(dāng)?shù)母咴颇甘酆繉τ谔岣呖箾_磨混凝土抗壓強(qiáng)度有一定好處。18%高云母石粉含量抗沖磨混凝土抗壓強(qiáng)度略有增加，這可能與其拌和物含氣量相對較低有一定關(guān)系。

圖4　人工砂中高云母石粉含量對抗沖磨混凝土抗壓強(qiáng)度影響

2.3劈拉強(qiáng)度

各齡期抗沖磨混凝土劈拉強(qiáng)度隨高云母石粉含量變化關(guān)系曲線如圖5所示。可以看出，與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律類似，抗沖磨混凝土劈拉強(qiáng)度隨高云母石粉含量增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，9%及12%高云母石粉含量的抗沖磨混凝土劈拉強(qiáng)度相對較高，但整體上劈拉強(qiáng)度隨高云母石粉含量的變化幅度也相對有限。

圖5　人工砂中高云母石粉含量對抗沖磨混凝土劈拉強(qiáng)度影響

2.4干縮

不同高云母石粉含量抗沖磨混凝土干縮變形隨齡期變化關(guān)系曲線如圖6所示?？梢钥闯?，各組抗沖磨混凝土干縮變形在90 d齡期內(nèi)隨齡期變化較大，90 d齡期之后則逐漸趨于穩(wěn)定。高云母石粉含量對于抗沖磨混凝土早齡期干縮值影響相對有限，對于長齡期干縮值卻有較大幅度影響，365 d齡期之后各組抗沖磨混凝土干縮值在350×10-6～450× 10-6之間波動，差異相對較大。

圖6　人工砂中高云母石粉含量抗沖磨混凝土干縮隨齡期變化

各長齡期抗沖磨混凝土干縮值隨高云母石粉含量變化關(guān)系曲線如圖7所示。整體上，抗沖磨混凝土長齡期干縮值隨高云母石粉含量的增加而增加，這與人工砂中高云母石粉含量增加后，混凝土單位用水量和膠凝材料量相應(yīng)增加有較大關(guān)系。一般來說，混凝土干縮主要與膠凝材料漿體的收縮密切相關(guān)，而膠凝材料漿體的收縮主要與水膠比和用水量有關(guān)，通常情況下，水膠比越大、用水量越高，漿體干縮值越大［10］。

圖7　人工砂中高云母石粉含量對抗沖磨混凝土干縮影響

2.5抗沖磨強(qiáng)度

抗沖磨混凝土90 d及180 d齡期抗沖磨強(qiáng)度隨高云母石粉含量變化關(guān)系曲線如圖8所示?？梢钥闯?，隨著高云母石粉含量的增加，水下鋼球法和圓環(huán)法試驗得到的混凝土抗沖磨強(qiáng)度都有一定幅度下降，且兩者具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，回歸方程如表2所示。

圖8　人工砂中高云母石粉含量對混凝土抗沖磨強(qiáng)度影響

表2　人工砂中高云母石粉含量與混凝土抗沖磨強(qiáng)度回歸關(guān)系

一方面，在混凝土中，骨料的抗沖耐磨性能比硬化水泥漿體高得多，因而水泥漿體與骨料含量的比例對于混凝土抗沖磨強(qiáng)度有著重要影響；另一方面，混凝土的抗沖磨強(qiáng)度又與其表層強(qiáng)度及硬度直接相關(guān)［11］。一般而言，混凝土坍落度一定時，降低水泥用量有利于減少混凝土表面浮漿，有利于提高混凝土的抗沖磨強(qiáng)度。隨著人工砂中高云母石粉含量的增加，混凝土單位用水量和膠凝材料量相應(yīng)都有所增加，同時由于云母顆粒多呈薄片狀、密度相對較小而易在漿體中懸浮，因而人工砂中高云母石粉含量的增加也加劇了混凝土表層漿體的富集程度，這些都使得混凝土的抗沖磨強(qiáng)度隨之下降。

值得注意的是，本試驗石粉含量控制在6%～18%之間，因而并不意味著石粉含量越低就一定對混凝土的抗沖磨強(qiáng)度有利。當(dāng)石粉含量過低時，新拌混凝土容易離析與泌水，骨料與漿體的界面過渡區(qū)域相對疏松繼而有可能會影響到混凝土的抗沖磨特性，而這些有待在將來作進(jìn)一步研究。

4　結(jié)論

（1）同坍落度控制條件下，抗沖磨混凝土單位用水量隨著人工砂中高云母石粉含量的增加而增加。

（2）抗沖磨混凝土抗壓強(qiáng)度及劈拉強(qiáng)度隨人工砂中高云母石粉含量增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，但整體上影響幅度相對有限。

（3）人工砂高云母石粉含量對于抗沖磨混凝土早齡期干縮值影響相對較小，對于長齡期干縮值卻有較大幅度影響。

（4）人工砂高云母石粉含量對于抗沖磨混凝土抗沖磨強(qiáng)度有著較大影響。在一定范圍內(nèi)，隨著高云母石粉含量的增加，混凝土抗沖磨強(qiáng)度逐漸下降，且兩者具有良好的線性相關(guān)關(guān)系。

（5）適當(dāng)控制人工砂中高云母石粉含量有利于提高抗沖磨混凝土綜合性能。

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（責(zé)任編輯王琪）

Effect of Mica-rich Stone Powder Contained in Manufactured Sand on the Properties of Abrasion Resistance Concrete

LI Xinyu1，XIE Guoshuai1，REN Jinming1，XING Jiequan2
（1.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310014，Zhejiang，China；2.College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China）

The effects of mica-rich stone powder contained in manufactured sand on the properties of abrasion resistance concrete are systematically studied by controlling the content of stone powder.The test results show that，（a）the unit water use of abrasion resistance concrete will increase while its compressive strength and splitting strength changes slightly with the increase of mica-rich stone powder content；（b）the effect of mica-rich stone powder on the early-age shrinkage of abrasion resistance concrete is negligible while its long-age shrinkage value increase as the increase of mica-rich stone powder content；and（c）the abrasion resistance strength of concrete shows a strong negative linear correlation in terms of mica-rich stone powder content.Maintaining the content of mica-rich stone powder in a proper range will partly contribute to improve the properties of abrasion resistance concrete.

manufacturedsand； mica-richstonepowder； abrasionresistanceconcrete； shrinkage； abrasion resistance strength

TV431

A

0559-9342（2016）02-0106-05

2015-03-05

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目（51209219）

李新宇（1978—），男，湖北石首人，教授級高工，博士，主要從事高混凝土壩結(jié)構(gòu)與材料方面的研究.