砂巖機(jī)制砂顆粒特性及其配制的混凝土性能*

閆光明，殷素紅，郭文昊，劉 鵬，呂 輝

華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641

隨著廣東省對(duì)河砂開(kāi)采進(jìn)行大規(guī)模限制，河砂產(chǎn)量已難以滿足建設(shè)工程的使用需求，機(jī)制砂代替河砂已成為必由之路．將采石場(chǎng)廢石屑(行業(yè)內(nèi)俗稱(chēng)石粉)加工處理制成機(jī)制砂(俗稱(chēng)人工砂)，用來(lái)取代河砂用于配制混凝土和砂漿，這樣既可以解決建筑用砂短缺和廢石屑環(huán)境污染問(wèn)題，又提高了資源利用率，社會(huì)綜合效益顯著，具有極大的推廣意義．

廣東省采石場(chǎng)主要的巖石類(lèi)別有花崗巖、砂巖和石灰?guī)r，其中以花崗巖為主，砂巖和石灰?guī)r較少．目前廢石屑主要用于路基填充材料，利用價(jià)值很低．其中石灰?guī)r開(kāi)采的廢石屑更多的被加工為附加值更高的石灰石粉，用于水泥混合材及混凝土和砂漿摻合料；花崗巖廢石屑的數(shù)量最多，除用于路基填料外，一些混凝土攪拌站直接將其當(dāng)做細(xì)骨料來(lái)使用．因此，對(duì)花崗巖機(jī)制砂使用方面的研究較多，而對(duì)砂巖廢石屑制成機(jī)制砂用于混凝土的研究較少[1]．不同母巖機(jī)制砂的性質(zhì)有所差異，機(jī)制砂與河砂在顆粒特性上的不同是影響機(jī)制砂混凝土性能的主要原因，本文擬對(duì)砂巖機(jī)制砂的顆粒特性及其配制的混凝土性能進(jìn)行探討．

1 試驗(yàn)方法與材料

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的水泥為華潤(rùn)水泥平南有限公司生產(chǎn)的P ?Ⅱ42.5R水泥，其化學(xué)成分與抗壓強(qiáng)度列于表1．

表1 水泥的化學(xué)成分與抗壓強(qiáng)度

細(xì)集料河砂產(chǎn)自廣東西江，三種級(jí)配和細(xì)度模數(shù)不同的砂巖機(jī)制砂產(chǎn)自廣東清遠(yuǎn)，其主要參數(shù)如表2所示．

粗集料為花崗巖碎石(產(chǎn)地博羅)，規(guī)格為5～25 mm．粉煤灰為大唐寧德火電廠的F類(lèi)Ⅱ級(jí)灰．外加劑為廣東博眾建材公司生產(chǎn)的BOZ-3001高效緩凝減水劑，減水率為25.1%．

表2 細(xì)集料主要參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》GB/T 14684-2011對(duì)機(jī)制砂的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，參考標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)試方法》GB/T 2419-2005測(cè)定機(jī)制砂拌制砂漿的需水量與流動(dòng)度．采用OLYMPUS SZX10體視顯微鏡(放大倍數(shù)10倍)對(duì)河砂與機(jī)制砂的表面形貌進(jìn)行觀察．

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55-2011配制C35P8、坍落度150～180 mm的混凝土．以天然河砂為基準(zhǔn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)(記為試樣A)，然后以砂巖機(jī)制砂完全替代河砂(記為試樣B)，同時(shí)以砂巖機(jī)制砂為基準(zhǔn)再進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)并適當(dāng)增加減水劑用量(記為試樣C)．三組混凝土配合比列于表3．

表3 河砂和砂巖機(jī)制砂混凝土配合比

Table 3 Sand and sandstone mechanism sand concrete mix ratio

編號(hào)水泥∶砂∶石∶水∶粉煤灰∶外加劑A(天然砂)1∶2.24∶3.36∶0.57∶0.32∶0.010B(機(jī)制砂)1∶2.24∶3.36∶0.57∶0.32∶0.010C(機(jī)制砂)1∶2.31∶3.45∶0.57∶0.32∶0.014

混凝土工作性能測(cè)試和力學(xué)性能測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT 50080-2016進(jìn)行；混凝土抗?jié)B性能測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT 50082-2009中的RCM法和電通量法．

用EVO18型掃描電子顯微鏡，觀察混凝土樣品的表面形貌．用Auto Pore IV 9500型高性能全自動(dòng)壓汞儀，測(cè)試混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)．

2 結(jié)果與討論

2.1 砂巖機(jī)制砂的顆粒特性

機(jī)制砂與河砂在顆粒特性上的不同是其影響混凝土性能的主要原因，主要是顆粒粒形、級(jí)配和石粉含量等影響砂的堆積空隙率，從而影響新拌混凝土的性能．

2.1.1 砂巖機(jī)制砂的粒形

通過(guò)體視顯微鏡分別觀察了不同單粒級(jí)(4.75～2.36，2.36～1.18，1.18～0.6和0.6～0.3 mm)的河砂與砂巖機(jī)制砂的粒形，如圖1所示．

從圖1可以看出：由于經(jīng)過(guò)流水的沖刷，河砂表面光滑圓潤(rùn)，棱角被鈍化，球形度較高；而砂巖機(jī)制砂是機(jī)械破碎而成，表面粗糙度較大，表面形貌較為復(fù)雜，粒形不規(guī)則、棱角多，明顯可以看出附著的石粉．球形度高且圓滑的表面有助于在拌合的時(shí)候形成良好的流動(dòng)性，河砂中多為半透明的石英顆粒，主要成分為SiO2，與水泥有良好的相容性[2]．機(jī)制砂表面粗糙、多棱角使其有比天然砂更大的比表面積，對(duì)水的吸附能力更強(qiáng)，使混凝土拌合物的流動(dòng)性能變差，相同流動(dòng)度下比河砂需要更多用水量[3]；但是卻有利于與水泥漿料的結(jié)合[4]，對(duì)力學(xué)性能有利，故使用機(jī)制砂時(shí)需要平衡兩者的關(guān)系．

圖1 河砂與砂巖機(jī)制砂顆粒粒形(a1)～(a4)分別為粒度4.75～2.36，2.36～1.18，1.18～0.6和0.6～0.3 mm的河砂；(b1)～(b4)分別為粒度4.75～2.36，2.36～1.18，1.18～0.6和0.6～0.3 mm的機(jī)制砂Fig.1 River sand and sandstone mechanism sand particle shape(a1)～(a4) are river sands with particle sizes of 4.75～2.36, 2.36～1.18, 1.18～0.6 and 0.6～0.3 mm, respectively; (b1)～(b4) are Mechanism sands with particle sizes of 4.75～2.36, 2.36～1.18, 1.18～ 0.6 and 0.6～0.3 mm.

2.1.2 砂巖機(jī)制砂的級(jí)配

生產(chǎn)機(jī)制砂過(guò)程中可調(diào)控其顆粒級(jí)配，使其質(zhì)量可控，這是機(jī)制砂相較于河砂的優(yōu)勢(shì)所在，砂的顆粒級(jí)配越好，堆積更緊密，空隙率越小[5]，拌制混凝土?xí)r需水量越少，達(dá)到相同流動(dòng)度要求下可減少混凝土的用水量，使混凝土微觀結(jié)構(gòu)越致密，可提高混凝土強(qiáng)度和耐久性能．不同的生產(chǎn)工藝或生產(chǎn)控制不到位，會(huì)影響機(jī)制砂的級(jí)配．

表4比較了河砂與a，b和c三個(gè)機(jī)制砂試樣的級(jí)配．由表4可知，與河砂相比，機(jī)制砂中大于1.18 mm和小于0.15 mm的顆粒含量較多，而0.60～0.15 mm的顆粒含量較少，表現(xiàn)出“兩頭大中間小”的級(jí)配．

表4 砂的顆粒級(jí)配和細(xì)度模數(shù)

2.1.3 砂巖機(jī)制砂的石粉含量

砂中粒徑小于75 μm的顆粒，在河砂中為含泥量，在機(jī)制砂中主要是石粉.眾所周知，若河砂中含泥量偏高，由于泥粉吸水，吸附減水劑能力強(qiáng)，體積穩(wěn)定性差，對(duì)混凝土強(qiáng)度尤其是抗拉強(qiáng)度、干縮、徐變及耐久性能等都會(huì)產(chǎn)生不利的影響．但機(jī)制砂中石粉細(xì)顆粒的作用有所不同，石粉起到微細(xì)集料的作用，可以減少混凝土的孔隙，形成致密結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土強(qiáng)度和耐久性，所以一定的石粉含量是有利的，故國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》GB/T14684的2011版中對(duì)機(jī)制砂的石粉含量限定值比2001版放寬了，為不大于10%．

河砂和機(jī)制砂的空隙率和石粉含量列于表5．由表5可知，三種機(jī)制砂的石粉含量在3%～7.5%范圍不等，在生產(chǎn)過(guò)程中可以調(diào)控，建議石粉含量在5%～10%范圍．

級(jí)配不佳，砂的堆積空隙率會(huì)增大，對(duì)比三種級(jí)配不同的機(jī)制砂，由表5還可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂a的堆積空隙率最大為44%，即細(xì)集料顆粒間堆積密實(shí)度低，對(duì)新拌混凝土的工作性能不利，需要增加水泥漿的用量．

從以上對(duì)砂巖機(jī)制砂顆粒特性的分析可知，其顆粒表面粗糙、棱角較多，偏于“兩頭大中間小”的級(jí)配，細(xì)顆粒石粉含量相對(duì)較多，這些均會(huì)增大其需水性，使混凝土的流動(dòng)性能變差，表6參考標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)試方法》，對(duì)河砂、機(jī)制砂配制的砂漿流動(dòng)度與用水量進(jìn)行比較．

表5 砂的空隙率和石粉含量

表6 河砂與機(jī)制砂配制的砂漿流動(dòng)度與用水量比較

由表6可以看出，與河砂相比，相同用水量下機(jī)制砂配制的砂漿的流動(dòng)度較差,流動(dòng)度比在70%～80%左右；而要達(dá)到相同流動(dòng)度，機(jī)制砂配制的砂漿用水量要高出13%～22%，可以預(yù)見(jiàn)拌制混凝土?xí)r也會(huì)增加混凝土的用水量．建議生產(chǎn)時(shí)調(diào)控機(jī)制砂的級(jí)配及石粉含量，將砂漿的用水量比控制在120%以內(nèi)．

2.2 砂巖機(jī)制砂混凝土的性能

選取堆積空隙率與河砂相近的機(jī)制砂c配制混凝土，探討砂巖機(jī)制砂對(duì)混凝土性能及混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響．

2.2.1 混凝土的性能

按照表2配制的A，B和C三組混凝土的工作性能、力學(xué)性能、抗氯離子滲透性能的結(jié)果如圖2至圖4所示．

圖2 河砂與機(jī)制砂混凝土的工作性能Fig.2 Performance of river sand and machined sand concrete

從圖2可見(jiàn)，相同配合比時(shí)以機(jī)制砂替代河砂，混凝土A和B的坍落度差異不大，但擴(kuò)展度分別為480和360 mm，差異較大．這是由于坍落時(shí)重力作用較大，坍落速率較快，差異體現(xiàn)不出來(lái)，而坍落后繼續(xù)擴(kuò)展流動(dòng)，顆粒粒形對(duì)流動(dòng)阻力的影響就體現(xiàn)出來(lái)，機(jī)制砂混凝土的擴(kuò)展度更?。?jīng)過(guò)配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)并適量增加減水劑用量的混凝土C，可達(dá)到與河砂配制的混凝土相同的工作性能．

從圖3可以看出，相同配合比下以機(jī)制砂替代河砂時(shí)，機(jī)制砂混凝土B比河砂混凝土A的7和28天的抗壓強(qiáng)度均有較大程度地提高，表明機(jī)制砂由于表面粗糙棱角多，粘結(jié)能力強(qiáng)，提高混凝土的強(qiáng)度的作用明顯．以河砂及機(jī)制砂設(shè)計(jì)相同強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r，集灰比有所增大，水泥用量有所減少，可以節(jié)約成本．實(shí)測(cè)機(jī)制砂混凝土7天強(qiáng)度仍比河砂混凝土要高，這是因?yàn)榧冶仍龃?，集料增多，表面積增加，吸收了部分潤(rùn)濕水，降低了有效水灰比，使水泥漿體密實(shí)；同時(shí)水泥漿數(shù)量減少，混凝土內(nèi)的總孔隙體積減少所致．而28天機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度與河砂混凝土相當(dāng)．

圖3 河砂與機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of river sand and machined sand concrete

圖4 河砂與機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能(a)RCM法；(b)電通量法Fig. 4 Resistance to chloride ion penetration of river sand andmachined sand concrete(a) RCM method; (b) electric flux method

從圖4可見(jiàn)，無(wú)論是相同配合比下以機(jī)制砂替代河砂，還是經(jīng)配合比設(shè)計(jì)為相同強(qiáng)度等級(jí)的河砂混凝土與機(jī)制砂混凝土，機(jī)制砂混凝土的RCM法氯離子遷移系數(shù)和電通量都要小于河砂混凝土，即機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能更好．這是因?yàn)檫x取的機(jī)制砂C的堆積空隙率與河砂相同，相同配合比下，由于機(jī)制砂的粘結(jié)能力更強(qiáng)，石粉含量更多，有利于提高混凝土的密實(shí)度[6]．而相同設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)下，機(jī)制砂混凝土配合比的集灰比更大，如前文所述會(huì)使混凝土內(nèi)的總孔隙體積減少．

2.2.2 混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

通過(guò)掃描電鏡對(duì)A和B兩組混凝土進(jìn)行微觀形貌分析，如圖5所示．從圖5可以明顯看出，河砂混凝土中的砂粒與水泥漿的粘結(jié)力不夠強(qiáng)，在抽真空制樣過(guò)程中砂粒與水泥漿之間形成裂縫，而機(jī)制砂混凝土中的砂粒與水泥漿結(jié)合得非常緊密，這表現(xiàn)在宏觀性能中更高的強(qiáng)度與抗?jié)B性能[7]．

對(duì)A和B兩種混凝土進(jìn)行壓汞法測(cè)試其孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果如表7和圖6所示．

圖5 河砂和機(jī)制砂混凝土的掃描電鏡照片(a1)～(a2)河砂；(b1)～(b2)機(jī)制砂Fig.5 Scanning electron micrograph of river sand and machined sand concrete(a1)～(a2) river sand; (b1)～(b2) machine sand

試樣平均孔徑/nm孔隙率/%孔徑(>10000nm)占比/%孔徑(100～10000nm)占比/%孔徑(0～100nm)占比/%混凝土A20.418.53.219.577.3混凝土B17.714.63.6%15.4%81.0

圖6 河砂與機(jī)制砂混凝土的孔結(jié)構(gòu)(a)累計(jì)孔體積曲線；(b)孔徑分布曲線Fig.6 Pore structure of river sand and machined sand concrete(a) cumulative pore volume curve; (b) pore size distribution curve

由表7可以看出：相同配合比下，河砂混凝土的孔隙率為18.5%，機(jī)制砂混凝土的孔隙率為14.6%，孔隙率越低其結(jié)構(gòu)更加致密，宏觀上表現(xiàn)出更高的抗壓強(qiáng)度，與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相一致；機(jī)制砂混凝土的平均孔徑為17.7 nm，略低于河砂混凝土的20.4 nm．

混凝土中0～100 nm和100～10000 nm的孔隙是影響離子滲透的主要因素[8]．從圖6可見(jiàn)，機(jī)制砂混凝土中影響離子滲透的孔隙的絕對(duì)體積均小于河砂混凝土，且機(jī)制砂混凝土的平均孔徑也低于河砂混凝土，故其抗氯離子滲透性能更好．

2.3 砂巖機(jī)制砂混凝土在實(shí)際工程中的試用

上述研究表明，采用與河砂質(zhì)量相近的砂巖機(jī)制砂配制的強(qiáng)度等級(jí)為C35的混凝土，其各項(xiàng)性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求．在此基礎(chǔ)上，針對(duì)廣州地鐵實(shí)際工程，采用機(jī)制砂配制了不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，驗(yàn)證其配合比及混凝土性能，并在地鐵工程中進(jìn)行試用．表8為采用某混凝土攪拌站的實(shí)際原材料設(shè)計(jì)的機(jī)制砂混凝土配合比，表9為混凝土各項(xiàng)性能．

表8 實(shí)際工程用砂巖機(jī)制砂混凝土配合比

表9 實(shí)際工程用砂巖機(jī)制砂混凝土性能

由表9結(jié)果可知：采用機(jī)制砂配制出不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，其工作性能均在設(shè)計(jì)坍落度150～180 mm的范圍，滿足了現(xiàn)場(chǎng)施工的正常使用；混凝土的7d與28d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到混凝土配制強(qiáng)度要求；混凝土的電通量與RCM法氯離子遷移系數(shù)與圖4中河砂混凝土的結(jié)果相近．

3 結(jié) 論

(1)砂巖機(jī)制砂的顆粒特性為表面粗糙、棱角較多，偏于“兩頭大中間小”的級(jí)配，石粉含量相對(duì)較多，這些均會(huì)增大其需水性，使混凝土的流動(dòng)性能變差．建議生產(chǎn)時(shí)調(diào)控機(jī)制砂的級(jí)配及石粉含量，與河砂配制的砂漿相比將用水量比控制在120%以內(nèi)．

(2)采用與河砂堆積空隙率相同的砂巖機(jī)制砂配制C35強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，相同配合比下以機(jī)制砂取代河砂，混凝土的坍落擴(kuò)展度變小，但7 d和28 d抗壓強(qiáng)度明顯更高；經(jīng)配合比設(shè)計(jì)為相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，機(jī)制砂混凝土的集灰比有所增大，水泥用量有所減少，可節(jié)約成本，通過(guò)適當(dāng)增加減水劑摻量機(jī)制砂混凝土的工作性能與河砂混凝土相同，機(jī)制砂混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度更高，28 d抗壓強(qiáng)度與河砂混凝土相當(dāng)．

(3)機(jī)制砂混凝土中砂粒與水泥漿結(jié)合得非常緊密，同時(shí)混凝土中孔隙率下降，孔徑細(xì)化，平均孔徑減小，混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加致密，使得機(jī)制砂混凝土有更高的強(qiáng)度與抗氯離子滲性能．

(4)針對(duì)廣州地鐵實(shí)際工程，采用機(jī)制砂配制C20～C35不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，其各項(xiàng)性均能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求．