機(jī)制砂母巖特性對機(jī)制砂混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀

張元朔，章家海，項炳泉，王曉海，陳慧，詹奇淇，李娜娜

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督監(jiān)測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

由于天然砂資源日益匱乏，為推進(jìn)砂石產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，機(jī)制砂逐漸成為我國混凝土用砂的主要來源。為積極配合國家環(huán)境保護(hù)重大戰(zhàn)略發(fā)展要求，加快“綠色（水）青山”建設(shè)，安徽省近年來著力推動機(jī)制砂的生產(chǎn)與應(yīng)用，以充分保障建筑行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。

安徽省建筑石料用礦產(chǎn)資源豐富，加工機(jī)制砂的母巖種類繁多，主要的礦石自然類型分為火山巖、沉積巖和變質(zhì)巖三類。火山巖中作為制砂母巖，常用的巖石類型有花崗巖、玄武巖和閃長巖等；沉積巖常用的制砂母巖有石灰?guī)r和砂巖；變質(zhì)巖常用的制砂母巖有片麻巖和白云巖，且安徽省內(nèi)巖石類型的分布具有一定的地域?qū)傩浴Ｔ谏a(chǎn)機(jī)制砂時，制砂廠會優(yōu)先選取物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的巖石作為制砂母巖。然而，目前對機(jī)制砂的研究集中在母巖為石灰?guī)r的機(jī)制砂，由于各地制砂采用的母巖類型很多，對于母巖為片麻巖、花崗巖等常見巖性的機(jī)制砂對混凝土性能影響的研究較少，缺乏理論和實踐指導(dǎo)（圖1）。

2 母巖巖性對機(jī)制砂混凝土工作性的影響

機(jī)制砂的母巖巖性對混凝土工作性的影響主要體現(xiàn)在流動性、和易性和泌水率等方面。趙社民采用母巖巖性為石灰?guī)r、玄武巖、片麻巖的機(jī)制砂分別配制C20、C30、C50三種強(qiáng)度等級的混凝土進(jìn)行和易性對比試驗，他認(rèn)為混凝土和易性和泌水率的差異與母巖巖性的相關(guān)性很小，影響不顯著。宋少民等選取了安山巖、花崗巖、凝灰?guī)r、石灰?guī)r、石英巖、片麻巖六種母巖巖性的機(jī)制砂，研究顯示不同巖性的機(jī)制砂對膠砂和混凝土的和易性影響與機(jī)制砂表面織構(gòu)、石粉吸附性和化學(xué)組成的相關(guān)性較大。其中，顆粒表面織構(gòu)不平整、吸附性較大的花崗巖和片麻巖與外加劑的適應(yīng)性較差，對膠砂和混凝土的和易性影響較大。Donza等對比研究了天然砂與母巖巖性分別為花崗巖、石灰?guī)r和白云巖機(jī)制砂混凝土的和易性，他指出機(jī)制砂的特性主要取決于制砂母巖的化學(xué)和礦物成分、巖石類型、容重、硬度、強(qiáng)度、物理和化學(xué)穩(wěn)定性以及巖石內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)等。因此機(jī)制砂在建設(shè)工程的應(yīng)用，需要提前對不同巖性、粒形系數(shù)和細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂混凝土進(jìn)行試驗，以確定機(jī)制砂與外加劑的適應(yīng)性和最優(yōu)摻量（下圖）。

3 母巖巖性對機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響

研究結(jié)果顯示機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度一般優(yōu)于同齡期天然河砂混凝土的強(qiáng)度，這可能是由于機(jī)制砂表面粗糙、顆粒的多棱角性等特性，從而使得機(jī)制砂與水泥石之間的粘結(jié)力增大。然而對于不同巖性機(jī)制砂對混凝土力學(xué)性能的影響仍缺乏系統(tǒng)研究。

天然砂與機(jī)制砂

梁金科分別采用玄武巖機(jī)制砂，以 0%、20%、40%、60%、80%、100%的替代率替代天然河砂，以探究玄武巖機(jī)制砂對混凝土性能的影響。研究結(jié)果顯示，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C50，水膠比為0.39，砂率為39%時，7d、28d、56d純機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度分別是純天然砂混凝土強(qiáng)度的86%、89%、95%。因此，他指出玄武巖機(jī)制砂有利于混凝土后期強(qiáng)度的升高，且不同含量的玄武巖機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度整體上低于天然砂混凝土，隨著齡期增長純機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度與天然砂混凝土強(qiáng)度越來越接近。趙社民對比研究了石灰?guī)r、片麻巖、玄武巖三種母巖巖性機(jī)制砂對混凝土力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果顯示當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C20時，石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土各齡期強(qiáng)度均高于玄武巖和片麻巖機(jī)制砂混凝土；混凝土強(qiáng)度等級為C30時，片麻巖機(jī)制砂混凝土各齡期強(qiáng)度等級均高于石灰?guī)r和玄武巖機(jī)制砂混凝土；混凝土強(qiáng)度等級為C50時，玄武巖機(jī)制砂混凝土28d、60d強(qiáng)度均高于石灰?guī)r和片麻巖機(jī)制砂混凝土同齡期強(qiáng)度。然而試驗結(jié)果顯示，機(jī)制砂母巖巖性雖然對不同強(qiáng)度等級混凝土的影響略有差異，但差異并不顯著。

李強(qiáng)研究分析了不同摻量的花崗巖機(jī)制砂對混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：隨著花崗巖機(jī)制砂摻量的增加，混凝土力學(xué)性能均呈先增大后減小的趨勢，對于最大抗壓、抗折和劈拉強(qiáng)度而言，最佳機(jī)制砂摻量分別為10wt%、10wt%和15wt%，這主要是由于石粉的填充效應(yīng)以及機(jī)制砂與水泥漿體之間具有更大的粘結(jié)力。程成的研究結(jié)果表明，對于不同巖性機(jī)制砂配制的混凝土，石灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度最高，其次為凝灰?guī)r和片麻巖，安山巖、花崗巖和石英巖最小。

綜上所述，機(jī)制砂母巖巖性對不同強(qiáng)度等級混凝土的影響存在差異，但差異并不顯著。此外，在進(jìn)行試驗的過程中除應(yīng)對不同母巖巖性的機(jī)制砂，設(shè)置相近的細(xì)度模數(shù)、顆粒級配外，還應(yīng)考慮機(jī)制砂本身攜帶的石粉含量、受風(fēng)化程度以及顆粒形貌對混凝土性能的影響。

4 母巖巖性對機(jī)制砂混凝土耐久性的影響

趙社民分別選取石灰?guī)r、片麻巖、玄武巖三種巖性的機(jī)制砂配制C20、C30、C50三個強(qiáng)度等級的混凝土，并進(jìn)行混凝土的抗凍性試驗。他指出硬化混凝土的抗凍性主要受混凝土內(nèi)部孔隙大小的制約，其中對混凝土抗凍性影響最顯著的是孔徑大于100nm的毛細(xì)孔。由不同母巖巖性機(jī)制砂配制的C20、C30、C50混凝土，其抗凍等級分別為F100、F150和F300。且對于同一強(qiáng)度等級、不同巖性的機(jī)制砂混凝土在經(jīng)過相同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗后，混凝土的相對動彈性模量差值在8%以內(nèi)。因此，趙社民認(rèn)為機(jī)制砂母巖巖性的變化對不同強(qiáng)度等級混凝土的抗凍性沒有顯著的影響。梁金科通過對玄武巖機(jī)制砂和天然砂以不同的比例復(fù)摻到混凝土中，分別測試不同齡期混凝土的收縮應(yīng)變性能。研究結(jié)果顯示純玄武巖機(jī)制砂混凝土的收縮應(yīng)變高于純天然砂混凝土，但當(dāng)玄武巖機(jī)制砂含量小于40%時，有利于降低混凝土的收縮應(yīng)變。

綜上所述，由物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的母巖制得的機(jī)制砂，其母巖巖性對混凝土的耐久性的影響并不顯著。除此之外機(jī)制砂混凝土的耐久性還受機(jī)制砂性能（如堆積密度、顆粒形貌、孔隙率）和石粉含量的影響。前人針對機(jī)制砂中石粉含量、級配對機(jī)制砂混凝土性能的影響進(jìn)行了大量的研究，而對于機(jī)制砂顆粒形貌對混凝土工作性、力學(xué)性能和耐久性的影響仍然較為薄弱。針對機(jī)制砂顆粒形貌對混凝土流動阻力、表觀黏度等性能的影響將會是未來研究的熱點問題。

5 不同巖性的石粉對機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響

石粉作為機(jī)制砂生產(chǎn)的副產(chǎn)品，其對水泥基材料的影響主要包括四種效應(yīng)：晶核效應(yīng)、稀釋效應(yīng)、充填效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)。一般在混凝土中，石粉主要是以惰性填充物的形式存在，對粗細(xì)集料起到充填效應(yīng)、對水泥具有稀釋效應(yīng)。然而某些巖性的石粉由于含有活性的SiO、AlO等活性組分，在水泥漿強(qiáng)堿性的環(huán)境下，會發(fā)生一系列反應(yīng)，進(jìn)而對混凝土的性能進(jìn)一步產(chǎn)生影響。

湯晴對比了石灰?guī)r和凝灰?guī)r機(jī)制砂石粉對混凝土的力學(xué)性能影響，研究結(jié)果顯示，對于C30和C60混凝土，抗壓強(qiáng)度的最佳石粉摻量分別為10%～15%、7%～10%；當(dāng)強(qiáng)度等級達(dá)到C80時，隨石粉含量的增加機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢。姚楚康指出不同巖性的石粉具有不同的礦物成分和結(jié)構(gòu)，從而對機(jī)制砂混凝土的性能產(chǎn)生不同的影響。他通過不同巖性石粉取代機(jī)制砂，探究石粉巖性對砂漿力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示摻不同巖性石粉的砂漿3d抗壓強(qiáng)度從高到低依次為：石灰?guī)r＞輝綠巖＞白云巖＞卵石＞砂巖＞花崗巖，28d抗壓強(qiáng)度與3d抗壓強(qiáng)度的規(guī)律基本一致。同時，他還指出不同巖性的石粉對砂漿的工作性、強(qiáng)度、耐久性和體積穩(wěn)定性均有較大的影響，而石粉巖性對C30、C60混凝土抗壓強(qiáng)度性能的影響較小。楊海成研究了砂巖石粉對水泥砂漿的力學(xué)性能影響發(fā)現(xiàn)，砂巖的石粉摻量在5%～11%時，隨著石粉含量的增加砂漿的7d和28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有所增大，說明砂巖石粉可促進(jìn)水泥基材料的早期水化過程。宋少民等采用了替代率為 0%，20%，40%，60%，80%，100%的變量研究了片麻巖機(jī)制砂石粉對砂漿性能的影響，得出結(jié)論砂漿的抗壓強(qiáng)度隨石粉摻量的增加呈先增大后減小的趨勢，拐點出現(xiàn)在60%～80%之間。

一般情況下，石粉的適宜摻量與混凝土（或砂漿）中的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于高水膠比混凝土，孔隙率較高，石粉可以優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)、充填孔隙，起到促進(jìn)水泥水化、優(yōu)化膠凝材料與集料反應(yīng)界面的積極作用；對于低水膠比混凝土，其孔隙率較低，石粉對膠凝材料體系稀釋效應(yīng)的影響更為顯著，對混凝土（或砂漿）的性能起到負(fù)面的效應(yīng)。因此石粉對混凝土（或砂漿）孔結(jié)構(gòu)的影響，是石粉影響混凝土（或砂漿）性能的關(guān)鍵因素。此外不同巖性的石粉對混凝土和砂漿性能的影響還體現(xiàn)在不同巖性石粉的礦物成分和結(jié)構(gòu)的影響上，還需要進(jìn)一步深化研究。

6 結(jié)論

綜上所述，機(jī)制砂對混凝土性能的影響受到巖性、石粉含量、混凝土強(qiáng)度等級、砂顆粒特性和砂MB值等因素的影響，不同巖性機(jī)制砂對混凝土性能的影響幅度不同但差異不大。

機(jī)制砂石粉的摻量和巖性均會對混凝土的性能產(chǎn)生影響，不同摻量和不同活性的石粉會改變混凝土的和易性，從而改變密實度，最終影響混凝土的力學(xué)性能。機(jī)制砂中的石粉含量對不同強(qiáng)度等級的混凝土影響不一致，機(jī)制砂中石粉含量的限值應(yīng)根據(jù)混凝土的強(qiáng)度等級來確定。不同巖性石粉活性順序為石灰?guī)r>大理巖>玄武巖>花崗巖>片麻巖>石英巖。