機(jī)制砂中云母含量對水泥基材料性能影響的試驗(yàn)研究

劉煥強(qiáng)，楊雪青，陳淵召

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.華北水利水電大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

砂石材料是水泥混凝土的主要組成材料，其質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量的優(yōu)劣[1-2]。隨著天然砂石資源的匱乏，機(jī)制砂石代替天然砂石成為水泥混凝土骨料的組成部分。由于巖石母體組成成分的不同，所制得的機(jī)制砂石性能存在很大的差別。云母是主要造巖礦物之一，云母一般呈薄片狀，表面光滑，強(qiáng)度低，易使巖石沿節(jié)理錯(cuò)裂[3]。對于高云母含量的機(jī)制砂，因云母表面光滑的片狀特征使得水泥漿與其黏結(jié)力降低，使混凝土及砂漿的性能受損。HOON R C和SHARMA K R[4]在1961年第七屆國際大壩會議上提交的報(bào)告中指出，天然砂中的云母含量及顆粒大小會對水泥基材料的工作性能、密實(shí)度、強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生影響。DEWAR J D[5]的研究指出,砂子中云母含量的增加導(dǎo)致混凝土的單位用水量增加、強(qiáng)度下降。JAMES W[6]的研究也同樣表明，砂中云母對混凝土性能有不利影響。WAKIZAKA Y等[7]開展了砂中云母含量對混凝土影響機(jī)理的研究。1990年，中國水利水電科學(xué)研究院對天然砂中云母含量對混凝土的單位用水量、水泥用量、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗?jié)B等級、抗凍等級等性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果認(rèn)為，天然砂中云母含量增加會引起混凝土單位用水量增加，對混凝土拌合物性能和混凝土強(qiáng)度、耐久性均有不利影響[3]。李家正等[8]和伏文勇[9]對三峽工程施工過程中古樹嶺石屑砂中云母含量對混凝土性能的影響開展了詳細(xì)的研究，結(jié)果均表明，云母會對混凝土的耐久性產(chǎn)生不利影響，其原因是云母的亂向水平分布，使混凝土中的氣泡難以排出，使其密實(shí)度下降所致。鐘貽輝[10]通過人工砂與天然砂混合復(fù)摻的方法控制云母含量對混凝土的抗凍性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)混合砂中云母含量控制在3.5%以內(nèi)時(shí)，云母對混凝土的抗凍性影響不大；云母本身的薄片狀結(jié)構(gòu)及其表面光滑的特點(diǎn)是混凝土抗凍性下降的主要原因。李新宇等[11]、邢界泉[12]對高云母含量石粉對砂漿與混凝土性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，高云母含量人工石粉中的游離云母含量在0%～9%范圍內(nèi)時(shí)，對應(yīng)摻量混凝土的28 d和60 d強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土的相比分別下降約10%，50次凍融循環(huán)后該混凝土強(qiáng)度下降2.2%。毛永琳等[13]使用云母粉摻量來試驗(yàn)研究云母粉摻量變化對砂漿流變性的影響，結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)制砂中云母粉含量大于2.5%時(shí)，水泥砂漿的流動性顯著下降，與含云母粉不摻減水劑的砂漿相比，含云母粉摻入減水劑的砂漿流動度損失略有增加，二者達(dá)到相近流動度時(shí)減水劑摻量顯著增加，水泥砂漿黏度增加、觸變性提高。聚羧酸減水劑在云母顆粒表面吸附較少，這不是造成含云母粉水泥砂漿施工性能劣化的主要原因，反而對其施工性能有利。云母粉顆粒形貌以扁平狀為主，該形貌是造成含云母粉水泥砂漿流動性差、黏度大、觸變性大的主要原因。

早期文獻(xiàn)多對天然砂中云母含量進(jìn)行試驗(yàn)研究，而目前多使用機(jī)制砂，機(jī)制砂與天然砂在形態(tài)、級配等方面存在較大的區(qū)別，且大型工程多采用自身開挖料破碎成砂、石骨料用于混凝土工程，開挖料中云母廣泛存在，機(jī)制砂中游離云母含量超標(biāo)，不少工程單位為綜合利用廢料并響應(yīng)國家環(huán)保要求，要花費(fèi)大量資金來研究如何降低機(jī)制砂中的云母含量，將高云母含量機(jī)制砂中的云母含量降至《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352)等現(xiàn)行規(guī)范允許范圍內(nèi)而達(dá)到能被利用的目的。國家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》(GB/T 14684)和行業(yè)規(guī)范《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352)等對混凝土用砂中的云母含量限制值為按質(zhì)量計(jì)含量不大于2%，工程等級高的工程，混凝土砂中云母含量控制在1%以內(nèi)。實(shí)際上，很多工程開挖料中游離云母含量達(dá)到10%以上，這將導(dǎo)致降低開挖料中云母含量的費(fèi)用大幅增加，如何將機(jī)制砂中云母含量控制在合理范圍內(nèi)，從而使由工程開挖料所得的高云母含量機(jī)制砂在工程中實(shí)現(xiàn)質(zhì)量與效益雙平衡。為此，開展云母含量對水泥基材料性能影響研究意義重大。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1)水泥。水泥為安徽樅陽海螺水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 水泥主要技術(shù)性能指標(biāo)

2)砂子。砂子為市場采購機(jī)制砂，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2.65 g/cm3，云母含量為0%。

3)粗骨料。粗骨料為市場采購的級配碎石，粒徑為5～20 mm，表觀密度為2.73 g/cm3，堆積密度為1.49 g/cm3，空隙率為45.4%，壓碎值為6.6%。

4)水。拌合水為潔凈的市政自來水。

5)云母。市售白云母，其表觀密度為2.61 g/cm3，薄片狀，其顆粒粒徑分布范圍見表2。

表2 云母篩分試驗(yàn)結(jié)果

6)粉煤灰。安徽某公司產(chǎn)Ⅱ級粉煤灰，其主要技術(shù)性能指標(biāo)見表3。

表3 粉煤灰主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水泥膠砂試驗(yàn)

云母含量以質(zhì)量百分比計(jì)，分別摻入0%、2%、4%、6%、8%、10%；水泥500 g，砂1 500 g，初始用水量控制為250 g，即水膠比為0.5。試驗(yàn)過程依照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB 17671—1999)攪拌并成型40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)膠砂試件，并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)測試其3 d和28 d抗壓、抗折強(qiáng)度。攪拌好的砂漿按照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)測試膠砂流動度值，以評價(jià)云母含量對砂漿流動性的影響。通過3～5倍的放大鏡觀察試件斷裂面的云母分布狀況。

1.2.2 混凝土試驗(yàn)

控制混凝土坍落度值為50～70 mm，成型100 mm×100 mm×100 mm立方體試件若干組用于測試混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，成型150 mm×150 mm×300 mm試件用于測試混凝土的彈性模量；成型100 mm×100 mm×400 mm試件用于測試混凝土的抗凍性；成型頂面直徑為175 mm、底面直徑為185 mm、高度為150 mm的圓臺體試件用于測試混凝土的抗?jié)B性。試驗(yàn)水灰比為0.42，砂率為42%，具體材料用量見表4。所有試件成型完成后按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2020)要求的養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和測試。

表4 混凝土試驗(yàn)配合比

2 結(jié)果及分析

2.1 水泥膠砂試驗(yàn)結(jié)果

不同云母含量的水泥膠砂試驗(yàn)強(qiáng)度及流動度試驗(yàn)結(jié)果見表5，不同粒徑的云母在摻量為4%時(shí)水泥膠砂強(qiáng)度及流動度試驗(yàn)結(jié)果見表6。水泥膠砂強(qiáng)度隨云母摻量的變化結(jié)果如圖1所示。

表5 不同云母含量水泥膠砂強(qiáng)度及流動度試驗(yàn)結(jié)果

表6 不同粒徑的云母在摻量4%時(shí)水泥膠砂強(qiáng)度及流動度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 水泥膠砂強(qiáng)度隨云母含量變化柱狀圖

由表5和圖1可知：隨著云母含量的增加，水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均呈下降趨勢，這與已有的研究結(jié)果[9-10]是一致的；將4%和6%兩種云母含量下的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比，云母含量為6%時(shí)的水泥膠砂強(qiáng)度高于云母含量為4%的，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是云母含量的增加導(dǎo)致水泥膠砂成型困難，而云母含量為6%的水泥膠砂附加用水量比云母含量為4%的多25 g，膠砂流動度增加了36 mm，云母含量為4%的膠砂流動度過小，水泥膠砂試件成型時(shí)的密實(shí)度難以保證，云母含量為6%的水泥膠砂流動度較好，保證了成型的密實(shí)度。因水的增多引起的強(qiáng)度下降可由水泥膠砂試件成型時(shí)的密實(shí)度增大來彌補(bǔ)，引起水泥膠砂試件強(qiáng)度出現(xiàn)反增的現(xiàn)象，這也在一定程度上說明，云母含量增加導(dǎo)致水泥基材料工作性能下降是引起水泥基材料強(qiáng)度下降的主要原因之一。當(dāng)云母含量超過6%，水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度快速下降，與不含云母的試驗(yàn)結(jié)果相比，下降率達(dá)53.3%。圖2給出了砂漿斷面典型云母分布情況。從圖2中云母分布可知，云母含量越大，單位截面中的云母含量點(diǎn)數(shù)就越多，當(dāng)云母含量超過6%之后，將對水泥膠砂的工作性能產(chǎn)生較大的不利影響。

圖2 砂漿斷面典型云母分布圖(3～5倍放大鏡下用紅色記號筆標(biāo)記結(jié)果)

由表6可知，在云母摻量為4%時(shí)，隨著云母粒徑的增大，水泥膠砂強(qiáng)度、膠砂流動度降低。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因與云母的顆粒形態(tài)有關(guān)。隨著云母顆粒粒徑的增大，云母薄片狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致水泥砂漿的流動性降低，膠砂試件成型困難；同時(shí)，在單位截面上也更容易形成薄弱帶，使水泥膠砂黏結(jié)強(qiáng)度減小，云母摻量越高，對砂漿的黏結(jié)區(qū)的影響越大，水泥砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度下降越多。

2.2 混凝土試驗(yàn)結(jié)果

砂漿與混凝土相比，混凝土中存在粗骨料，云母含量以機(jī)制砂中的云母摻量計(jì)時(shí)，在砂漿中單位體積中的云母摻量比混凝土單位體積中的高?；炷猎诠こ讨械淖饔煤苤匾芯吭颇笓搅孔兓瘜炷列阅苡绊懹袑?shí)際意義。結(jié)合上文中水泥膠砂試驗(yàn)結(jié)果，混凝土試驗(yàn)中選擇云母摻量分別為0%、2%、4%、6%的4種情況進(jìn)行研究，其試驗(yàn)結(jié)果見表7?；炷量箟簭?qiáng)度隨云母含量變化關(guān)系柱狀圖如圖3所示，混凝土抗壓強(qiáng)度與云母含量線性擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 云母含量與混凝土抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系圖

表7 云母含量對混凝土性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

由圖3—4可知：隨著云母摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降，且云母含量與混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度之間大致呈線性關(guān)系，其7 d抗壓強(qiáng)度的擬合方程為P=23.08-116a，相關(guān)性系數(shù)為0.89，28 d的擬合方程為P=44.24-216a，相關(guān)性系數(shù)為0.97。其中，P為抗壓強(qiáng)度值(MPa)，a為云母在細(xì)骨料中的質(zhì)量百分比。這種關(guān)系是建立在本試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)配合比的基礎(chǔ)之上的，其他類似配比混凝土是否也有類似關(guān)系，還需要試驗(yàn)驗(yàn)證。

由圖3可知：當(dāng)云母含量從0%增加到2%時(shí)，其7 d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度下降了14.3%，28 d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度下降了10.5%；當(dāng)云母含量繼續(xù)增加到4%時(shí),7 d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度下降了27.4%，28 d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度下降了22.9%；當(dāng)云母含量超過4%時(shí)，這種強(qiáng)度損失率使混凝土的力學(xué)性能無法滿足工程需求。

圖3 混凝土抗壓強(qiáng)度隨云母含量變化的柱狀圖

由表7中混凝土含氣量試驗(yàn)結(jié)果可知，在云母含量為0%時(shí)，實(shí)測混凝土含氣量為1.0%，而其他配比下的混凝土含氣量最小為4.5%，最高為5.5%。在水膠比不變的條件下，通常每增加1.0%的含氣量，混凝土的強(qiáng)度約下降3%～5%[14]。因此，若將混凝土因引氣產(chǎn)生的強(qiáng)度下降排除之后，按每增加1.0%的含氣量，混凝土抗壓強(qiáng)度下降3%計(jì)算，則在云母含量為2%時(shí)，因云母含量增加引起的28 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度降低的現(xiàn)象幾乎不存在，云母含量為4%時(shí)的28 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度約降低9.4%。這種影響與膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相比，云母含量相同時(shí)的同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度下降幅度小。說明在相同的細(xì)骨料云母含量之下，混凝土單位體積中云母含量少?？鄢龤鈩┮鸬膹?qiáng)度降低值，云母含量為6%時(shí)混凝土的強(qiáng)度下降率在18.8%以內(nèi)。

混凝土彈性模量、抗?jié)B性、抗凍性試驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可知，隨云母含量的增加，混凝土的彈性模量、抗?jié)B性、抗凍性下降。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因與混凝土抗壓強(qiáng)度下降有關(guān)?；炷翉?qiáng)度的下降是靜力彈性模量、抗?jié)B性和抗凍性下降的內(nèi)在原因，也是云母含量增加后混凝土中的微缺陷增加的具體體現(xiàn)。由混凝土彈性模量、抗?jié)B性和抗凍性結(jié)果(表7)可知：云母含量為6%時(shí)的混凝土與云母含量為0%的相比，彈性模量降低了7.3%，抗凍性滿足F50要求；在抗?jié)B性試驗(yàn)中水壓增加至0.6 MPa時(shí)，6個(gè)試件均未出現(xiàn)頂面滲透現(xiàn)象，在低抗?jié)B性要求下，6%云母含量的混凝土的抗?jié)B性可滿足工程要求。

前述各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明，《水工混凝土施工規(guī)范》(SL 677—2014)對細(xì)骨料中的云母含量限制值在2%以內(nèi)，在正常的使用條件下，對于工程中所要求的混凝土強(qiáng)度及耐久性等性能是可以得到保證的。但是，該規(guī)定是建立在砂石原材料資源非常豐富的年代，隨著砂石資源枯竭，從自然環(huán)境保護(hù)與開發(fā)利用的角度看，很多大型工程的開挖料中云母含量高于《水工混凝土施工規(guī)范》(SL 677—2014)規(guī)定的2%上限值要求。若使用云母含量超過2%的開挖料，需要對開挖料增加除云母過程，這需要付出高昂的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。若將細(xì)骨料中云母的含量提高到2%以上的某個(gè)值，如細(xì)骨料云母含量為2%～6%時(shí)，在C30以下混凝土中使用可滿足工程技術(shù)要求。目前水利工程中，混凝土強(qiáng)度等級一般在C30及其以下，2%～6%云母含量的骨料可以滿足大多數(shù)工程建設(shè)的需求。這個(gè)限值范圍更容易實(shí)現(xiàn)對開挖料的充分利用，但提高云母含量限制值將對混凝土的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。對于科技發(fā)展的今天，若從環(huán)境保護(hù)和資源綜合利用的角度，將云母含量限值提高至某一合理值(2%～6%)，使得綜合效益最大化值得思考。當(dāng)然，細(xì)骨料云母含量限值的提高，需要提供可靠的技術(shù)保證措施，確保工程質(zhì)量安全的前提下，使得綜合經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

3 結(jié)論

在機(jī)制砂中摻入一定量的云母，試驗(yàn)研究了云母含量對水泥基材料性能的影響，得出以下結(jié)論：

1)隨云母含量的增加，水泥砂漿的膠砂流動度、混凝土坍落度降低，這對工程及施工不利。因施工性能下降對水泥基材料的強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生不利影響，這是導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能、耐久性能等下降的原因之一。

2)機(jī)制砂中云母含量與混凝土強(qiáng)度之間呈線性關(guān)系，只要獲得云母的含量，可以通過回歸方程求得相應(yīng)齡期混凝土的強(qiáng)度，即可定量分析云母含量對混凝土強(qiáng)度的影響，分析結(jié)果可指導(dǎo)高云母含量機(jī)制砂的應(yīng)用。

3)規(guī)范規(guī)定細(xì)骨料中云母含量上限值為2%，隨著資源枯竭，2%這個(gè)限值已制約了工程建設(shè)和機(jī)制砂的廣泛應(yīng)用。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂中云母含量上限值為2%～6%，通過技術(shù)手段，可保證C30以下強(qiáng)度等級混凝土的正常使用。