花崗巖機(jī)制砂石粉MB值對(duì)混凝土性能的影響

郭猛，楊杰，黃鵬宇，高超，夏京亮

（1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045；4.國家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

0 引言

隨著我國建設(shè)行業(yè)的飛速發(fā)展，可供開采的天然砂資源日益緊缺，加上環(huán)保政策對(duì)砂石開采的限制，很多地方出現(xiàn)了建設(shè)用砂供不應(yīng)求的現(xiàn)象，用機(jī)制砂逐步替代天然砂已是大勢(shì)所趨[1]。生產(chǎn)機(jī)制砂過程中，會(huì)產(chǎn)生10%～20%粒徑小于75 μm 的微粉[2]，巖石破碎過程中不可避免的會(huì)帶有一些存在于巖石夾層或者巖石空隙等地方的泥土雜質(zhì)，所以產(chǎn)生的微粉中除了和母巖化學(xué)成分相同的巖石粉，還有一部分則是以黏土礦物為主要成分的泥粉[3]。石粉與泥粉的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)存在較大差異，在混凝土中的作用也有所不同[4]。粒徑較小的石粉和泥粉都具有填充效應(yīng)，可以填充空隙，而泥粉具有很強(qiáng)的吸附效應(yīng)，主要成分以黏土礦物為主。黏土礦物是含水層狀鋁硅酸鹽類礦物的總稱，它是八面體鋁酸鹽層（AlO6）夾在2層四面體硅酸鹽層（SiO4）間組成的二維層狀結(jié)構(gòu)[5-6]，這種層狀結(jié)構(gòu)使得黏土內(nèi)部存在大量空隙，黏土比表面積增大，同時(shí)Al3+離子能與水作用形成膠體顆粒[7]，所以黏土能吸附較多的水分子；黏土中高價(jià)陽離子（如Al3+、Si4+）被低價(jià)陽離子（Ca2+、Mg2+等）取代而帶負(fù)電，對(duì)陽離子有較強(qiáng)的吸附能力，所以相較于石粉，泥粉對(duì)水分子和減水劑分子的吸附性強(qiáng)，已有的研究表明，若微粉中的泥粉含量過高，會(huì)對(duì)混凝土拌合物的工作性、混凝土強(qiáng)度及其耐久性造成不利影響[8-9]，所以在機(jī)制砂生產(chǎn)過程中，應(yīng)注意控制微粉中泥粉的含量。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，如GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》和JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》，把機(jī)制砂生產(chǎn)過程中粒徑小于75 μm 的顆粒定義為石粉，同時(shí)用亞甲藍(lán)值（MB）作為判斷石粉吸附性的指標(biāo)。亞甲藍(lán)分子在溶液中帶有正電荷[10-11]，具有陽離子吸附性的泥粉對(duì)亞甲藍(lán)的敏感度很高，所以亞甲藍(lán)值作為吸附性能指標(biāo)可以在一定程度上反映石粉中泥粉的含量。生產(chǎn)花崗巖機(jī)制砂過程中會(huì)產(chǎn)生大量的花崗巖石粉，機(jī)制砂中的石粉含量和石粉中的泥粉含量都會(huì)影響混凝土的性能。目前，國內(nèi)外在花崗巖機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土性能的影響方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)[11-12]，但缺乏關(guān)于石粉吸附性對(duì)混凝土性能影響的研究。

為研究花崗巖機(jī)制砂石粉MB 值對(duì)混凝土性能的影響，本試驗(yàn)固定機(jī)制砂石粉含量為10%，通過調(diào)整純石粉和黏土石粉比例改變MB 值，從而研究石粉MB 值對(duì)石粉流動(dòng)度以及對(duì)C30、C50 混凝土工作性、抗壓強(qiáng)度、電通量和抗碳化性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：金隅冀東產(chǎn)P·O42.5 水泥，初、終凝時(shí)間分別為130、175 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27%，3、28 d 抗壓強(qiáng)度分別為26.5、51.6 MPa。

機(jī)制砂：水洗花崗巖機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.8，Ⅱ區(qū)中砂，壓碎值15.4%，飽和面干吸水率1.2%，MB 值為0.6 g/kg。

石粉：純石粉為水洗機(jī)制砂經(jīng)實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)磨細(xì)后篩除大于75 μm 的細(xì)顆粒得到，其MB 值為1.9 g/kg；黏土石粉為生產(chǎn)機(jī)制砂的礦山山皮土經(jīng)試驗(yàn)室球磨機(jī)磨細(xì)后篩除大于75 μm 的細(xì)顆粒得到。將純石粉和黏土石粉混合摻加到機(jī)制砂中，使機(jī)制砂的石粉含量為10%，通過調(diào)整純石粉和黏土石粉的質(zhì)量比分別為1∶0、9∶1、8.4∶1.6、7.6∶2.4、7∶3，使得石粉的MB 值分別為2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 g/kg。

石：5～25 mm 連續(xù)級(jí)配碎石，壓碎值13.7%。

粉煤灰：Ⅱ級(jí)，細(xì)度（45 μm 篩篩余）17.6%，需水量比99%。

聚羧酸系高性能減水劑：固含量20.6%，減水率25%。

1.2 混凝土配合比

參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，分別配制C30、C50 混凝土，具體配合比見表1。

表1 試驗(yàn)混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

石粉MB 值和流動(dòng)度比：按照J(rèn)G/T 568—2019 進(jìn)行測(cè)試；混凝拌合物土坍落度、擴(kuò)展度：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；混凝土抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；混凝土抗氯離子滲透性能、碳化性能：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 石粉MB 值對(duì)石粉流動(dòng)度比的影響（見圖1）

圖1 花崗巖機(jī)制砂石粉MB 值對(duì)石粉流動(dòng)度比的影響

石粉流動(dòng)度比是用來衡量微粉對(duì)水和減水劑吸附性的一項(xiàng)指標(biāo)。由圖1 可見，隨著石粉MB 值的增大，石粉流動(dòng)度比逐漸減小，石粉MB 值越大，流動(dòng)度比越小，相比于石粉MB值為2 g/kg 時(shí)，MB 值為4、6、8、10 g/kg 的石粉流動(dòng)度比分別減小了6.96%、14.78%、20.87%、27.83%。石粉MB 值與石粉流動(dòng)度比呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)石粉MB 值小于4 g/kg 時(shí)，石粉流動(dòng)度比大于100%，石粉中黏土含量較少時(shí)，對(duì)水和減水劑分子吸附不明顯，石粉填充微小空隙，起潤滑骨料的作用；當(dāng)石粉MB值大于4 g/kg 時(shí)，石粉流動(dòng)度比小于100%，黏土的吸附作用起主導(dǎo)作用。隨著石粉MB 值的增大，石粉中黏土的含量增多，對(duì)減水劑分子和水分子的吸附性增強(qiáng)，因此，會(huì)使砂漿的流動(dòng)度也越來越小。

2.2 石粉MB 值對(duì)混凝土工作性的影響

通過對(duì)比達(dá)到相近坍落度下減水劑用量、擴(kuò)展度和坍落度及其經(jīng)時(shí)損失來評(píng)價(jià)花崗巖機(jī)制砂石粉MB 值對(duì)混凝土工作性的影響。不同石粉MB 值下C30、C50 混凝土在坍落度為（230±10）mm 時(shí)減水劑用量的變化如圖2 所示。

圖2 石粉MB 值對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土減水劑用量的影響

由圖2 可見，對(duì)于C30、C50 混凝土，減水劑用量均隨著石粉MB 值的增大（黏土含量增多）而增加。石粉MB 值從2 g/kg 增大到10 g/kg 時(shí)，C30、C50 混凝土的減水劑用量分別增加了38.16%、35.71%，在相同石粉MB 值增加幅度下，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土對(duì)減水劑需求量的增加幅度相近。

石粉MB 值對(duì)混凝土拌合物坍落度和擴(kuò)展度的影響如圖3 所示。

由圖3 可見，隨著石粉MB 值的增大，拌合物的坍落度和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失都呈不斷增大的趨勢(shì)，石粉中黏土含量的增多會(huì)加快拌合物坍落度和擴(kuò)展度的損失，降低拌合物的工作性。黏土有較強(qiáng)的吸附性和吸水性，一方面，黏土吸水膨脹，既降低漿體中自由水的含量，又因體積膨脹增大了固相的體積，另一方面，黏土在拌合過程中會(huì)吸附減水劑分子，減水劑的實(shí)際減水效果被降低，保坍作用被削弱[5，13]，所以黏土含量增加（石粉MB 值增大）會(huì)使混凝土拌合物減水劑用量增加，坍落度和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失增大。

圖3 石粉MB 值對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土拌合物坍落度和擴(kuò)展度的影響

2.3 石粉MB 值對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響（見圖4）

圖4 石粉MB 值對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4 可見，對(duì)于C30 和C50 混凝土，當(dāng)石粉MB 值大于2 g/kg 時(shí)，隨著石粉MB 值的增大，混凝土3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度都呈不斷降低的趨勢(shì)。隨著石粉中黏土含量的增多，黏土吸附大量水分和減水劑分子，影響了水泥的水化進(jìn)程[14]，其黏附在漿體與骨料之間，削弱了界面粘結(jié)力，影響界面過渡區(qū)強(qiáng)度，同時(shí)黏土由于層狀結(jié)構(gòu)所具有的濕脹干縮性質(zhì)也會(huì)增大混凝土內(nèi)部的空隙率[15]，所以，隨著石粉MB 值的增大，黏土含量增多，C30、C50 混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

相比于石粉MB 值為2 g/kg 時(shí)，石粉MB 值為10 g/kg 時(shí)C30 混凝土的3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度分別降低了4.18%、12.53%、9.73%，C50 混凝土的3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度分別降低了10.24%、9.03%、9.19%。石粉MB 值對(duì)C30 混凝土3 d 抗壓強(qiáng)度的影響較小，對(duì)7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度影響較大；石粉MB 值對(duì)C50 早期抗壓強(qiáng)度影響也十分明顯。這是因?yàn)橄啾扔贑50 混凝土，水膠比較大的C30 混凝土早期內(nèi)部自由水含量較多，可以提供較為充足的水分參與水泥水化進(jìn)程，所以C30 混凝土3 d 抗壓強(qiáng)度變化較小，總體來說，石粉MB 值的增大對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有負(fù)面影響。

2.4 石粉MB 值對(duì)混凝土耐久性能的影響

2.4.1 對(duì)電通量的影響（見圖5）

圖5 石粉MB值對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土電通量的影響

由圖5 可知，當(dāng)石粉MB 值>2 g/kg 時(shí)，隨著石粉MB 值的增大，C30 和C50 混凝土的28、56 d 電通量均不斷增大，抗氯離子性能降低，混凝土內(nèi)部的密實(shí)度和致密性下降。黏土雖然有較強(qiáng)的吸附能力，但本身不具有參與水化反應(yīng)的能力，吸附大量水分子膨脹后，阻礙了早期水泥水化的結(jié)晶成核過程，弱化了界面過渡區(qū)的粘結(jié)作用，使混凝土內(nèi)部密實(shí)度下降；同時(shí)由于黏土的濕脹干縮特性，不參與反應(yīng)的黏土后期失水縮小后，會(huì)在原有的位置形成孔隙，增大了混凝土內(nèi)部的孔隙率[16]，從而導(dǎo)致抗?jié)B性降低。

由圖5（a）可知，對(duì)于C30 混凝土，不同石粉MB 值下56 d時(shí)的電通量都小于28 d 時(shí)的電通量，這主要是水泥和礦物摻合料持續(xù)水化增大了混凝土的密實(shí)度。隨著石粉MB 值的增大，28、56 d 電通量均不斷增大，當(dāng)石粉MB 值為10 g/kg 時(shí)達(dá)到最大，分別為2492、2018 C。相較于石粉MB 值為2 g/kg 時(shí)，石粉MB 值為10 g/kg 的混凝土28、56 d 電通量分別增大了9.15%、15.00%，石粉MB 值對(duì)C30 混凝土56 d 電通量影響程度更大。由圖5（b）可知，相同齡期下，C50 混凝土電通量的變化趨勢(shì)與C30 混凝土類似，石粉MB 值為10 g/kg 時(shí)，混凝土的28、56 d 電通量分別為2087、1723 C，比石粉MB 值2 g/kg時(shí)分別增大了14.00%、26.41%，C50 混凝土28 d 和56 d 電通量的增幅都高于C30 混凝土。可以發(fā)現(xiàn)，石粉MB 值對(duì)強(qiáng)度更高、結(jié)構(gòu)更致密的混凝土抗?jié)B性和內(nèi)部密實(shí)度影響程度更大，所以在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r需要格外注意控制石粉的MB 值。

2.4.2 對(duì)抗碳化性能的影響（見圖6）

圖6 石粉MB值對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土抗碳化性能的影響

由圖6 可見，混凝土碳化速率隨著齡期的延長而逐漸變慢，對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，3、7、14、28 d 時(shí)的碳化深度都隨著石粉MB 值的增加而增大。由于黏土含量的增加，造成了混凝土內(nèi)部孔隙率增大，密實(shí)度降低，有利于CO2的擴(kuò)散，使碳化深度增加[17]。相比于MB 值為2 g/kg，MB 值為10 g/kg時(shí)C30 混凝土的7、28 d 碳化深度分別增大了7.84%、11.86%，C50 混凝土的7、28 d 碳化深度分別增大了15.15%、13.95%，相較于C30 混凝土，C50 混凝土對(duì)石粉MB 值的變化更敏感，碳化深度增幅更大。

通過測(cè)試不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土在不同石粉MB 值下電通量和碳化深度的變化可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石粉MB 值大于2 g/kg 時(shí)，隨著石粉MB 值的增大，混凝土的電通量和碳化深度增加，混凝土內(nèi)部孔隙率增大，密實(shí)度降低，抗氯離子滲透性能降低，不利于混凝土的耐久性。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，相比于低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，強(qiáng)度較高、水膠比較小的混凝土耐久性對(duì)石粉MB 值的變化更為敏感，石粉MB 值越大，耐久性越差。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)花崗巖機(jī)制砂石粉MB 值>2 g/kg 時(shí)，隨著石粉MB值的增大，石粉的流動(dòng)度比減小，相同坍落度下混凝土拌合物所需減水劑用量增加，坍落度和擴(kuò)展度損失速率增大。

（2）當(dāng)石粉MB 值>2 g/kg 時(shí)，石粉MB 值的增大不利于混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展，隨著石粉MB 值的增大，混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度都呈下降的趨勢(shì)。

（3）隨著石粉MB 值的增大，混凝土的電通量增大，碳化深度增加，混凝土內(nèi)部密實(shí)度下降，抗氯離子滲透和抗碳化性能下降，耐久性變差。

（4）相較于C30 混凝土，石粉MB 值的變化對(duì)強(qiáng)度更高、水膠比更小的C50 混凝土的耐久性影響程度更大。