硅質(zhì)機(jī)制砂對混凝土性能影響機(jī)理研究

方國富，游秋森，張顯羽，李新宇

（1.福建廈門抽水蓄能有限公司，福建 廈門 361107；2.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）

部分工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究結(jié)果顯示[1-3]，采用凝灰?guī)r、花崗巖、片麻巖、輝綠巖、玄武巖等礦物成分中SiO2含量較高的硅質(zhì)巖石軋制的機(jī)制砂拌制的混凝土，當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量超過某一限值時，混凝土單位用水量會明顯增加，且對混凝土劈拉強(qiáng)度、干縮等帶來一定不利影響，從而降低混凝土的綜合抗裂性能。但采用石灰?guī)r、大理巖等以碳酸鈣為主的鈣質(zhì)巖石軋制的機(jī)制砂拌制的混凝土，則受機(jī)制砂中石粉含量的影響相對較小，適當(dāng)提高機(jī)制砂中的石粉含量還有助于改善混凝土的性能[4]。國內(nèi)已有眾多學(xué)者就機(jī)制砂中石粉含量對混凝土性能的影響[5-9]，以及不同巖性機(jī)制砂品質(zhì)對混凝土性能的影響進(jìn)行了針對性的研究[10-14]。

本研究采用凝灰?guī)r、花崗巖、片麻巖3 種硅質(zhì)機(jī)制砂，以及石灰?guī)r鈣質(zhì)機(jī)制砂，開展石粉需水量比及其形貌測試、砂漿孔結(jié)構(gòu)特性測試，以及混凝土拌和物性能試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)，分析硅質(zhì)機(jī)制砂石粉對混凝土性能的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：P·O42.5 水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，其物理力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 水泥的物理性能

表2 水泥的力學(xué)性能

（2）粉煤灰：某電廠排放，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中F 類Ⅱ級的要求，28 d 抗壓強(qiáng)度比為77%，90 d 抗壓強(qiáng)度比可達(dá)96%，火山灰活性相對較高，且在長齡期有較大增幅，其主要技術(shù)性能見表3。

表3 粉煤灰的主要技術(shù)性能

（3）細(xì)骨料：采用凝灰?guī)r（NH）、花崗巖（HG）、片麻巖（PM）3 種硅質(zhì)機(jī)制砂，以及石灰?guī)r（SH）鈣質(zhì)機(jī)制砂，4 種機(jī)制砂的主要技術(shù)性能見表4，顆粒級配見圖1。結(jié)果表明，這4 種機(jī)制砂的表觀密度、細(xì)度模數(shù)、石粉含量和顆粒級配較為接近。

表4 不同巖性機(jī)制砂的主要技術(shù)性能

圖1 不同巖性機(jī)制砂的顆粒級配

（4）凝灰?guī)r粗骨料：分為小石（5～20 mm）和中石（20～40 mm）兩級配，性能均符合DL/T 5144—2015《水工混凝土施工規(guī)范》的要求。

（5）外加劑：市售某品牌緩凝型聚羧酸高性能減水劑和引氣劑，其中減水劑減水率為27.2%，引氣劑減水率為7.3%、含氣量為5.3%，2 種外加劑均符合DL/T 5100—2014《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》的要求。

2 不同巖性機(jī)制砂需水量比與石粉形貌

將凝灰?guī)r、花崗巖、片麻巖等硅質(zhì)機(jī)制砂和石灰?guī)r鈣質(zhì)機(jī)制砂的石粉（即<0.16 mm 的顆粒）及其中粒徑<0.08 mm 的微粒篩分出來，參照GB/T 1596—2017 附錄A 規(guī)定的粉煤灰需水量比試驗(yàn)方法測試石粉和微粒的需水量比；參照GB/T 1596—2017 附錄C 中規(guī)定的活性指數(shù)試驗(yàn)方法測試石粉和微粒不同齡期的活性指數(shù)（試驗(yàn)中采用GB/T 1596—2017 規(guī)定的42.5級基準(zhǔn)水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂）；參照GB/T 8074—2008《水泥比表面積測定方法勃氏法》測試比表面積，結(jié)果如表5 所示。

表5 不同巖性石粉和微粒的需水量比及活性指數(shù)

由表5 可見，在比表面積較為接近的前提下，3 種硅質(zhì)機(jī)制砂中石粉的需水量比為103%～105%，微粒的需水量比為107%～109%，明顯高于石灰?guī)r鈣質(zhì)機(jī)制砂中石粉和微粒的需水量比。這也說明在混凝土其他原材料和配合比參數(shù)相同的條件下，僅更換機(jī)制砂品種，為達(dá)到相同的流動度或坍落度，硅質(zhì)機(jī)制砂混凝土需要更多的單位用水量。

掃描電鏡（SEM）下不同巖性石粉的顆粒形貌見圖2。

由圖2 可見，與石灰石粉呈棱柱狀不同，硅質(zhì)機(jī)制砂中的石粉主要是一些不規(guī)則的棱角狀、塊狀、片狀和碎屑狀顆粒，顆粒表面比較粗糙并吸附有一定量的微屑，其中花崗巖和片麻巖中有部分呈薄片狀的云母顆粒，因云母顆粒強(qiáng)度較低，易沿節(jié)理面錯裂，內(nèi)部層間結(jié)構(gòu)較為特殊，具有較強(qiáng)的吸附性，這可能是導(dǎo)致花崗巖和片麻巖機(jī)制砂中石粉和微粒需水量較大的重要原因。Xing 等[15]開展的人工砂石粉中云母對砂漿性能影響試驗(yàn)研究中，通過SEM 和EDS 分析得到，片麻巖砂漿膠凝體系不夠致密，界面空隙較多，由于石粉中片狀的云母邊壁效應(yīng)比較突出，下方容易聚集“水囊”，且易沿節(jié)理面錯裂等特點(diǎn)，在水泥砂漿微結(jié)構(gòu)中容易形成薄弱界面，對水泥砂漿內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)可能存在不利影響，這可能是導(dǎo)致高云母石粉含量較高的人工砂混凝土較石粉含量較低的人工砂混凝土抗?jié)B性和抗凍性有所下降的原因之一。

圖2 不同巖性機(jī)制砂石粉的SEM 照片

部分水電工程曾系統(tǒng)開展過人工砂中不同石粉含量對混凝土性能的影響試驗(yàn)，如錦屏Ⅱ級水電站針對大理巖人工砂石粉含量較高的現(xiàn)實(shí)情況，研究了人工砂石粉含量對C25 二級配泵送混凝土性能的影響。結(jié)果表明，大理巖人工砂中石粉含量在15%～30%之間變化時，混凝土單位用水量不變，拌合物性能、抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均無明顯差異[16]。

由此可見，在其它條件不變的情況下配制相同流動度的混凝土，硅質(zhì)機(jī)制砂混凝土所需單位用水量更大，這與硅質(zhì)機(jī)制砂中粒徑小于0.16 mm 的石粉和粒徑小于0.08 mm 的微粒需水量比較高、粒形較差有較大關(guān)系。

3 不同巖性機(jī)制砂砂漿的孔結(jié)構(gòu)

為研究不同巖性機(jī)制砂對砂漿孔結(jié)構(gòu)的影響，采用壓汞法（MIP）測試砂漿的孔隙率及其孔徑分布。試驗(yàn)采用前述4種機(jī)制砂和42.5 級基準(zhǔn)水泥配制水膠比為0.50 的砂漿，膠砂比固定為1∶3，采用AutoPore IV 9500 全自動壓汞儀，孔徑分析范圍3 nm～1000 μm，測試不同巖性機(jī)制砂砂漿7、28 d 齡期的孔隙率及其孔徑分布。不同巖性機(jī)制砂砂漿的抗壓強(qiáng)度如圖3 所示，總孔隙體積及孔隙率如圖4 所示。

圖3 不同巖性機(jī)制砂砂漿的抗壓強(qiáng)度

圖4 不同巖性機(jī)制砂砂漿的總孔隙體積及孔隙率

考慮到孔徑分布反映孔結(jié)構(gòu)特征的信息量更為豐富，是評價水泥基硬化漿體特性更好的一個指標(biāo)，國內(nèi)外許多學(xué)者都對孔徑分布特征與性能關(guān)系進(jìn)行了研究，如Metha 等[17]根據(jù)孔徑大小將孔分為凝膠微孔（<4.5 nm）、間隙孔（4.5～50 nm）、中等毛細(xì)管孔（50～100 nm）和粗毛細(xì)管孔（>100 nm）等4 種。總體來說，大于50 nm 的毛細(xì)孔被看作宏觀孔，對強(qiáng)度滲透性等特性影響更大，小于50 nm 的毛細(xì)孔被看作微觀孔。本文參考Metha 提出的分類方法，給出了4 種不同巖性機(jī)制砂膠砂的孔徑分布，結(jié)果如圖5 所示。

由圖3～圖5 可以看出：對于不同巖性機(jī)制砂砂漿，隨著水化齡期的延長，各砂漿試樣的孔結(jié)構(gòu)變化均表現(xiàn)為毛細(xì)孔數(shù)量減少，間隙孔比例增大，即毛細(xì)孔逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙孔，大孔轉(zhuǎn)變?yōu)樾】祝嚇涌捉Y(jié)構(gòu)分布整體趨于細(xì)化，進(jìn)而導(dǎo)致砂漿的總孔體積、孔隙率、中位孔徑、平均孔徑等均降低，表明砂漿水化過程中水化產(chǎn)物不斷填充孔隙，改善漿體孔隙結(jié)構(gòu)。

圖5 不同巖性機(jī)制砂砂漿的孔徑分布

總體而言，在其它條件相同的情況下，與石灰?guī)r鈣質(zhì)機(jī)制砂砂漿相比，凝灰?guī)r、花崗巖和片麻巖3 種硅質(zhì)機(jī)制砂砂漿的抗壓強(qiáng)度稍低，總孔體積和孔隙率稍大，>95 nm 的孔所占比例也相對較高。不同巖性機(jī)制砂砂漿性能的差異，也將直接導(dǎo)致所配制混凝土性能的差異。

4 不同巖性機(jī)制砂混凝土性能試驗(yàn)

為系統(tǒng)研究不同巖性機(jī)制砂對混凝土性能的影響規(guī)律，本文在混凝土其他原材料、配合比以及試驗(yàn)條件基本保持不變的情況下，分別采用4 種不同巖性的機(jī)制砂配制C30 二級配泵送混凝土，配合比計算以骨料飽和面干狀態(tài)為基準(zhǔn)，凝灰?guī)r、花崗巖、片麻巖等硅質(zhì)機(jī)制砂混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（機(jī)制砂）∶m（小石）∶m（中石）∶m（水）=258∶86∶855∶523∶523∶155，石灰?guī)r鈣質(zhì)機(jī)制砂混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（機(jī)制砂）∶m（小石）∶m（中石）∶m（水）=247∶82∶865∶529∶529∶148，減水劑和引氣劑摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的1.0%、0.02%，不同巖性機(jī)制砂對混凝土混凝土拌合物性能、抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度的影響見表6。

表6 不同巖性機(jī)制砂對C30 混凝土性能的影響

在其它原材料和配合比基本相同的情況下，采用凝灰?guī)r、花崗巖、片麻巖等硅質(zhì)機(jī)制砂配制坍落度為180～200 mm、含氣量為3.0%～4.0%的二級配泵送混凝土所需單位用水量為155 kg/m3，但石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土單位用水量僅需148 kg/m3。比較而言，硅質(zhì)機(jī)制砂混凝土單位用水量明顯偏高。由表6 可見，在相同水膠比（0.45）下，采用3 種硅質(zhì)機(jī)制砂和石灰?guī)r鈣質(zhì)機(jī)制砂均可以配制出C30 混凝土，但石灰?guī)r鈣質(zhì)機(jī)制砂混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度相對較高。

5 結(jié)論

（1）在其它原材料和配合比基本相同的情況下，凝灰?guī)r、花崗巖、片麻巖等硅質(zhì)機(jī)制砂配制坍落度180～200 mm、含氣量3.0%～4.0%的二級配泵送混凝土所需單位用水量明顯高于石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土，且其28 d 抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度低于石灰?guī)r鈣質(zhì)機(jī)制砂混凝土。

（2）凝灰?guī)r、花崗巖、片麻巖等硅質(zhì)機(jī)制砂中粒徑小于0.16 mm 的石粉和粒徑小于0.08 mm 的微粒需水量較大，粒形較差，尤其是云母含量較高的花崗巖和片麻巖機(jī)制砂中有部分石粉呈片狀顆粒，導(dǎo)致其所配制的混凝土單位用水量較大、強(qiáng)度較低。

（3）其它條件基本相同的情況下，與石灰?guī)r機(jī)制砂砂漿相比，凝灰?guī)r、花崗巖、片麻巖等硅質(zhì)機(jī)制砂砂漿的抗壓強(qiáng)度相對較低、總孔體積和孔隙率相對較大，從而導(dǎo)致硅質(zhì)機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度較低。