機制砂云母含量對混凝土性能的影響

李順凱，覃茂挺，張占強，明 陽，陳 平

(桂林理工大學 a.土木與建筑工程學院；b.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西 桂林 541004)

0 引 言

隨著我國大規(guī)模的工程建設(shè)的進行, 天然河砂資源逐漸短缺, 同時出于對環(huán)境保護的需要, 很多地方也禁止開采河砂資源, 因此機制砂正迅速替代河砂[1-3]。機制砂由巖石機械破碎而來, 而云母是常見的巖石礦物之一, 采用高云母含量巖石破碎的機制砂云母含量較高。云母一般呈薄片狀且表面光滑, 與水泥漿的粘結(jié)能力不佳[4], 因而現(xiàn)行國家標準和許多行業(yè)標準都限定了砂中的云母含量, 如《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)限定Ⅰ類砂中云母含量<1%; Ⅱ、 Ⅲ類砂中云母含量<2%[5]。

有關(guān)機制砂云母含量對混凝土和易性及強度的影響已開展了一些研究: 李新宇等[6]研究了機制砂中云母含量為49%的石粉對混凝土性能影響, 結(jié)果表明, 隨著石粉含量的增加, 混凝土用水量有所增加, 抗壓強度與劈拉強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢; 邢界泉等[7]發(fā)現(xiàn), 隨著機制砂石粉中云母含量從1.8%增加到9%, 混凝土的抗壓強度和劈拉強度均有所降低; 張志堅[8]采用云母含量為7%的機制砂與其他機制砂混合使用, 配制的混凝土力學性能以及耐久性能均滿足設(shè)計要求。

考慮到優(yōu)質(zhì)建材遠距離運輸困難且成本高,機制砂作為大宗建筑材料,一般采取就地取材的方式選取原材料,如某山區(qū)高速公路建設(shè)時為降低工程造價就近采用周邊母巖為花崗巖的石料生產(chǎn)機制砂,但該機制砂生產(chǎn)出來后發(fā)現(xiàn)云母含量較高,而云母作為機制砂的有害物質(zhì)之一,有必要對高云母含量機制砂混凝土的配制及改性進行研究。

本文系統(tǒng)研究機制砂云母含量及其變化對混凝土工作、 力學和干縮性能的影響規(guī)律, 提出摻入增強劑的方式對高云母含量機制砂混凝土進行改性, 以期為相關(guān)工程采用高云母含量機制砂配制高品質(zhì)混凝土提供技術(shù)支撐。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

采用普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5), 其主要物理和力學性能指標見表1和表2。

表1 水泥主要物理性能指標Table 1 Main physical properties index of cement

表2 水泥膠砂強度Table 2 Strength of cement mortar

不含云母的水洗機制砂和某公路工程料場生產(chǎn)的高云母含量花崗巖機制砂, 表觀密度分別為2 680和2 650 kg/m3,堆積密度為1 630和1 590 kg/m3,吸水率分別為1.3%和2.1%, 云母含量分別為0和12%,細度模數(shù)分別為3.1和3.0; 5～25 mm連續(xù)級配碎石; 江蘇蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑, 固含量為20%, 減水率≥25%; 增強劑使用廣西凱利特新材料科技有限公司生產(chǎn)的ZQ-1型增強劑, 固含量為10%, 其主要由穩(wěn)泡劑、 醇胺類和納米晶核增強材料等組成, 具有改善混凝土和易性和提高混凝土強度的作用。

1.2 試驗方法及混凝土配合比

分別按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)、 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)和《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)測試混凝土的拌合物性能、 力學性能和干縮性能(接觸法), 其中混凝土含氣量測試儀器型號為LC-615A型混凝土含氣量測定儀, 混凝土干縮試驗測試儀器型號為HSP-540型混凝土收縮膨脹儀。

采用不含云母與含云母的機制砂混摻控制機制砂云母含量, 不同云母含量的混凝土配合比參數(shù)及拌合物性能如表3所示。試驗過程中控制混凝土坍落度在200±20 mm, 水泥用量、 單位用水量和碎石用量分別為400、 152和1 100 kg/m3, 減水劑和增強劑用量根據(jù)混凝土坍落度進行調(diào)整。

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of conerete kg/m3

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土拌合物性能

在固定用水量和混凝土坍落度的條件下, 由混凝土減水劑摻量與機制砂云母含量的配比表3可見,隨著機制砂中云母含量的增加, 為了達到相同的坍落度控制范圍, 混凝土減水劑摻量需提高, 其中當機制砂中云母含量達12%, 減水劑摻量要達到膠凝材料的1.7%, 而不含云母的機制砂配制混凝土時, 減水劑摻量僅為膠凝材料的1.2%?；炷翜p水劑摻量的提高主要與含云母機制砂堆積密度小、 空隙率高、 吸水率大等有著密切聯(lián)系, 隨著機制砂中云母含量增加, 浸潤表面所需水分增加, 因而在用水量固定的情況下, 需要提高減水劑的摻量。李新宇等[6]也認為高云母石粉顆粒具有比表面積相對較大、 表面粗糙、 吸附性強等特性, 機制砂混凝土單位用水量隨著高云母石粉含量增加而提高。

隨著機制砂云母含量的增加, 即使減水劑摻量提升了, 混凝土含氣量卻下降了, 說明機制砂云母含量對混凝土的含氣量有不利的影響。 雖然混凝土坍落度能達到控制范圍, 但含氣量的降低導致混凝土和易性不佳。在機制砂云母含量相同條件下(6%), 通過摻入一定量的增強劑, 混凝土含氣量可由1.8%增加到2.3%, 說明增強劑具有穩(wěn)泡作用, 其摻入可以確保減水劑的引氣效果, 混凝土和易性也有明顯改善。

2.2 混凝土抗壓強度

混凝土抗壓強度隨機制砂云母含量的變化關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 機制砂云母含量對混凝土抗壓強度的影響Fig.1 Influence of mica content in manufactured sand on compressive strength of concrete

機制砂云母含量對同水膠比混凝土抗壓強度有明顯的影響, 總體而言, 混凝土抗壓強度隨機制砂云母含量增加而減小, 且呈現(xiàn)出對混凝土早期強度影響小而對后期強度影響大。與不含云母的機制砂混凝土相比, 當云母含量為12%時, 3 d抗壓強度降低了9.2%; 28 d抗壓強度降低了15.4%。

針對混凝土抗壓強度隨云母含量增加而降低的情況, 采用摻入適量增強劑來改善混凝土的抗壓強度。從試驗結(jié)果可以得出, 摻入一定量的增強劑可以改善混凝土抗壓強度: 與不含云母的機制砂相比, 在含6%云母的機制砂混凝土中摻入0.5%的增強劑, 混凝土3 d抗壓強度未降低, 為28.5 MPa; 而28 d抗壓強度為50.1 MPa, 僅降低了4.9%。 這主要是由于混凝土增強劑中含有醇胺類物質(zhì)的電負性能夠增強粉體顆粒表面的靜電斥力, 使得水泥漿體的分散性增強, 并且納米晶核材料在混凝土中起到了填充和晶核作用, 促進了水泥水化與密實, 從而提高混凝土強度。

2.3 混凝土干縮性能

不同云母含量(分別為0、 6%和12%)混凝土干縮變形隨齡期變化關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 云母含量對混凝土干縮性能的影響Fig.2 Influence of mica content in manufactured sand on drying shrinkage of concrete

3組混凝土干縮變形在60 d 齡期內(nèi)隨齡期變化較大, 60 d 齡期之后則逐漸趨于穩(wěn)定, 混凝土干縮率隨云母含量的增大而增加, 但云母含量對于機制砂混凝土干縮率影響相對有限, 其中不含云母的機制砂混凝土120 d干縮率為400×10-6左右, 而云母含量6%和12%的機制砂混凝土120 d干縮率分別為415×10-6和430×10-6。

2.4 機理分析

圖3為標準養(yǎng)護條件下28 d 的不含云母、 含云母和加入增強劑云母砂漿的SEM 微觀形貌。

圖3 不含云母砂漿(a)、 摻云母砂漿(b)和摻增強劑云母砂漿(c)水化產(chǎn)物微觀形貌Fig.3 Micro morphologies of hydration products of mortar without mica(a), mica mortar(b) and mica mortar after adding reinforcing agent(c)

不含云母砂漿中水化產(chǎn)物豐富, 砂顆粒之間存在C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物; 含云母機制砂砂漿中可以看到明顯的云母存在, 云母呈現(xiàn)出薄片狀, 導致云母和水泥漿體之間存在一個薄弱的界面, 兩者結(jié)合力較差, 導致混凝土強度降低; 摻入增強劑改性后的含云母砂漿, 由于納米晶核作用和膠凝材料分散更均勻而水化加速生成的水化產(chǎn)物包裹在云母顆粒表面, 使得云母顆粒表面不再光滑且具有一定的強度, 并且水化產(chǎn)物密實填充了砂漿與云母間存在的界限, 使砂漿與云母間形成連續(xù)致密的過渡區(qū), 從而提升了含云母機制砂的混凝土強度。

3 結(jié) 論

(1)相同坍落度條件下, 混凝土減水劑摻量隨著機制砂中云母含量的增加而提高; 通過摻入一定量的增強劑, 可以提高混凝土含氣量, 且明顯改善混凝土和易性。

(2)混凝土抗壓強度隨機制砂云母含量增加而減小, 且呈現(xiàn)出對混凝土早期強度影響小而對后期強度影響大; 摻入一定量的增強劑可以改善混凝土抗壓強度。

(3)混凝土干縮率隨機制砂云母含量的增大而增加, 但云母含量對于機制砂混凝土干縮率影響相對較小。

(4)含云母機制砂砂漿中云母呈現(xiàn)出薄片狀, 導致混凝土強度降低, 增強劑加速了膠凝材料水化, 生成的水化產(chǎn)物包裹在云母顆粒表面, 使砂漿與云母間形成連續(xù)致密的過渡區(qū), 從而提升混凝土強度。