人工砂游離云母含量對混凝土性能的影響

吳文博,賀晶晶,王海婷,趙坤龍,樊李浩

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710199)

0 引 言

砂石是我國基礎(chǔ)建設(shè)的重要原材料之一,隨著基礎(chǔ)建設(shè)的日益發(fā)展,尤其是近十年跨越式發(fā)展,我國許多地區(qū)經(jīng)過幾十萬年形成的有限的天然砂資源幾乎用盡。根據(jù)工程需要和環(huán)保要求,機(jī)制砂逐漸代替人工砂作為混凝土的主要原材料,而許多水電工程基本上就地取材,利用開挖巖石來生產(chǎn)人工骨料。

云母是一種很常見的組成巖石的礦物,三大巖石中都有可能含有云母,不同的是在沉積巖中云母通常是破碎形成的小碎片,變質(zhì)巖中的云母通常是在變質(zhì)作用下形成的,而巖漿巖中的云母是巖漿結(jié)晶形成的。云母具有玻璃光澤,由非常薄的層構(gòu)成,呈典型的層狀結(jié)構(gòu),晶體為連續(xù)層狀硅氧四面體構(gòu)造,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[1]。云母的表面光滑且呈層狀結(jié)構(gòu)的物理結(jié)構(gòu)特性,導(dǎo)致其與水泥基漿體的粘接強(qiáng)度較低,細(xì)骨料中的片狀云母會(huì)使混凝土部分性能降低,對工程產(chǎn)生不利影響。水電工程中經(jīng)常存在一些原巖云母含量較高的情況:我國最大的水電站三峽工程的花崗巖開挖料,其黑云母比例為10%[2-3];苗尾水電站丹塢塹料場片麻巖骨料中云母含量高達(dá)40%[4]。

國內(nèi)外已有研究人員研究了云母對混凝土的影響。Dewar[5]的研究發(fā)現(xiàn),砂中的游離云母會(huì)對混凝土的強(qiáng)度和拌和物性能產(chǎn)生不利影響,隨著云母含量增加,用水量增加,混凝土的強(qiáng)度降低。James[6]的研究也發(fā)現(xiàn)人工砂中的游離云母會(huì)使混凝土的性能劣化。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性能的影響進(jìn)行研究,得出了天然砂會(huì)對混凝土的拌和物性能、力學(xué)性能、耐久性能均產(chǎn)生不利影響[7]。李家正等[8]和伏文勇[9]對三峽工程開挖的高云母含量花崗巖對混凝土性能的影響進(jìn)行研究。鐘貽輝等[10]將機(jī)制砂和天然砂進(jìn)行摻配,用以調(diào)整混合砂的云母含量,研究其對混凝土抗凍性能的影響,發(fā)現(xiàn)云母含量在3.5%以內(nèi)對混凝土抗凍性能沒有顯著影響,云母呈光滑薄片的結(jié)構(gòu)特性是影響混凝土抗凍性能的主要原因。李新宇等[4]、邢界泉等[2]研究了高云母含量的石粉對砂漿和混凝土的影響,高云母含量的石粉會(huì)導(dǎo)致混凝土和砂漿強(qiáng)度降低,抗凍性能下降。毛永琳等[11]在人工砂中外摻游離云母,研究了游離云母含量對砂漿流動(dòng)性的影響,發(fā)現(xiàn)人工砂的游離云母含量超過2.5%時(shí),砂漿流動(dòng)度顯著降低,云母含量增加導(dǎo)致減水劑的摻量增加,砂漿流動(dòng)度損失加快,云母的扁平狀形貌結(jié)構(gòu)、吸水率高的特性是砂漿流動(dòng)性降低、黏度大的主要原因。

目前我國砂石骨料試驗(yàn)規(guī)范《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2022)[12]、《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2020)[3]、《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5151—2014)[13]等只適用于檢測砂中粒徑在0.315～5.000 mm的游離云母顆粒含量。SL/T 352—2020[3]中認(rèn)為影響混凝土性能的主要是大顆粒的片狀云母,因此提出“游離云母”的概念。同時(shí)實(shí)踐表明:對于一些細(xì)粒碎云母(如絹云母)含量較高的母巖軋制的人工砂,使用規(guī)范中測試方法得出的云母含量測試結(jié)果偏差較大;某些水利水電工程采用云母含量較高的母巖作為混凝土骨料料源,人工砂在加工過程中是否會(huì)形成較大粒徑的游離云母,與母巖中云母的結(jié)構(gòu)和顆粒粒徑相關(guān)。

目前研究云母含量對混凝土的影響使用的方法多為摻入某一粒徑區(qū)間的云母,通過調(diào)整含云母石粉和不含云母石粉的比例,控制<0.16 mm粒徑區(qū)間的不同云母含量,或者摻入0.3～1.25 mm粒徑區(qū)間的云母顆粒,使人工砂中云母含量不同,研究云母對混凝土較短齡期(28 d)性能的影響。本文對機(jī)制砂外摻連續(xù)級(jí)配的云母,配制不同云母含量的人工砂,研究不同游離云母含量對混凝土長齡期抗壓強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度與極限拉伸值、抗凍性能、抗?jié)B性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

本次試驗(yàn)結(jié)合某水電工程,壩址開挖的二長巖軋制的人工砂云母含量較高,根據(jù)高程和區(qū)域不同,云母含量有所變化,人工砂中游離云母含量達(dá)到2.7%,已超過規(guī)范的限定值。為了解云母含量超標(biāo)對混凝土造成的不利影響,進(jìn)行了人工砂中不同云母含量對混凝土性能的影響試驗(yàn)。采用外摻云母的方法,將人工砂中的游離云母含量調(diào)至4.0%和6.0%,研究其對混凝土性能的影響。

人工從骨料中分離出滿足試驗(yàn)要求的云母含量,幾乎不可能;采用化學(xué)方法分離,又會(huì)造成骨料對分離液的吸附,影響混凝土性能。外摻云母對混凝土性能的影響可近似反映游離云母的不利影響。

試驗(yàn)用水泥為甘肅永登水泥廠生產(chǎn)的42.5中熱硅酸鹽水泥,主要性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

試驗(yàn)用粉煤灰為平?jīng)鰺犭姀S生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰,主要性能指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰主要性能指標(biāo)

試驗(yàn)所用外摻云母為咸陽圣方化工有限公司生產(chǎn)的黑云母,其顆粒級(jí)配見表3。

表3 云母顆粒級(jí)配

人工砂為二長巖軋制的人工砂,細(xì)度模數(shù)2.7,屬于2區(qū)中砂,表觀密度為2.67 g/cm3,石粉含量為16.7%,堅(jiān)固性為2.3%。粗骨料為二長巖軋制的分級(jí)人工骨料,壓碎指標(biāo)為13.0%。減水劑(ZB-1A)摻量為0.7%,引氣劑(DH9)摻量為0.5%。

對軋制人工骨料的母巖進(jìn)行云母含量檢測,試驗(yàn)方法采用X射線衍射物相定量分析中的“絕熱法”[14-15],對母巖進(jìn)行礦物成分分析,其中石英、斜長石、鉀長石、方解石、云母、綠泥石、閃石含量分別為24.1%、12.3%、1.6%、2.8%、36.8%、20.5%、1.9%。按照母巖的云母含量檢測方法,人工砂石粉中的云母含量為33.8%,母巖X射線衍射圖譜見圖1,而按照DL/T 5151—2014[13]的方法檢測,人工砂0.315～5.000 mm粒徑區(qū)間游離云母含量僅為2.7%。從結(jié)果來看,2種方法測得云母含量差別較大。而施工規(guī)范中要求云母含量<2%[16],是針對粒徑在0.315～5.000 mm的游離云母[13],對粒徑<0.315 mm的云母含量限值目前沒有規(guī)定。

圖1 母巖X射線衍射圖譜

試驗(yàn)采用三級(jí)配混凝土,坍落度控制為50～70 mm,通過外摻云母,控制人工砂中粒徑0.315～5.000 mm的游離云母含量分別為4%、6%。濕篩40 mm以上粒徑粗骨料成型150 mm×150 mm×150 mm立方體試件測試混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度,每組各3塊;成型100 mm×100 mm×400 mm試件用于測試混凝土的抗凍性能,每組3塊;成型頂面直徑175 mm、底面直徑185 mm、高度150 mm的試件用于測試混凝土的抗?jié)B性能,每組6塊;成型100 mm×100 mm×500 mm試件用于測試混凝土的軸向拉伸試驗(yàn),每組4塊;試驗(yàn)水灰比為0.44,砂率為32%,具體材料用量見表4。所有試件成型后按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5150—2017)[17]的規(guī)定進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和試驗(yàn)。

表4 不同云母含量的混凝土拌和物性能

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 游離云母含量對混凝土拌和物性能的影響

不同游離云母含量對混凝土拌和物性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)人工砂中云母含量由2.7%增至6.0%時(shí),混凝土用水量增加了6 kg/m3,人工砂中云母含量使混凝土的用水量略有增加,隨云母含量的變化,混凝土含氣量變化不大。由于云母顆粒的特殊粒型結(jié)構(gòu),呈薄片狀,粒形較差,相比于人工砂,相同質(zhì)量的云母比表面積較大,因此包裹云母顆粒所需的水泥漿體會(huì)增多,導(dǎo)致混凝土的單位用水量增大。產(chǎn)生這種影響只限于游離狀態(tài)的云母顆粒,而附著在粗骨料、人工砂表面的云母則不會(huì)使其比表面積增加。

2.2 游離云母含量對混凝土力學(xué)性能的影響

人工砂中不同云母含量對混凝土力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度)的影響試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6。

表5 不同云母含量的混凝土抗壓強(qiáng)度

表6 不同云母含量的混凝土劈拉強(qiáng)度

由表5和表6數(shù)據(jù)可知,人工砂中云母含量的增加對混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度沒有顯著影響,對混凝土180 d抗壓強(qiáng)度略有影響,云母含量從2.7%增至4.0%時(shí),混凝土180 d抗壓強(qiáng)度略有降低。

2.3 云母含量對混凝土極限拉伸性能的影響

拉伸性能對混凝土的抗裂有著重要影響, 是混凝土抵抗溫度變形和收縮變形的重要指標(biāo)。 不同游離云母含量對混凝土極限拉伸性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 不同云母含量混凝土的拉伸性能

由表7可以看出,人工砂中云母含量在2.7%～6%之間對混凝土的拉伸彈性模量幾乎沒有影響,軸拉強(qiáng)度、極限拉伸值隨著云母含量的增加略有減小。這可能是因?yàn)槠瑺钤颇割w粒光滑的表面影響水泥漿體之間的結(jié)合,當(dāng)混凝土受到拉應(yīng)力時(shí),云母結(jié)合部位會(huì)最先產(chǎn)生微裂縫,拉應(yīng)力繼續(xù)增加引起裂縫擴(kuò)展,使混凝土軸拉強(qiáng)度降低。

2.4 云母含量對混凝土抗凍和抗?jié)B性能的影響

不同云母含量人工砂對混凝土抗凍性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同云母含量混凝土的質(zhì)量損失率和相對動(dòng)彈性模量

由試驗(yàn)結(jié)果可知,經(jīng)過300次凍融循環(huán),人工砂中游離云母含量為2.7%的混凝土相對動(dòng)彈性模量降為89.5%,質(zhì)量損失率為0.88%;而人工砂中云母含量為6.0%的混凝土相對動(dòng)彈性模量降低到78.5%,質(zhì)量損失率為2.22%。當(dāng)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)超過200次后,人工砂中云母含量對抗凍性能影響程度顯著增加,隨著人工砂中云母含量的增加,混凝土的抗凍性能變差,云母含量由4%增加至6%時(shí),混凝土質(zhì)量損失率和相對動(dòng)彈性模量降幅都增大較多。

云母導(dǎo)致混凝土抗凍性能降低主要是云母的物理性質(zhì)導(dǎo)致的,因?yàn)樵颇笧槠瑺罱Y(jié)構(gòu),容易剝離,強(qiáng)度非常低,混凝土中過高的云母含量會(huì)影響水泥漿體與砂石骨料的結(jié)合,阻礙水泥等膠凝材料和骨料形成整體。凍融過程中,水通過毛細(xì)孔滲入混凝土內(nèi)云母與漿體結(jié)合處的薄弱層面,當(dāng)混凝土內(nèi)部孔隙受到的凍脹壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生凍融破壞[18]。凍脹作用很容易造成薄弱層面的劣化,大量的云母使膠結(jié)薄弱帶大量存在,從而導(dǎo)致混凝土抗凍性能劣化。

不同云母含量人工砂對混凝土抗?jié)B性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 不同云母含量混凝土的抗?jié)B性能

由表8可知,人工砂中云母含量對混凝土抗?jié)B性能影響較小,云母含量從2.7%增加到6%,混凝土抗?jié)B試件均未出現(xiàn)滲水,能夠滿足W8等級(jí)抗?jié)B,試件滲水高度隨著云母含量的增加略有增加。

3 結(jié) 論

(1) 在混凝土坍落度保持基本相同的條件下,隨著云母含量的增加,混凝土用水量略有增加,游離云母含量增加2%,混凝土用水量增加約4 kg/m3。

(2)人工砂中游離云母含量對混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度影響較小;隨著云母含量增加,混凝土軸拉強(qiáng)度和極限拉伸值略有降低。

(3)當(dāng)混凝土凍融循環(huán)次數(shù)超過200次后,人工砂中云母含量對抗凍性能有一定影響,隨著云母含量增加,抗凍試件質(zhì)量損失率增大。

(4)人工砂中游離云母含量對混凝土的抗?jié)B性能影響較小。

(5)由于水電工程混凝土原材料多為就地取材,將云母含量較高的巖石作為工程料源,宜進(jìn)行專項(xiàng)的云母含量試驗(yàn)研究。