左文鑾，魏勇，陳雷，范建峰

（南通眾潤(rùn)混凝土有限公司利廢技術(shù)開發(fā)中心，江蘇 南通 226600）

0 前言

建筑業(yè)的飛速發(fā)展需要越來越多的混凝土材料[1]，而混凝土材料中的砂石骨料占混凝土質(zhì)量的 2/3，巨大數(shù)量的砂石消耗使得天然資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足使用要求，尤其是天然砂資源[2]，因此機(jī)制砂成為很多建筑砂的來源。機(jī)制砂中 0.075mm以下的顆粒被稱為石粉，而天然砂中粒徑小于 0.075mm 的顆粒含量被稱為含泥量，兩者有著本質(zhì)的區(qū)別，石粉為機(jī)制砂破碎過程中的副產(chǎn)物，其物理化學(xué)性質(zhì)與母巖性質(zhì)相同，對(duì)混凝土性能的影響有利有弊。由于機(jī)制砂是由巖石破碎而成，在生產(chǎn)過程中難免帶入部分山皮，導(dǎo)致機(jī)制砂中0.075mm 以下顆粒中含有部分泥粉，它們多是天然砂在搬運(yùn)過程中夾雜的塵屑、淤泥和粘土[3]。泥粉的存在可引起混凝土需水量增加，減弱混凝土性能或更容易被風(fēng)化，阻礙水泥與骨料膠結(jié)的充分發(fā)展,妨礙水泥的正常水化或與水泥中成分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)等負(fù)面影響。GB/T14684—2011《建筑用砂》[4]規(guī)定混凝土用機(jī)制砂需用亞甲藍(lán)方法（MB 值）檢測(cè)機(jī)制砂中泥粉的含量，制定了嚴(yán)格的規(guī)定，但未給出解釋?，F(xiàn)代混凝土對(duì)砂石的要求越來越高，特別是高強(qiáng)和高性能混凝土對(duì)骨料的要求特別嚴(yán)格，砂的質(zhì)量嚴(yán)重制約了高性能混凝土的發(fā)展[5]，對(duì)機(jī)制砂 MB 值的研究有利于控制砂的質(zhì)量，為混凝土的發(fā)展提供理論支持。

1 原材料

（1）水泥：采用磊達(dá)水泥廠生產(chǎn)的 P·O42.5 級(jí)水泥，其部分性能如表1 所示。

（2）粉煤灰：采用南通華錦粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ粉煤灰，其品質(zhì)如表2 所示。

（3）礦粉：采用南通市恒固建材科技有限公司生產(chǎn)的S95 粒化高爐礦渣粉（簡(jiǎn)稱 S95 礦粉），品質(zhì)如表3 所示。

表1 磊達(dá)水泥廠水泥部分性能指標(biāo)

表2 粉煤灰品質(zhì) %

表3 礦粉品質(zhì)

（4）細(xì)集料：機(jī)制砂細(xì)度模數(shù) 2.8，石粉含量 4.3%，表觀密度為 2690kg/m3，機(jī)制砂的級(jí)配見圖1。

（5）粗集料：粗骨料采用南京六合產(chǎn) 5～31.5mm 連續(xù)級(jí)配碎石，其級(jí)配曲線見圖2，其他性能指標(biāo)如表4 所示。

（6）減水劑：江蘇某公司生產(chǎn)的 JM-10 聚羧酸減水劑。

（7）水：采用自來水。

圖1 機(jī)制砂級(jí)配曲線

圖2 石子級(jí)配曲線

表4 粗骨料各項(xiàng)性能指標(biāo)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過石粉和泥粉對(duì)機(jī)制砂 MB 值的影響，機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土力學(xué)性能、長(zhǎng)期強(qiáng)度、彈性模量、收縮、抗凍性能的影響等幾個(gè)方面進(jìn)行了研究分析。

2.1 石粉和泥粉對(duì)機(jī)制砂 MB 值的影響

不同石粉含量的機(jī)制砂的 MB 值見表5 和圖3。

為了研究泥粉對(duì) MB 值的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)先將機(jī)制砂中石粉篩除，然后加入兩種不同塑性（A、B）的泥粉，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6 和圖4、5。

表5 不同石粉含量的機(jī)制砂的 MB 值

圖3 不同石粉含量的機(jī)制砂的 MB 值

表6 泥粉對(duì)機(jī)制砂 MB 值的影響

圖4 機(jī)制砂中泥粉含量對(duì) MB 值的影響

圖5 機(jī)制砂 MB 值與泥粉特性的關(guān)系

由圖4 和圖5 可以看出，泥粉的 MB 值與泥土的性質(zhì)有關(guān)。相同泥粉含量時(shí)，機(jī)制砂的 MB 值與液限指數(shù)、塑限指數(shù)、液塑限指數(shù)的相關(guān)性的順序?yàn)橐合拗笖?shù)＞液塑限指數(shù)＞塑限指數(shù)。因此，可以認(rèn)為機(jī)制砂中泥粉的液限指數(shù)決定著機(jī)制砂的 MB 值。

通過以上的實(shí)驗(yàn)分析表明，機(jī)制砂中石粉和泥粉兩者的性質(zhì)不能等同，適當(dāng)?shù)氖劭梢哉{(diào)節(jié)混凝土的性能，而泥粉則是有害物質(zhì)。同時(shí)機(jī)制砂的 MB 值越大，對(duì)水的吸附性越強(qiáng)。

2.2 機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

主要研究機(jī)制砂 MB 值對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)混凝土和高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的強(qiáng)度的影響，見表7。

低強(qiáng)度混凝土的具體配合比為：水泥 260kg/m3，粉煤灰60kg/m3，礦粉 65kg/m3，水 160kg/m3，聚羧酸系 JM-10 型減水劑 5.8kg/m3，碎石 1045kg/m3，機(jī)制砂 773kg/m3（包含石粉與泥粉的質(zhì)量）。

表7 機(jī)制砂 MB 值對(duì)低等級(jí)混凝土的強(qiáng)度的影響

從表7 可以看出，隨著機(jī)制砂 MB 值的增加，低等級(jí)混凝土的強(qiáng)度都出現(xiàn)了一個(gè)先略增長(zhǎng)再下降的趨勢(shì)，7d 強(qiáng)度和28d 強(qiáng)度在 MB 值為 1.05 時(shí)出現(xiàn)了個(gè)最大值，但是隨著 MB值的繼續(xù)增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降且 7d 下降的幅度要比28d 的大?？拐蹚?qiáng)度也出現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，在 MB 值為1.05 時(shí)達(dá)到了最大值，隨 MB 值的增大抗折強(qiáng)度的下降幅度更加明顯。呈現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因可能是對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土而言,其水膠比較大，易于產(chǎn)生離析泌水，泌水在粗集料表面富集，形成薄弱的界面過渡區(qū)，降低混凝土的強(qiáng)度，而 MB值的提高（泥粉的加入）改善了水泥漿體的保水性，降低了自由水在集料表面的富集，從而在一定程度上改善了混凝土界面過渡區(qū)，提高了混凝土強(qiáng)度；但另一方面，機(jī)制砂 MB值（泥粉含量）的提高，影響了水泥的正常水化，降低了混凝土中水泥石的強(qiáng)度，且泥粉的增加，也導(dǎo)致了混凝土內(nèi)部大量自由水被吸附，內(nèi)部形成更多的微裂紋，這都導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低。機(jī)制砂 MB 值兩種效應(yīng)共同作用，導(dǎo)致低強(qiáng)混凝土隨 MB 值增大，呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，且當(dāng) MB值達(dá)到一定程度時(shí)，其后一種作用更加顯著，同時(shí)對(duì)于混凝土而言，混凝土內(nèi)部裂縫對(duì)抗折強(qiáng)度劣化作用較抗壓強(qiáng)度更顯著，因此也就出現(xiàn)了隨 MB 值提高折壓比下降的現(xiàn)象。

高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的具體配合比為：水泥 440kg/m3，礦物摻合料 60kg/m3，水 160kg/m3，聚羧酸系 JM-10 型減水劑10kg/m3，石子 1077kg/m3，機(jī)制砂 718kg/m3（包含泥粉與石粉的質(zhì)量）。

表8 機(jī)制砂 MB 值對(duì)高等級(jí)混凝土的強(qiáng)度的影響

由表8 可以看出，機(jī)制砂 MB 值對(duì)高等級(jí)機(jī)制砂混凝土的早期抗壓強(qiáng)度的影響較為顯著，由于泥粉含量的增加導(dǎo)致混凝土早期抗壓強(qiáng)度的下降，但對(duì)混凝土后期抗壓強(qiáng)度沒有明顯的影響。機(jī)制砂 MB 值變化對(duì)水泥的抗折強(qiáng)度影響明顯，混凝土抗折強(qiáng)度最高降低約 15%，且抗折降低幅度略高于普通混凝土。對(duì)于高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土而言，由于高強(qiáng)機(jī)制砂膠凝材料用量較高，水膠比較低，機(jī)制砂 MB 值提高混凝土保水作用，降低界面過渡區(qū)厚度的影響效應(yīng)不明顯，而泥粉阻礙水泥水化的效應(yīng)則被較為明顯的體現(xiàn)出來。

2.3 機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響

為了研究機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響，對(duì)前述高等級(jí)強(qiáng)度混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，28d 后自然養(yǎng)護(hù)，其結(jié)果見表9 和圖6。

表9 機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響

圖6 機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響

從上述圖表可以看出，60d 前，混凝土的強(qiáng)度略增長(zhǎng)，60d 后強(qiáng)度開始出現(xiàn)倒縮， MB 值在 1.5 以后尤為明顯，且倒縮幅度較大。分析其原因是長(zhǎng)期自然養(yǎng)護(hù)的過程中，混凝土中水分缺失，內(nèi)部水化顆粒水化中止，所以強(qiáng)度略微增長(zhǎng)，且隨著 MB 值的增大，泥粉含量增加，導(dǎo)致混凝土在干燥過程中內(nèi)部裂縫加劇，造成混凝土強(qiáng)度倒縮。

2.4 機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土彈性模量的影響

為了對(duì)比研究機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝上靜壓彈性模量的影響，試驗(yàn)采用配合比為：水泥 400kg/m3，粉煤灰 60kg/m3，水160kg/m3，機(jī)制砂（包含石粉與泥粉的質(zhì)量）720kg/m3，碎石1110kg/m3，外加劑 JM-10 型 9.8kg/m3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10 和圖7。

表10 機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土彈性模量的影響

圖7 機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土彈性模量的影響

從圖7 可以看出，隨著 MB 值的增大，混凝土的彈性模量出現(xiàn)先增大又降低的趨勢(shì)，在 MB 值為 1.05 前，彈性模量略微增長(zhǎng)，在 1.05 到 1.85 之間又略微下降，1.85 之前總體變化幅度不大，但在 2.2 時(shí)急劇下降。這肯能是因?yàn)椋涸?MB 值為 1.85 之前，泥粉的含量不大，對(duì)混凝土的彈性模量影響不大，彈性模量是略微的增長(zhǎng)和下降，但當(dāng) MB 值過了 1.85 以后，泥粉的含量提高了，阻礙了水泥的正常水化，降低了水泥石的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致了混凝土彈性模量的降低。

2.5 機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土收縮的影響

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土收縮的影響，其混凝土的配合比前述高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的配比，具體為水泥 440kg/m3，礦物摻合料 60kg/m3，水 160kg/m3，聚羧酸系JM-10 型減水劑 10kg/m3，石子 1077kg/m3，機(jī)制砂 718kg/m3（包含泥粉與石粉的質(zhì)量）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表11 和圖8。

表11 機(jī)制砂 MB 值對(duì)高強(qiáng)混凝土收縮性能的影響

圖8 機(jī)制砂 MB 值對(duì)高強(qiáng)混凝土收縮性能的影響

由圖8 可以看出混凝土收縮率隨著 MB 值的增大而增大，且早期收縮顯著，這主要是因?yàn)楦邚?qiáng)機(jī)制砂混凝土水膠比較低，而泥粉的存在又吸附了大量的游離水，混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度進(jìn)一步降低，致使高強(qiáng)混凝土的自收縮加劇，最終導(dǎo)致高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土早期干縮及整體收縮加劇。

3.6 機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土抗凍性能的影響

實(shí)驗(yàn)配比仍為上述高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的配比，本實(shí)驗(yàn)采用相對(duì)動(dòng)彈模量來表征混凝土的抗凍性能，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12 機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土抗凍性能的影響

從表12 可以看出，在凍融循環(huán) 100 次以下時(shí)，機(jī)制砂MB 值對(duì)混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量的影響并不顯著，但當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到 150 次時(shí)，MB 值為 1.85 的混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量首先出現(xiàn)大幅度降低，當(dāng)凍融循環(huán)增加到 200 次時(shí)，幾乎所有的混凝土都出現(xiàn)了相對(duì)動(dòng)彈模量的顯著降低，且 MB 值越大，降低幅度越大。

對(duì)于混凝土出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因分析認(rèn)為：機(jī)制砂中泥粉為松散型，均勻分散于水泥石中，其疏松多孔的結(jié)構(gòu)容納了大量的毛細(xì)孔水，其毛細(xì)管壁的強(qiáng)度要低于正常水泥石毛細(xì)管壁，在經(jīng)受多次反復(fù)的凍融循環(huán)后，含泥粉的毛細(xì)管壁被破壞，導(dǎo)致混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量降低。

3 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)制砂中石粉含量對(duì)機(jī)制砂的 MB 值的影響不大，機(jī)制砂的 MB 值主要受機(jī)制砂中泥粉含量的影響，泥粉的液限指數(shù)決定著機(jī)制砂的 MB 值。

（2）對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土而言，隨著機(jī)制砂 MB 值的增大，混凝土的 28d 抗折強(qiáng)度、7d 和 28d 的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了先增大又降低的趨勢(shì)，且都在 MB 值為 1.05 時(shí)出現(xiàn)了最大值。對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土而言，隨著機(jī)制砂 MB 值的增加，混凝土的早期抗壓強(qiáng)度明顯下降，但 28d 強(qiáng)度影響不顯著，混凝土的抗折強(qiáng)度下降幅度較大，比低強(qiáng)度的幅度大。

（3）機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響可總結(jié)為60d 前，混凝土的強(qiáng)度略增長(zhǎng)，60d 后強(qiáng)度開始出現(xiàn)倒縮，MB 值在 1.5 以后尤為明顯，且倒縮幅度較大。

（4）隨著 MB 值的增大，混凝土的彈性模量出現(xiàn)先增大又降低的趨勢(shì)，在 MB 值為 1.05 前，彈性模量略微增長(zhǎng)，在1.05 到 1.85 之間又略微下降，1.85 之前總體變化幅度不大，但過了 1.85 后，泥粉含量的提高阻礙了水泥的正常水化，降低了水泥石的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致了混凝土彈性模量的降低。

（5）混凝土收縮率隨著 MB 值的增大而增大，且早期收縮顯著。

（6）在凍融循環(huán) 100 次以下時(shí)，機(jī)制砂 MB 值對(duì)混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量的影響并不顯著，但當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到 150 次時(shí)，MB 值為 1.85 的混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量首先出現(xiàn)大幅度降低，當(dāng)凍融循環(huán)增加到 200 次時(shí)，幾乎所有的混凝土都出現(xiàn)了相對(duì)動(dòng)彈模量的顯著降低，且 MB 值越大，降低幅度越大。

[1]吳忠偉，廉惠珍.高性能混凝土[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999.

[2]牛威.人工砂 MB 值及其對(duì)砂漿、混凝土性能影響的研究[D].北京建筑工程學(xué)院，2011.

[3]王稷良.機(jī)制砂特性對(duì)混凝土性能的影響及機(jī)理研究[D].武漢理工大學(xué)，2008.

[4]GB/T14684-2011.建筑用砂.

[5]李北星，周明凱，蔡基偉，等.機(jī)制砂中石粉含量對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土性能的影響研究[J].混凝土，2008(7): 51-54.