夏 勇 陳 哲 吳春麗 麥俊明 羅新東

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，推動了混凝土行業(yè)的飛速發(fā)展[1]，商品混凝土的需求量逐年增長，年產(chǎn)量如表1 所示。但是，砂、石、水泥等混凝土原材料的需求量也在不斷增加。資料顯示，2020 年我國水泥產(chǎn)量達(dá)到23.6 億噸，截止至2020 年11 月全國砂石產(chǎn)量約165 萬億噸。然而，經(jīng)過這些年的消耗，我國優(yōu)質(zhì)河砂越來越少，河砂資源短缺問題日益嚴(yán)重，解決河砂短缺問題已經(jīng)迫在眉睫。因此，尋找合適的細(xì)骨料置換混凝土中河砂是當(dāng)前研究的重點方向之一。

表1 商品混凝土產(chǎn)量

現(xiàn)階段我國特細(xì)砂資源相對豐富，同時，我國還有大量的超細(xì)尾礦砂資源，若采用特細(xì)砂、超細(xì)尾礦砂作為細(xì)骨料制備混凝土可緩解河砂資源短缺問題。但是，特細(xì)砂、超細(xì)尾礦砂等特細(xì)骨料相較于河砂具有細(xì)度模數(shù)小、級配差等缺點，而且超細(xì)尾礦砂中有害物質(zhì)含量高，對混凝土的配制以及混凝土的性能影響較大。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對特細(xì)骨料置換河砂配制混凝土展開了豐富的研究，本文將簡述砂率、骨料級配、特細(xì)砂摻量對混凝土配合比設(shè)計以及混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性的影響。另一方面，本文開展了關(guān)于將三膜厚度理論運用于特細(xì)骨料混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計的可能性探討，為混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計時特細(xì)骨料摻量的選取提供參考作用，同時對超細(xì)多金屬礦尾礦砂配制混凝土進(jìn)行了展望。

1 特細(xì)砂混凝土配合比設(shè)計

1.1 特細(xì)砂混凝土配合比設(shè)計影響因素

河砂作為混凝土中的細(xì)骨料，是混凝土材料的重要組成部分，主要作用為填充粗骨料間的空隙，其體積分?jǐn)?shù)一般為骨料總體積的18%～49%[2]。研究表明細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)、顆粒級配、砂率等對混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性具有重要影響[3-11]。但是，相較于天然河砂，特細(xì)砂具有粒徑更小、細(xì)度模數(shù)小、顆粒級配差、比表面積大等特點，導(dǎo)致特細(xì)砂配制的混凝土容易出現(xiàn)泌水、離析等問題[12-15]。因此，研究人員進(jìn)行了大量關(guān)于特細(xì)砂混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計影響因素的研究。

梁秋紅等[2,16,17]指出特細(xì)砂混凝土配合比設(shè)計應(yīng)滿足“三低一高一摻”的要求，即低砂率、低膠凝材料量、低坍落度、外加高效減水劑和摻粉煤灰。沈曉鈞[15]發(fā)現(xiàn)減水劑用量與粉煤灰摻量之間存在交互關(guān)系，當(dāng)粉煤灰摻量為10%～15%時，減水劑最佳用量為0.5%，粉煤灰摻量提高至20%～30%時，減水劑最佳用量為0.75%。Dan Ravina[18]試驗表明在特細(xì)砂混凝土中摻入適量粉煤灰可改善混凝土的和易性，過量摻入將導(dǎo)致和易性變差。

蒲心誠等[13]在進(jìn)行特細(xì)砂混凝土配合比設(shè)計時，根據(jù)砂率計算公式得出特細(xì)砂混凝土的砂率為30%，并提出基本技術(shù)路線：硅酸鹽水泥+活性礦物摻合料+高效減水劑。其他研究人員分別采用當(dāng)?shù)靥丶?xì)砂配制特細(xì)砂泵送混凝土，盡管試驗結(jié)果顯示最佳砂率各不相同，但一致認(rèn)為砂率設(shè)計值要盡量偏低[2,12,19]。

張武等[20]指出在混凝土中沒有規(guī)范使用特細(xì)砂將導(dǎo)致混凝土骨料級配較差，而摻入適量米粒石可改善骨料級配，有助于減少裂縫發(fā)生，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性；此外，有學(xué)者[21,22]將特細(xì)砂與粗砂進(jìn)行混摻可得到級配合理的混合砂，這是由于兩者混摻能夠有效降低河砂中粗顆粒含量，提高細(xì)顆粒含量，優(yōu)化顆粒級配。

1.2 三膜厚度理論在特細(xì)骨料混凝土配合比設(shè)計中作用的探討

針對特細(xì)骨料混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計過程中特細(xì)骨料摻量的選取，本節(jié)將探討采用三膜厚度理論為特細(xì)骨料混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計提供參考作用的可行性。三膜厚度理論指水膜厚度、泥漿膜厚度和砂漿膜厚度，通過水測緊密值法測試固體材料的填充密度[23-25]，可理論量化出三膜厚度。此法綜合考慮了固體材料間的空隙、固體材料比表面積、剩余液體體積、剩余漿體體積等因素，已有研究表明三膜厚度與混凝土的工作性能、強(qiáng)度之間有良好的聯(lián)系[26-29]。水膜厚度、泥漿膜厚度和砂漿膜厚度的理論計算公式如下所示[26]：

式中：

T1——水膜厚度（單位：μm）；

T2——泥漿膜厚度（單位：μm）；

T3——砂漿膜厚度（單位：μm）；

W1——剩余液體體積（單位：mL）；

W2——剩余泥漿體積（單位：mL）；

W3——剩余砂漿體積（單位：mL）；

A1——膠凝材料、粗骨料、細(xì)骨料的總表面積（單位：m2）；

A2——粗骨料、細(xì)骨料的總表面積（單位：m2）；

A3——粗骨料的總表面積（單位：m2）；

V1——實際使用的液體體積（單位：mL）；

V2——實際使用的泥漿體積（單位：mL）；

V3——實際使用的砂漿體積（單位：mL）；

μ——空隙比率；

Pmax——固體材料填充密度；

Mw、Mc、Ms、Mg——水、膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料的質(zhì)量（單位：kg）；

ρw、ρc、ρs、ρg——水、膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料的密度（單位：kg/m3）；

Ac、As、Ag分別為膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料的比表面積（單位：m2/m3）。

水膜厚度表示膠凝材料、細(xì)骨料和粗骨料等固體顆粒表面包裹的液體平均厚度。由于特細(xì)砂具有顆粒粒徑小、比表面積大的特點，通過觀察公式⑴、⑷、⑺、⑻和⑾可發(fā)現(xiàn)，摻入特細(xì)砂一方面會增加固體材料的總表面積；另一方面，摻入特細(xì)砂有利于改善固體顆粒級配，提高填充密度，降低固體顆粒間空隙體積，增加了剩余水量。因此，水膜厚度與特細(xì)砂摻量并非是簡單的線性變化關(guān)系，換言之，在理論上存在最佳摻量使得水膜厚度值最大，表示在該摻量下固體顆粒表面附著的自由水含量最高，即混凝土流動性最佳。因此，通過計算水膜厚度理論推導(dǎo)出混凝土流動性最佳時的特細(xì)砂摻量，可為混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考作用。

泥漿膜厚度表示粗、細(xì)骨料顆粒表面包裹的水泥漿料平均厚度。利用特細(xì)砂置換河砂配制混凝土增加了細(xì)骨料的總表面積，觀察公式⑵、⑸、⑺、⑼和⑿可得，泥漿膜厚度有減小的趨勢；但是，摻入適量的特細(xì)砂優(yōu)化了骨料的顆粒級配，提高了骨料的填充密度，骨料間空隙體積減少，用于包裹骨料表面的剩余水泥漿料體積增加，在一定程度上提高了泥漿膜厚度。因此，與水膜厚度相似，在理論上存在最佳摻量使得泥漿膜厚度值最大，而較大的泥漿膜厚度對混凝土的工作性能、強(qiáng)度、耐久性等有明顯的影響[26-27]。所以，在特細(xì)骨料混凝土配合比設(shè)計過程中，通過理論推導(dǎo)泥漿膜厚度可為混凝土的優(yōu)化設(shè)計提供輔助參考作用。

砂漿膜厚度表示粗骨料顆粒表面包裹的砂漿平均厚度。由于利用特細(xì)砂置換河砂并未改變粗骨料的體積、總表面積，分析公式⑶、⑹、⑺、⑽和⒀可知，混凝土試樣的砂漿膜厚度并無明顯變化。

綜上所述，通過理論推導(dǎo)特細(xì)骨料混凝土試樣的三膜厚度為混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計提供參考作用具有可行性，但是，滿足工程實際要求的特細(xì)骨料摻量仍需經(jīng)過試驗測試得出。

2 特細(xì)砂對混凝土性能的影響

2.1 特細(xì)砂對混凝土工作性能的影響

新拌混凝土良好的工作性能有助于混凝土的泵送、澆筑等，而特細(xì)砂自身的特性以及適宜的砂率、特細(xì)砂摻量對混凝土的工作性能具有深遠(yuǎn)影響。因此，科研工作者對此開展了廣泛的研究。

通過探索特細(xì)砂混凝土的配制技術(shù)，研究人員[13]發(fā)現(xiàn)特細(xì)砂混凝土與中砂混凝土相比，特細(xì)砂混凝土具有更佳的流動性，這是因為特細(xì)砂顆粒圓滑，在混凝土拌合物中發(fā)揮潤滑作用，加速混凝土中粗骨料的流動[30]。焦佳[2]采用邯鄲當(dāng)?shù)靥丶?xì)砂配制混凝土，試驗發(fā)現(xiàn)混凝土坍落度的主要影響因素為砂率，砂率控制為30%時較為合理。張云飛[12]試驗得出特細(xì)砂混凝土和易性達(dá)到最優(yōu)時不同強(qiáng)度等級混凝土中特細(xì)砂的最佳摻量如表2所示，鄧橋[31]發(fā)現(xiàn)當(dāng)特細(xì)砂摻量達(dá)到50%時，混凝土和易性已經(jīng)完全不能滿足施工要求。

表2 不同強(qiáng)度等級的混凝土中特細(xì)砂最佳摻量

2.2 特細(xì)砂對混凝土力學(xué)性能的影響

混凝土力學(xué)性能包括抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度等，其中，特細(xì)砂摻量、砂率對混凝土力學(xué)性能具有顯著影響。因此，研究人員開展了關(guān)于特細(xì)砂摻量、砂率與混凝土力學(xué)性能之間的研究。

張帥[32]將黃河沿岸的特細(xì)砂與機(jī)制砂混合配制特細(xì)砂混凝土，特細(xì)砂摻量分別為0%、15%、30%、45%，通過測試特細(xì)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和靜彈性模量，結(jié)果顯示抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及靜彈性模量均隨著特細(xì)砂摻量的增加先上升后下降，最優(yōu)摻量為15%。這其中主要原因是摻入特細(xì)砂降低了機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)，減小了骨料之間的空隙，提高了混凝土的密實度，強(qiáng)度增加，但摻量過高導(dǎo)致混合砂細(xì)度模數(shù)偏小，對強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。王健健[33]同樣選取黃河沿岸的特細(xì)砂與機(jī)制砂混合，系統(tǒng)研究了不同齡期下特細(xì)砂摻量對不同強(qiáng)度等級混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表3 所示。張禹[34]研究了砂率對不同齡期特細(xì)砂混凝土試件抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂率相差不大時，對混凝土28d 抗壓強(qiáng)度的影響較小，但是，較高的砂率有利于增強(qiáng)3d 抗壓強(qiáng)度。

表3 不同齡期、不同摻量對不同強(qiáng)度等級混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 特細(xì)砂對混凝土耐久性的影響

混凝土耐久性通常包括碳化、凍融、氯離子侵蝕、滲透等，耐久性對混凝土結(jié)構(gòu)的安全可靠性能具有顯著影響。因此，研究人員分析了特細(xì)砂摻量、骨料級配以及砂率對混凝土耐久性的影響。

邢文杰[35]對黃河特細(xì)砂開展了關(guān)于特細(xì)砂混凝土耐久性的研究，結(jié)果表明特細(xì)砂摻量為15%時，混凝土碳化速度和氯離子侵蝕速度都最慢，而摻量在30%時，混凝土的抗凍性最佳，這是因為摻入特細(xì)砂改善了骨料級配以及試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，有效減少了大孔徑孔隙，使得孔隙的分布更佳合理[12]。

張延毅等[22]將特細(xì)砂與粗砂混摻配制混凝土并測試其滲透系數(shù)，結(jié)果顯示，特細(xì)砂摻量在25%～50%時滲透系數(shù)顯著下降，摻量大于50%時則無明顯變化，因為特細(xì)砂與粗砂混摻優(yōu)化了顆粒級配，用于填充砂間的水泥用量減少，導(dǎo)致用水量下降，減少了水分蒸發(fā)后形成的連通孔道，提高了混凝土抗?jié)B性能。另一方面，有學(xué)者研究了滲透系數(shù)與砂率之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)砂率由17%增加至21%時，滲透系數(shù)下降明顯，繼續(xù)提高至25%時，滲透系數(shù)無明顯變化[15]。

3 特細(xì)砂配制混凝土的經(jīng)濟(jì)效益

混凝土配合比設(shè)計應(yīng)考慮工作性、強(qiáng)度、耐久性和經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，在脫離經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上設(shè)計高強(qiáng)高性能混凝土是不切合實際的。研究表明，利用特細(xì)砂配制的混凝土經(jīng)過配合比優(yōu)化設(shè)計后不僅可以滿足實際工程的需求，而且能夠節(jié)約成本，如表4 所示。因此，合理化利用特細(xì)砂以及其他特細(xì)骨料，例如超細(xì)尾礦砂，可達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的目的以及具有良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

表4 特細(xì)砂混凝土的經(jīng)濟(jì)效益

4 結(jié)論與展望

將特細(xì)砂運用于混凝土中得到廣泛的研究，并且研究成果極其可觀，而超細(xì)多金屬礦尾礦砂與特細(xì)砂物化性質(zhì)有較多相似之處，理論上將其運用于混凝土中具有可行性。但是，超細(xì)多金屬礦尾礦砂作為金屬礦浮選過程中的固體廢棄物，具有成分復(fù)雜、種類繁多等特點，而且尾礦中可能殘留有害物質(zhì)，如果存在對人體有害的放射性元素或者硫化物含量超標(biāo)則不能作為建筑材料使用，前者會影響人體健康，后者將影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性。因此，在使用前需對超細(xì)尾礦進(jìn)行有害物質(zhì)含量檢測，使其必須符合我國環(huán)保和安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

由于特細(xì)骨料具有顆粒粒徑小、比表面積大、顆粒級配差等問題，特細(xì)骨料混凝土的配合比設(shè)計與普通混凝土的配合比設(shè)計具有較大差異，因此，特細(xì)骨料混凝土的配合比優(yōu)化設(shè)計則至為重要。本文提出并探討了三膜厚度理論在特細(xì)骨料混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計過程中的可行性，為特細(xì)骨料混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計提供新思路，但不同地區(qū)特細(xì)骨料的理化性質(zhì)各異，無法確定統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，因而具體的配合比仍需根據(jù)試驗進(jìn)行調(diào)整。

我國特細(xì)砂、超細(xì)多金屬礦尾礦砂等特細(xì)骨料資源相對豐富，將其置換河砂制備混凝土可緩解河砂資源短缺問題，而且采用當(dāng)?shù)氐奶丶?xì)骨料可減少運輸成本，節(jié)約資金；另一方面，超細(xì)多金屬礦尾礦砂作為固體廢棄物來制備混凝土可達(dá)到變廢為寶、保護(hù)環(huán)境的目的，為合理處置固體廢棄物提供新方向。因此，利用特細(xì)骨料制備混凝土將具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。