董儉召，李北星，黃 安，呂敦祥

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，建設(shè)用砂需求量保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，多年的開采使一些江河水域河砂資源儲(chǔ)量急劇下降。同時(shí)，受近年來生態(tài)保護(hù)及限采、禁采政策的制約，許多地區(qū)基本無砂可采，河砂質(zhì)量日益下降，導(dǎo)致混凝土用砂供需矛盾突出。機(jī)制砂正在逐漸代替河砂成為建設(shè)用砂的主要來源。

十堰—巫溪高速公路項(xiàng)目地處鄂西北秦巴山脈東部，屬于典型的山區(qū)高速公路，建設(shè)用砂來源依賴鄖陽(yáng)漢江河砂，不僅供應(yīng)緊張，且受環(huán)水保影響，每年7—9月停采。另外，該漢江流域河砂以細(xì)砂為主，且質(zhì)量波動(dòng)大。為緩解十巫高速公路項(xiàng)目建設(shè)用砂，尤其是施工高峰期河砂資源嚴(yán)重短缺的問題，同時(shí)為資源化利用隧道開挖產(chǎn)生的大量洞渣，項(xiàng)目將隧道洞渣破碎加工成機(jī)制砂替代河砂用于混凝土工程。鄂西北秦巴山脈東部為國(guó)內(nèi)典型的變質(zhì)巖發(fā)育區(qū)，且變質(zhì)巖巖性較弱、變質(zhì)程度不一、巖石中礦物成分及含量不同[1]，項(xiàng)目沿線以黑云母石英片巖分布為主。

近年來，國(guó)內(nèi)外圍繞機(jī)制砂巖性對(duì)混凝土性能的影響進(jìn)行了一定研究[2-6]，結(jié)果表明，不同巖性的機(jī)制砂對(duì)混凝土工作性能及減水劑的適應(yīng)性影響較大，對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性也有一定影響。雖然關(guān)于機(jī)制砂混凝土的研究較多，但多局限于石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、石英巖等常見巖性機(jī)制砂，對(duì)石英片巖機(jī)制砂石骨料的研究較少。杜曉凡等[7]對(duì)黑云母石英片巖機(jī)制粗、細(xì)骨料的物理性能、堿活性、云母含量及混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了研究，認(rèn)為黑云母石英片巖可作為混凝土骨料；董海英等[8]對(duì)比研究了石英片巖與花崗巖2種骨料混凝土性能，發(fā)現(xiàn)采用石英片巖骨料混凝土的彈性模量低于同強(qiáng)度等級(jí)的花崗巖骨料混凝土，但極限拉伸值高于花崗巖骨料混凝土。

為研究鄂西北秦巴山脈東部廣泛分布的黑云母石英片巖加工的機(jī)制砂用于混凝土制備的可行性，本研究首先測(cè)定了該石英片巖機(jī)制砂的理化性能指標(biāo)，研究了機(jī)制砂的亞甲藍(lán)(MB)值、膠砂需水量比及強(qiáng)度與其石粉含量的關(guān)系，并將該機(jī)制砂與當(dāng)?shù)丶?xì)河砂摻配成混合砂用于配制C20，C30，C40強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，研究石英片巖機(jī)制砂的摻配合比例對(duì)混凝土強(qiáng)度和干縮性能的影響，以期為低品位石英片巖機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1)水泥 采用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，3，28d抗壓強(qiáng)度分別為28.0，47.5MPa，3，28d抗折強(qiáng)度分別為5.4，7.3MPa。

2)粉煤灰 采用F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，比表面積為467m2/kg，細(xì)度(45μm篩余)為22.4%，需水量比為100%，28d活性指數(shù)為89%。

3)碎石 采用5.0～31.5mm石灰?guī)r碎石，由5～10mm，10～20mm和16～31.5mm 3個(gè)粒級(jí)級(jí)配組成，搭配比例為20%，50%，30%。碎石壓碎值為18.9%，含泥量為0.6%，針片狀顆粒含量為3%。

4)河砂 采用漢江河砂，細(xì)度模數(shù)為2.2，表觀密度為2.700g/cm3，堆積密度為1.592g/cm3，空隙率為41.0%，含泥量為1.8%，堿活性為0.07%(快速堿-硅酸反應(yīng)膨脹率)，級(jí)配曲線如圖1a所示。該河砂屬于細(xì)砂，3區(qū)級(jí)配。

圖1 細(xì)骨料顆粒級(jí)配曲線

5)機(jī)制砂 十巫高速公路SWBY-2標(biāo)項(xiàng)目采用砂石干法聯(lián)產(chǎn)工藝生產(chǎn)的黑云母石英片巖機(jī)制砂，其細(xì)度模數(shù)為2.9，表觀密度為2.514g/cm3，堆積密度為1.520g/cm3，空隙率為39.5%，壓碎指標(biāo)為31.5%，亞甲藍(lán)MB值為3.85g/kg，石粉含量為12.1%，堿活性為0.08%，級(jí)配曲線如圖1b所示。從細(xì)度模數(shù)和級(jí)配曲線來看，該機(jī)制砂屬于中砂，其中2.36mm篩孔累計(jì)篩余為37.1%，超出2區(qū)砂累計(jì)篩余25%的上限范圍，其他篩孔的累計(jì)篩余符合2區(qū)砂級(jí)配要求。

6)外加劑 采用聚羧酸高效減水劑，減水劑固含量為15.75%，減水率為21.5%。

1.2 混凝土配合比

考慮到石英片巖機(jī)制砂的壓碎指標(biāo)、MB值和石粉含量3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)超標(biāo)，且機(jī)制砂中2.36mm篩孔的累計(jì)篩余超標(biāo)，本研究采用機(jī)制砂與細(xì)河砂摻配，探討混合砂配制C20，C30，C40強(qiáng)度等級(jí)混凝土的可行性，混凝土配合比如表1所示。試驗(yàn)中，C20，C30混合砂混凝土中的機(jī)制砂與河砂摻配比例從40∶60逐步遞增到70∶30，C40混合砂混凝土的機(jī)制砂與河砂摻配比例從30∶70逐步遞增到60∶40。

表1 混合砂配制不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比

為了對(duì)比，進(jìn)行1組純河砂混凝土和2組不同石粉含量純機(jī)制砂混凝土的配制。另外，為了凸顯機(jī)制砂與河砂摻配比例、石粉含量對(duì)混凝土性能的影響，強(qiáng)度等級(jí)相同的混凝土試驗(yàn)組，其膠材組成與用量、砂率和水膠比等配合比參數(shù)相同，混合砂摻配比例和石粉含量變化引起的混凝土流動(dòng)性變化通過減水劑用量調(diào)整，使所有混凝土流動(dòng)性基本保持一致，即坍落度180～220mm、擴(kuò)展度450～520mm。

1.3 試驗(yàn)方法

1)機(jī)制砂理化性能 依據(jù)GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》進(jìn)行測(cè)定，其中制取不同石粉含量的機(jī)制砂時(shí)，將機(jī)制砂中的石粉用0.075mm方孔篩全部篩出，再以3%，5%，7%，10%的含量摻入機(jī)制砂中。

2)機(jī)制砂需水量比 依據(jù)DB36/T 1153—2019《公路水運(yùn)工程混凝土用機(jī)制砂生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》附錄B機(jī)制砂需水量比試驗(yàn)方法進(jìn)行，膠砂配合比如表2所示。機(jī)制砂需水量比計(jì)算如下：

(1)

式中：X為機(jī)制砂需水量比，精確至1%；Mw為試驗(yàn)?zāi)z砂流動(dòng)度達(dá)到對(duì)比膠砂流動(dòng)度L0±2mm時(shí)的加水量(g)；對(duì)比膠砂的加水量為225g。

3)機(jī)制砂膠砂強(qiáng)度 參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行。試驗(yàn)用膠砂配合比為：水泥∶機(jī)制砂∶水=1∶3∶0.5。當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量變化時(shí)，通過調(diào)整減水劑用量控制膠砂流動(dòng)度基本相同((180±10)mm)。

表2 機(jī)制砂需水量比與試驗(yàn)配合比

4)混凝土抗壓強(qiáng)度 參照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為150mm×150mm×150mm。

5)混凝土干燥收縮 參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)采用接觸法進(jìn)行，試件尺寸為100mm×100mm×515mm，混凝土成型時(shí)預(yù)先在試件兩端中心預(yù)埋測(cè)頭。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d后開始干縮試驗(yàn)，干縮室溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為(60±5)%，干縮至90d齡期結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 機(jī)制砂的理化性能

黑云母石英片巖機(jī)制砂的化學(xué)成分為SiO260.98%，Al2O316.16%，F(xiàn)e2O35.99%，CaO 3.85%，MgO 3.19%，TiO20.70%，Na2O 3.21%，K2O 3.0%，MnO 0.14%，P2O50.14%，SO30.11%，元素?fù)p失2.40%；主要成分為SiO2和Al2O3，二者含量之和超過75%。由巖相分析可知，該機(jī)制砂母巖呈鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，主要礦物組成為石英(含量約82%)、黑云母(約12%)、綠簾石(約5%)，其他不透明礦物等含量約1%，且不含堿活性礦物，典型巖相結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 黑云母石英片巖碎石典型顯微結(jié)構(gòu)

黑云母石英片巖機(jī)制砂X-射線衍射(XRD)圖譜如圖3所示。由圖3可知，黑云母石英片巖機(jī)制砂的主要礦相有石英、鈉長(zhǎng)石、黑云母、綠泥石。

圖3 黑云母石英片巖機(jī)制砂XRD圖譜

根據(jù)機(jī)制砂的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)照J(rèn)TG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中II，III類機(jī)制砂的技術(shù)要求，可發(fā)現(xiàn)該機(jī)制砂具有高壓碎指標(biāo)、高M(jìn)B值和高石粉含量特性，其壓碎指標(biāo)為31.5%，略超過III類機(jī)制砂要求的30%；MB值遠(yuǎn)超1.4g/kg，且石粉含量為12.1%，遠(yuǎn)超III類機(jī)制砂要求的5%石粉含量限值(當(dāng)MB值>1.4g/kg時(shí))，因此可判定該機(jī)制砂屬于不合格品，按現(xiàn)行規(guī)范要求不能用于混凝土。

2.2 石粉含量對(duì)機(jī)制砂吸附性能的影響

石粉含量對(duì)機(jī)制砂MB值的影響如圖4所示。由圖4可知，石粉含量為0%時(shí)，MB值為1.0g/kg，遠(yuǎn)大于其他作者測(cè)試的石灰?guī)r、大理巖、花崗巖、片麻巖、玄武巖、石英巖、砂巖等巖性的機(jī)制砂本底MB值(0.15～0.42g/kg)[9]。分析原因可能是該石英片巖中含有綠泥石、黑云母和長(zhǎng)石等層狀鋁硅酸鹽礦物，尤其綠泥石是一種特殊的2∶1型含水層狀鋁硅酸鹽礦物，其物理吸附和陽(yáng)離子交換吸附較強(qiáng)[10-11]；另外，隨著石粉含量的增多，機(jī)制砂MB值大幅度提高，石粉含量為3%，10%的MB值較石粉含量0%時(shí)增加了35%，220%，說明該石英片巖石粉含量變化對(duì)機(jī)制砂MB值影響較大，這與已有文獻(xiàn)[10,12,13]關(guān)于純凈石粉對(duì)MB值貢獻(xiàn)不大的結(jié)論相悖。為此，參照美國(guó)AASHTO T330—07標(biāo)準(zhǔn)[14]測(cè)定該石粉的亞甲藍(lán)(MB)值為15g/kg，對(duì)照AASHTO T330—07[14]將石粉品質(zhì)分為良好、勉強(qiáng)可接受、存在或可能存在問題、不合格4級(jí)要求，該石英片巖石粉可判定為存在或可能存在問題。上述結(jié)果表明，本研究的石英片巖機(jī)制砂不僅本底吸附性較高，且其石粉的吸附性也很高，屬于高吸附性機(jī)制砂。根據(jù)圖4中機(jī)制砂MB值與石粉含量的數(shù)學(xué)關(guān)系式可推測(cè)，當(dāng)機(jī)制砂石粉含量為2.5%時(shí)，其MB值就達(dá)1.4g/kg。根據(jù)《建設(shè)用砂》要求，對(duì)于MB值大于1.4 g/kg的機(jī)制砂，其石粉含量應(yīng)控制在3%(II類砂)、5%(III類砂)以內(nèi)。

圖4 石粉含量對(duì)機(jī)制砂MB值的影響

2.3 石粉含量對(duì)機(jī)制砂膠砂需水量比和強(qiáng)度的影響

機(jī)制砂的需水性能直接影響混凝土的流動(dòng)性能，間接影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。機(jī)制砂的需水性與其巖性、吸水率、石粉含量、石粉吸附性、粒形、細(xì)度模數(shù)和顆粒級(jí)配等有關(guān)。本試驗(yàn)采用需水量比來表征機(jī)制砂的需水性能，石粉含量對(duì)機(jī)制砂膠砂需水量比的影響如圖5所示。由圖5可知，機(jī)制砂膠砂需水量比隨石粉含量的增加呈線性增加趨勢(shì)；石粉含量3%，10%時(shí)的需水量比分別為126.7%，151.1%，相比石粉含量0%時(shí)的需水量比分別增加了11.7%，36.1%，增長(zhǎng)幅度較大。這是由于該石粉的MB值高達(dá)15g/kg，對(duì)水的吸附性很強(qiáng)，其膠砂達(dá)到相同流動(dòng)度所需用水量自然就高。

圖5 石粉含量對(duì)機(jī)制砂膠砂需水量比的影響

石粉含量對(duì)機(jī)制砂膠砂強(qiáng)度的影響如圖6所示。由圖6可知，隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，膠砂3，28d的抗壓、抗折強(qiáng)度均呈先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)石粉含量超過最佳值3%后，則膠砂強(qiáng)度顯著降低，機(jī)制砂石粉含量為5%時(shí)的膠砂28d抗壓、抗折強(qiáng)度較石粉含量3%時(shí)分別降低12.0%，6.8%。機(jī)制砂中含有適量的石粉，可起到微細(xì)骨料填充作用，使膠砂的孔結(jié)構(gòu)細(xì)化并改善界面過渡區(qū)，從而提高強(qiáng)度。但由于本研究的石粉巖性是黑云母石英片巖，礦物組成中含有較多黑云母、綠泥石等層狀鋁硅酸鹽礦物，黑云母呈薄片狀，其表面光滑，因此與水泥漿的黏結(jié)性差[15]；而綠泥石是一種黏土礦物，不僅自身強(qiáng)度較低、無水化活性，且能延緩水泥的水化，并通過包裹在骨料表面而妨礙骨料與水泥石間的黏結(jié)，形成軟弱的界面過渡區(qū)[16]，上述兩方面共同導(dǎo)致黑云母石英片巖石粉含量較高的機(jī)制砂膠砂強(qiáng)度降低，且其強(qiáng)度最佳的石粉含量也遠(yuǎn)低于常規(guī)的石灰?guī)r、花崗巖機(jī)制砂砂漿強(qiáng)度10%左右的最佳石粉含量[17-19]。

圖6 石粉含量對(duì)機(jī)制砂膠砂強(qiáng)度的影響

2.4 機(jī)制砂與河砂混合比例對(duì)混凝土工作性能能和強(qiáng)度的影響

本研究通過外加劑摻量高低間接反映混凝土的需水量大小或工作性能高低。由表1可知，隨著混合砂中機(jī)制砂摻配比例的上升和石粉含量的增加，混凝土達(dá)到相同工作性能所需的減水劑摻量上升，尤其是機(jī)制砂摻配比例超過70%后，減水劑摻量大幅度增長(zhǎng)。機(jī)制砂摻配比例為50%的C20，C30，C40混合砂混凝土(M50R50)減水劑摻量分別為1.6%，1.4%，1.36%，是對(duì)應(yīng)河砂混凝土(M0R100)減水劑摻量的2.1倍、1.6倍和1.7倍，而C20，C30機(jī)制砂混凝土M100R0減水劑摻量分別達(dá)到了3.6%，3.4%，是相應(yīng)河砂混凝土M0R100減水劑摻量的4.6倍、3.8倍。機(jī)制砂或混合砂混凝土較河砂混凝土的減水劑需求量增大較多主要與黑云母石英片巖機(jī)制砂的石粉含量大及吸附性高有關(guān)。具體而言，由于石粉比表面積遠(yuǎn)大于機(jī)制砂和河砂顆粒，隨著機(jī)制砂摻配比例的增大，石粉含量增多，包裹其所需的用水量增多，且黑云母石英片巖石粉吸附性強(qiáng)，說明該石粉對(duì)減水劑和拌合水具有很高的吸附性，由此降低了減水劑和水對(duì)水泥的分散性，從而需要額外加入更多的減水劑。表1中石粉含量降為5%，3%配制的C20，C30改性機(jī)制砂混凝土MM100R0減水劑摻量是石粉含量12.1%的原狀機(jī)制砂混凝土M100R0減水劑摻量的50%，62%，證明該石粉的高吸附性對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能有嚴(yán)重的有害影響。

機(jī)制砂和河砂摻配比例對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混合砂混凝土強(qiáng)度的影響如圖7所示。由圖7可知，隨著混合砂中機(jī)制砂比例的逐漸上升，3個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土7，28d抗壓強(qiáng)度均逐漸下降。C20，C30河砂混凝土M0R100 28d抗壓強(qiáng)度分別為33.8，44.1MPa，而C20，C30機(jī)制砂混凝土M100R0 28d抗壓強(qiáng)度僅為24.8，30.3MPa，分別降低26.6%，31.3%?？紤]到上述M100R0機(jī)制砂石粉含量12.1%超標(biāo)較多，將機(jī)制砂中的石粉含量篩至標(biāo)準(zhǔn)要求的5.0%，3.0%上限值，再分別配制C20，C30改性機(jī)制砂混凝土，可以看到：石粉含量降低后的C20，C30改性機(jī)制砂混凝土MM100R0 28d抗壓強(qiáng)度增至28.8，36.8MPa，與M60R40混合砂混凝土的抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)，不過還是較C20，C30河砂混凝土M0R100 28d抗壓強(qiáng)度降低14.8%，16.6%。對(duì)于C40混凝土而言，與河砂混凝土M0R100相比，M60R40混合砂混凝土28d抗壓強(qiáng)度下降了21.6%，石粉含量降至3.0%后配制的改性機(jī)制砂混凝土MM100R0 28d抗壓強(qiáng)度下降了24.5%。

圖7 機(jī)制砂與河砂摻配比例對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混合砂混凝土強(qiáng)度的影響

就C20，C30和C40混合砂混凝土28d抗壓強(qiáng)度而言，當(dāng)混合砂中機(jī)制砂的摻比為60%，50%和40%時(shí)，其28d抗壓強(qiáng)度分別為28.3，38.8，48.9MPa，滿足相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)混凝土28d配制強(qiáng)度要求，即本試驗(yàn)條件下配制C20，C30和C40混合砂混凝土的機(jī)制砂摻配最大比例分別為60%，50%和40%，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混合砂中機(jī)制砂摻配比例下降。

2.5 機(jī)制砂與河砂摻配比例對(duì)C30混凝土干縮的影響

機(jī)制砂摻配比例對(duì)C30混合砂混凝土干縮的影響如圖8所示。由圖8可知，6組混凝土的干縮率均隨齡期的延長(zhǎng)逐漸增大，尤其是在前14d齡期干縮率呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，此后干縮增速有所減緩，當(dāng)齡期達(dá)60d后，干縮率增長(zhǎng)變得非常平緩。隨著混合砂中機(jī)制砂摻配比例的增大，同齡期的混凝土干縮率逐漸增大。機(jī)制砂混凝土M100R0、混合砂混凝土M50R50的90d干縮率分別為797.6×10-6，634.8×10-6，較河砂混凝土M0R100分別增加84.6%，46.9%。機(jī)制砂混凝土干縮較河砂混凝土偏大的原因主要為：①機(jī)制砂顆粒的壓碎指標(biāo)偏高，表明該機(jī)制砂顆粒強(qiáng)度低，對(duì)漿體收縮的限制作用減弱；②機(jī)制砂中的石粉增大了混凝土中的漿體體積，同時(shí)本研究的石粉中含有綠泥石、黑云母等黏土或類黏土礦物，吸附性高，在混凝土拌合過程中這些黏土礦物先吸附大量自由水而體積膨脹，在干燥過程自由水蒸發(fā)后使混凝土體積收縮[20]。因此，該機(jī)制砂在使用時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格限制石粉含量。

3 結(jié)語

1)黑云母石英片巖機(jī)制砂不具有堿活性，但其壓碎指標(biāo)、MB值和石粉含量3個(gè)指標(biāo)均超過標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，其MB值和膠砂需水量比顯著增大，膠砂強(qiáng)度在石粉含量超過3%后逐步降低。該機(jī)制砂含有綠泥石和黑云母等黏土或類黏土層狀鋁硅酸鹽礦物，是其具有高吸附性的主要原因。

2)黑云母石英片巖機(jī)制砂不應(yīng)直接用于混凝土的配制。采用石粉含量12.1%的原狀黑云母石英片巖機(jī)制砂配制的C20，C30混凝土減水劑摻量是河砂混凝土減水劑摻量的4.6倍和3.8倍，28d抗壓強(qiáng)度降低26.6%，31.3%。石粉含量篩至標(biāo)準(zhǔn)要求的5%，3%上限值后，改性機(jī)制砂混凝土減水劑摻量顯著降低，抗壓強(qiáng)度也有不同程度增高。

3)采用黑云母石英片巖機(jī)制砂與河砂混合可配制出C20，C30，C40強(qiáng)度等級(jí)的混合砂混凝土。隨著混合砂中機(jī)制砂摻配比例的增大，混凝土達(dá)到同等工作性能的減水劑摻量明顯增大，混凝土7d和28d抗壓強(qiáng)度逐漸下降，干縮顯著增大。對(duì)于C20，C30，C40混凝土，機(jī)制砂在混合砂中所占比例應(yīng)分別不超過60%，50%，40%。