黄志刚 陈敦法 陈 倩 吴大勇 张凌强 李北星

(1.湖北交投翻坝江北高速公路有限公司 宜昌 443106； 2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

随着天然砂资源约束趋紧和环境保护要求日益增强，机制砂正在逐渐代替河砂成为建设用砂的主要来源[1]，但是，机制砂的品质对于其良好的使用非常关键，因为细骨料的质量不仅直接影响新拌混凝土的工作性、混凝土的浆骨比，最终还影响混凝土力学性能和耐久性。而机制砂的品质很大程度上取决于母岩的物理性能、加工工艺和机械设备等因素[2-3]。机制砂生产过程中的破碎方式、制砂设备和除粉方式的不同，会导致机制砂颗粒级配、粒形、石粉含量及亚甲蓝(MB值)的不同。与河砂相比，机制砂易出现的品质问题主要有：机制砂颗粒级配不良、细度模数偏大或偏小，石粉含量过高或过低，含泥量高、亚甲蓝值过大，针片状颗粒、不规则尖锐颗粒多等，而这些特性对混凝土力学性能有很大影响[4]。另外，部分母岩岩石中含的硫化物、氯化物和云母等有害物质超标。云母为常见的造岩矿物之一，高云母含量岩石在人工料源中常见，譬如，三峡工程基岩开挖料闪云斜长花岗岩，黑云母含量(质量分数，下同)高达10%～15%[5]，轧制的人工砂黑云母含量约7%，远超出标准规定值2%，最后不得不弃用，另找下岸溪料场花岗岩轧制人工砂。

三峡翻坝江北高速公路第一合同段位于湖北省夷陵区境内山岭重丘区，桥隧工程所有混凝土均采用本标段隧道开挖的花岗岩洞渣自加工的机制砂石料进行配制。针对用于C50混凝土的花岗岩洞渣机制砂相关指标优化的问题，本文将着重研究机制砂的细度模数、石粉含量和黑云母含量3个品质指标对混凝土工作性能和力学性能的影响，以期为实际工程应用提供指导和依据。

1 试验

1.1 原材料

1) 水泥。葛洲坝三峡牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，3，28 d抗压强度分别为27.2，47.6 MPa。

2) 粉煤灰。华能岳阳电厂F类I级粉煤灰，细度(45 μm方孔筛筛余位6.8%)，烧失量5.3%，需水量比93%。

3) 粗集料。三峡翻坝江北高速公路一标自产花岗岩碎石，由4.75～9.5 mm和9.5～19 mm按比例搭配成连续级配。碎石表观密度2 798 kg/m3，吸水率1.1%，含泥量0.75%，压碎值19.2%。

4) 细集料。三峡翻坝江北高速公路一标自产花岗岩机制砂，该机制砂与碎石采用砂石联产湿法工艺生产，工艺流程为：振动给料机(除土给料)→颚式破碎机(粗碎)→圆锥式破碎机(中碎制碎石)→立轴式冲击破碎机(细碎制砂)→轮式洗砂机(洗砂)。表1为机制砂主要性能指标。

表1 机制砂主要性能指标

由表1可见，该机制砂性能满足JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》 I类机制砂技术要求。

5) 石粉。上述自产花岗岩机制砂经球磨机磨细制得的花岗岩石粉，比表面积为327.5 m2/kg。石粉的XRD图谱见图1。由图1可知，石粉主要矿物相为石英和钾长石。

图1 石粉XRD图谱

6) 黑云母。从上述自产花岗岩机制砂中人为拣出的黑云母，其外观和XRD图谱分别见图2、图3。

图2 黑云母外观

图3 黑云母XRD图谱

7) 外加剂。为湖北天安聚羧酸高性能减水剂，含固量23%，减水率27%，含气量3.1%。

1.2 试验方法

机制砂混凝土工作性试验按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行；力学性能试验按GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，抗压、抗折强度试件尺寸分别为150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×400 mm，弹性模量试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm。

机制砂需水量比依据JG/T 568-2019《高性能混凝土用骨料》附录E进行。机制砂水泥砂浆的强度试验参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行，砂浆配合比为m(水泥)∶m(机制砂)∶m(水)=1∶3∶0.5，并通过添加减水剂使不同云母含量的机制砂砂浆跳桌流动度达到(180±2) mm，砂浆强度试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

2 试验结果与分析

2.1 花岗岩机制砂细度模数对混凝土性能的影响

2.1.1不同细度模数花岗岩机制砂的制备

A砂为花岗岩机制砂原砂，其细度模数为3.0。将A砂中粒径小于0.3 mm的颗粒筛出，并按11%，26%和45%的比例掺入A砂中，由此得到细度模数分别为2.8，2.6和2.3的B、C和D 3种机制砂。A、B、C、D 4种机制砂的筛分对比结果见表2，级配曲线见图4。

表2 不同细度模数的机制砂级配

图4 4种细度模数的机制砂级配曲线

由图4可见，4种砂的石粉含量在3%～6%之间，MB值在0.8～1.2之间。其中A砂和B砂在2区级配范围，C砂和D砂中0.3 mm筛孔的累计筛余低于2区级配70%的最低限值。

表3为细度模数3.0,2.8,2.6,2.3的4种花岗岩机制砂的C50混凝土配合比。人工调整外加剂掺量，使混凝土达到基本相同的坍落度(200±20) mm和扩展度(500±30) mm。

表3 不同细度模数花岗岩机制砂C50混凝土配合比

2.1.2机制砂细度模数对混凝土工作性的影响

由表3可知，在用水量不变的情况下，随着机制砂细度模数的减小，混凝土达到相同或相近的流动性所需要减水剂用量增加。细度模数2.3的机制砂较细度模数3.0机制砂配制的混凝土其减水剂掺量同比提高了0.2%。这是由于当细度模数从3.0降低到2.3时，粒径较小的砂颗粒占据大多数，级配不良，颗粒表面所需用水量随之增加；而当细度模数逐渐增大时，各种大小不同粒径的砂颗粒搭配均匀，颗粒堆积密实而降低空隙率，使得自由水增多，从而拌和水或减水剂用量减少[6]。

2.1.3机制砂细度模数对混凝土力学性能的影响

图5为机制砂细度模数对混凝土抗压、抗折强度和弹性模量的影响。

图5 机制砂细度模数对混凝土力学性能的影响

由图5可见，随着机制砂的细度模数从3.0降至2.3，混凝土的抗压、抗折和弹性模量均呈先增后降趋势，在细度模数为2.8时，3个力学性能指标值达到最大，且细度模数2.8和3.0的机制砂配制的混凝土力学性能差异不显著；但当细度模数降低到2.3时，机制砂混凝土的28 d龄期抗压、抗折强度与28 d弹性模量较细度模数3.0时降幅非常显著，分别降低了23%，19%和20%。细度模数3.0～2.8的机制砂中，不仅有着较多粒径较小的细砂颗粒用来填充细集料空隙，且有足够的粗砂颗粒与粗集料之间形成骨架结构[7]，从而增强了混凝土的力学性能。而当机制砂细度模数下降到2.3时，其中的粒径0.3 mm以下的细砂颗粒数量过多，达到45.6%(见表2)，砂颗粒的总比表面积增大，砂颗粒间空隙增多，水泥浆体不足以填充砂颗粒空隙，引起砂浆密实度下降、机制砂与水泥浆体界面缺陷增多，导致混凝土力学性能降低。

2.2 花岗岩机制砂石粉含量对混凝土性能的影响

2.2.1石粉含量对机制砂混凝土工作性的影响

表4为石粉含量3%，5%，7%，9%的机制砂C50混凝土配合比与工作性试验结果。

表4 不同石粉含量花岗岩机制砂混凝土配合比与工作性能

由表4可见，在同等胶材和水用量情况下，随着机制砂中石粉含量增大，混凝土达到同等工作性所需减水剂用量随之增多，石粉含量9%时较3%的机制砂的混凝土减水剂掺量提高了0.3%。这主要是由于粒径小于0.075 mm的石粉颗粒其比表面积远高于机制砂颗粒，当机制砂中石粉含量增加时，意味着包裹其所需的用水量增大，浆体的黏滞性增加，从而需增大减水剂用量[8]。另外，石粉颗粒对减水剂的吸附作用也会降低减水剂的减水效果，随石粉含量增大，减水剂被石粉吸附的数量也增多。

2.2.2石粉含量对机制砂混凝土力学性能的影响

图6为石粉含量对花岗岩机制砂混凝土力学性能的影响。

图6 机制砂石粉含量对混凝土力学性能的影响

由图6a)可见，机制砂混凝土的抗压强度随石粉含量的增大而逐步增加，石粉含量9%时较3%的机制砂其混凝土的7，28 d抗压强度分别提高了8.9%和10.8%。这主要是因为石粉作为微细集料起到了填充空隙的作用，致密了混凝土结构[9]。

图6b)显示，随着石粉含量增大，机制砂混凝土的抗折强度呈先增后减趋势，当石粉含量5%时抗折强度最大。其主要原因是：机制砂中适量的石粉可以完善机制砂的级配，增加混凝土的黏聚性而减少泌水尤其是内泌水，由此密实混凝土结构，改善界面过渡区微结构，从而提高抗折强度；但过量的石粉会以游离态的状态出现在界面过渡区内，引起浆体-集料黏结性能变差，降低抗折强度。

由图6c)可见，随石粉含量增加，机制砂混凝土弹性模量增大，与抗压强度随石粉含量的变化趋势一致。与石粉含量3%时相比，石粉含量9%的机制砂混凝土7，28 d弹性模量分别增大了13.2%和11.1%。石粉含量对机制砂混凝土弹性模量的影响与两方面作用有关：①石粉对混凝土抗压强度的提高作用有助于增大弹性模量；②石粉含量的增加使得浆体体积增多，从而增大了浆体和集料的体积比，将降低混凝土弹性模量。本试验中机制砂混凝土弹性模量随石粉含量增加而增大，说明当花岗岩机制砂中石粉含量在9%以内对弹性模量的影响以增强的正作用为主。

2.3 花岗岩机制砂黑云母含量对砂浆性能的影响

2.3.1黑云母含量对机制砂需水量比的影响

原状花岗岩机制砂中的黑云母含量为1.2%。人为掺入从机制砂中拣出的黑云母，研究黑云母含量对机制砂需水量比的影响，试验用配合比及结果见表5。

表5 黑云母含量对花岗岩机制砂需水量比影响配合比

由表5可见，随着机制砂中黑云母含量的增加，机制砂的MB值逐渐增大。黑云母含量为1.2%，3.0%，4.5%的机制砂其需水量比分别为108%，116%，127%，说明黑云母含量增加显著提高了机制砂的需水性。这是因为黑云母多为薄片形状，具有相对较大的比表面积，浸润单位比表面积需要更多的水分，因此机制砂需水量比增大[10]。

2.3.2黑云母含量对机制砂砂浆力学性能的影响

由于大量黑云母获取较难，所以以机制砂砂浆代替混凝土为对象，研究黑云母含量对混凝土强度的影响，其结果见图7。由图7可见，黑云母含量在1.2%～4.5%之间的花岗岩机制砂砂浆7，28 d抗压和抗折强度均低于标准砂砂浆，且随着机制砂中黑云母含量增加，砂浆的抗压、抗折强度逐步下降，黑云母含量4.5%的机制砂砂浆28 d抗压强度相比黑云母含量1.2%时下降了16%，28 d抗折强度下降了8.5%。这是由于黑云母常以薄片状态存在，具有较差的粒形和解理，导致黑云母颗粒与水泥浆基体之间的黏结强度降低，并在其四周生成胶结薄弱带，使得机制砂砂浆内部分布不均匀，当黑云母含量增加时，局部缺陷区域会产生应力集中现象[11]，从而由局部区域破坏导致整体破坏，最终使得机制砂砂浆力学性能下降。因此，应严格限制机制砂中云母含量。

图7 黑云母含量对花岗岩机制砂砂浆强度的影响

3 结论

1) 随着机制砂细度模数从3.0降到2.3，C50混凝土达到同等工作性所需要的减水剂用量增大，力学性能呈先增后降趋势，当机制砂颗粒级配为2区、细度模数2.8时，C50混凝土的抗压、抗折强度和弹性模量达到最大值，当机制砂的细度模数降为2.3,0.3 mm筛孔以下颗粒过多时，混凝土的上述力学性能指标显著降低。

2) 随着机制砂石粉含量从3%增加到9%，C50混凝土达到同等工作性所需的减水剂掺量增加，抗压强度和弹性模量逐渐增大，抗折强度呈先增后降趋势，当石粉含量5%时抗折强度达到最大值。

3) 随着花岗岩机制砂中黑云母含量从1.2%增加到4.5%，机制砂需水量比增加，机制砂砂浆7 d和28 d的抗压、抗折强度均下降，因此对机制砂中的黑云母含量应予以严格限制。