閆光明，殷素紅，郭文昊，劉 鵬，呂 輝

華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641

隨著廣東省對河砂開采進(jìn)行大規(guī)模限制，河砂產(chǎn)量已難以滿足建設(shè)工程的使用需求，機制砂代替河砂已成為必由之路．將采石場廢石屑(行業(yè)內(nèi)俗稱石粉)加工處理制成機制砂(俗稱人工砂)，用來取代河砂用于配制混凝土和砂漿，這樣既可以解決建筑用砂短缺和廢石屑環(huán)境污染問題，又提高了資源利用率，社會綜合效益顯著，具有極大的推廣意義．

廣東省采石場主要的巖石類別有花崗巖、砂巖和石灰?guī)r，其中以花崗巖為主，砂巖和石灰?guī)r較少．目前廢石屑主要用于路基填充材料，利用價值很低．其中石灰?guī)r開采的廢石屑更多的被加工為附加值更高的石灰石粉，用于水泥混合材及混凝土和砂漿摻合料；花崗巖廢石屑的數(shù)量最多，除用于路基填料外，一些混凝土攪拌站直接將其當(dāng)做細(xì)骨料來使用．因此，對花崗巖機制砂使用方面的研究較多，而對砂巖廢石屑制成機制砂用于混凝土的研究較少[1]．不同母巖機制砂的性質(zhì)有所差異，機制砂與河砂在顆粒特性上的不同是影響機制砂混凝土性能的主要原因，本文擬對砂巖機制砂的顆粒特性及其配制的混凝土性能進(jìn)行探討．

1 試驗方法與材料

1.1 試驗材料

試驗所用的水泥為華潤水泥平南有限公司生產(chǎn)的P ?Ⅱ42.5R水泥，其化學(xué)成分與抗壓強度列于表1．

表1 水泥的化學(xué)成分與抗壓強度

細(xì)集料河砂產(chǎn)自廣東西江，三種級配和細(xì)度模數(shù)不同的砂巖機制砂產(chǎn)自廣東清遠(yuǎn)，其主要參數(shù)如表2所示．

粗集料為花崗巖碎石(產(chǎn)地博羅)，規(guī)格為5～25 mm．粉煤灰為大唐寧德火電廠的F類Ⅱ級灰．外加劑為廣東博眾建材公司生產(chǎn)的BOZ-3001高效緩凝減水劑，減水率為25.1%．

表2 細(xì)集料主要參數(shù)

1.2 實驗方法

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》GB/T 14684-2011對機制砂的各項指標(biāo)進(jìn)行檢測，參考標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂流動度測試方法》GB/T 2419-2005測定機制砂拌制砂漿的需水量與流動度．采用OLYMPUS SZX10體視顯微鏡(放大倍數(shù)10倍)對河砂與機制砂的表面形貌進(jìn)行觀察．

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ55-2011配制C35P8、坍落度150～180 mm的混凝土．以天然河砂為基準(zhǔn)進(jìn)行配合比設(shè)計(記為試樣A)，然后以砂巖機制砂完全替代河砂(記為試樣B)，同時以砂巖機制砂為基準(zhǔn)再進(jìn)行配合比設(shè)計并適當(dāng)增加減水劑用量(記為試樣C)．三組混凝土配合比列于表3．

表3 河砂和砂巖機制砂混凝土配合比

Table 3 Sand and sandstone mechanism sand concrete mix ratio

編號水泥∶砂∶石∶水∶粉煤灰∶外加劑A(天然砂)1∶2.24∶3.36∶0.57∶0.32∶0.010B(機制砂)1∶2.24∶3.36∶0.57∶0.32∶0.010C(機制砂)1∶2.31∶3.45∶0.57∶0.32∶0.014

混凝土工作性能測試和力學(xué)性能測試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT 50080-2016進(jìn)行；混凝土抗?jié)B性能測試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT 50082-2009中的RCM法和電通量法．

用EVO18型掃描電子顯微鏡，觀察混凝土樣品的表面形貌．用Auto Pore IV 9500型高性能全自動壓汞儀，測試混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)．

2 結(jié)果與討論

2.1 砂巖機制砂的顆粒特性

機制砂與河砂在顆粒特性上的不同是其影響混凝土性能的主要原因，主要是顆粒粒形、級配和石粉含量等影響砂的堆積空隙率，從而影響新拌混凝土的性能．

2.1.1 砂巖機制砂的粒形

通過體視顯微鏡分別觀察了不同單粒級(4.75～2.36，2.36～1.18，1.18～0.6和0.6～0.3 mm)的河砂與砂巖機制砂的粒形，如圖1所示．

從圖1可以看出：由于經(jīng)過流水的沖刷，河砂表面光滑圓潤，棱角被鈍化，球形度較高；而砂巖機制砂是機械破碎而成，表面粗糙度較大，表面形貌較為復(fù)雜，粒形不規(guī)則、棱角多，明顯可以看出附著的石粉．球形度高且圓滑的表面有助于在拌合的時候形成良好的流動性，河砂中多為半透明的石英顆粒，主要成分為SiO2，與水泥有良好的相容性[2]．機制砂表面粗糙、多棱角使其有比天然砂更大的比表面積，對水的吸附能力更強，使混凝土拌合物的流動性能變差，相同流動度下比河砂需要更多用水量[3]；但是卻有利于與水泥漿料的結(jié)合[4]，對力學(xué)性能有利，故使用機制砂時需要平衡兩者的關(guān)系．

圖1 河砂與砂巖機制砂顆粒粒形(a1)～(a4)分別為粒度4.75～2.36，2.36～1.18，1.18～0.6和0.6～0.3 mm的河砂；(b1)～(b4)分別為粒度4.75～2.36，2.36～1.18，1.18～0.6和0.6～0.3 mm的機制砂Fig.1 River sand and sandstone mechanism sand particle shape(a1)～(a4) are river sands with particle sizes of 4.75～2.36, 2.36～1.18, 1.18～0.6 and 0.6～0.3 mm, respectively; (b1)～(b4) are Mechanism sands with particle sizes of 4.75～2.36, 2.36～1.18, 1.18～ 0.6 and 0.6～0.3 mm.

2.1.2 砂巖機制砂的級配

生產(chǎn)機制砂過程中可調(diào)控其顆粒級配，使其質(zhì)量可控，這是機制砂相較于河砂的優(yōu)勢所在，砂的顆粒級配越好，堆積更緊密，空隙率越小[5]，拌制混凝土?xí)r需水量越少，達(dá)到相同流動度要求下可減少混凝土的用水量，使混凝土微觀結(jié)構(gòu)越致密，可提高混凝土強度和耐久性能．不同的生產(chǎn)工藝或生產(chǎn)控制不到位，會影響機制砂的級配．

表4比較了河砂與a，b和c三個機制砂試樣的級配．由表4可知，與河砂相比，機制砂中大于1.18 mm和小于0.15 mm的顆粒含量較多，而0.60～0.15 mm的顆粒含量較少，表現(xiàn)出“兩頭大中間小”的級配．

表4 砂的顆粒級配和細(xì)度模數(shù)

2.1.3 砂巖機制砂的石粉含量

砂中粒徑小于75 μm的顆粒，在河砂中為含泥量，在機制砂中主要是石粉.眾所周知，若河砂中含泥量偏高，由于泥粉吸水，吸附減水劑能力強，體積穩(wěn)定性差，對混凝土強度尤其是抗拉強度、干縮、徐變及耐久性能等都會產(chǎn)生不利的影響．但機制砂中石粉細(xì)顆粒的作用有所不同，石粉起到微細(xì)集料的作用，可以減少混凝土的孔隙，形成致密結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土強度和耐久性，所以一定的石粉含量是有利的，故國家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》GB/T14684的2011版中對機制砂的石粉含量限定值比2001版放寬了，為不大于10%．

河砂和機制砂的空隙率和石粉含量列于表5．由表5可知，三種機制砂的石粉含量在3%～7.5%范圍不等，在生產(chǎn)過程中可以調(diào)控，建議石粉含量在5%～10%范圍．

級配不佳，砂的堆積空隙率會增大，對比三種級配不同的機制砂，由表5還可以發(fā)現(xiàn)，機制砂a的堆積空隙率最大為44%，即細(xì)集料顆粒間堆積密實度低，對新拌混凝土的工作性能不利，需要增加水泥漿的用量．

從以上對砂巖機制砂顆粒特性的分析可知，其顆粒表面粗糙、棱角較多，偏于“兩頭大中間小”的級配，細(xì)顆粒石粉含量相對較多，這些均會增大其需水性，使混凝土的流動性能變差，表6參考標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂流動度測試方法》，對河砂、機制砂配制的砂漿流動度與用水量進(jìn)行比較．

表5 砂的空隙率和石粉含量

表6 河砂與機制砂配制的砂漿流動度與用水量比較

由表6可以看出，與河砂相比，相同用水量下機制砂配制的砂漿的流動度較差,流動度比在70%～80%左右；而要達(dá)到相同流動度，機制砂配制的砂漿用水量要高出13%～22%，可以預(yù)見拌制混凝土?xí)r也會增加混凝土的用水量．建議生產(chǎn)時調(diào)控機制砂的級配及石粉含量，將砂漿的用水量比控制在120%以內(nèi)．

2.2 砂巖機制砂混凝土的性能

選取堆積空隙率與河砂相近的機制砂c配制混凝土，探討砂巖機制砂對混凝土性能及混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響．

2.2.1 混凝土的性能

按照表2配制的A，B和C三組混凝土的工作性能、力學(xué)性能、抗氯離子滲透性能的結(jié)果如圖2至圖4所示．

圖2 河砂與機制砂混凝土的工作性能Fig.2 Performance of river sand and machined sand concrete

從圖2可見，相同配合比時以機制砂替代河砂，混凝土A和B的坍落度差異不大，但擴(kuò)展度分別為480和360 mm，差異較大．這是由于坍落時重力作用較大，坍落速率較快，差異體現(xiàn)不出來，而坍落后繼續(xù)擴(kuò)展流動，顆粒粒形對流動阻力的影響就體現(xiàn)出來，機制砂混凝土的擴(kuò)展度更小．而經(jīng)過配合比優(yōu)化設(shè)計并適量增加減水劑用量的混凝土C，可達(dá)到與河砂配制的混凝土相同的工作性能．

從圖3可以看出，相同配合比下以機制砂替代河砂時，機制砂混凝土B比河砂混凝土A的7和28天的抗壓強度均有較大程度地提高，表明機制砂由于表面粗糙棱角多，粘結(jié)能力強，提高混凝土的強度的作用明顯．以河砂及機制砂設(shè)計相同強度等級混凝土?xí)r，集灰比有所增大，水泥用量有所減少，可以節(jié)約成本．實測機制砂混凝土7天強度仍比河砂混凝土要高，這是因為集灰比增大，集料增多，表面積增加，吸收了部分潤濕水，降低了有效水灰比，使水泥漿體密實；同時水泥漿數(shù)量減少，混凝土內(nèi)的總孔隙體積減少所致．而28天機制砂混凝土的強度與河砂混凝土相當(dāng)．

圖3 河砂與機制砂混凝土的抗壓強度Fig.3 Compressive strength of river sand and machined sand concrete

圖4 河砂與機制砂混凝土的抗氯離子滲透性能(a)RCM法；(b)電通量法Fig. 4 Resistance to chloride ion penetration of river sand andmachined sand concrete(a) RCM method; (b) electric flux method

從圖4可見，無論是相同配合比下以機制砂替代河砂，還是經(jīng)配合比設(shè)計為相同強度等級的河砂混凝土與機制砂混凝土，機制砂混凝土的RCM法氯離子遷移系數(shù)和電通量都要小于河砂混凝土，即機制砂混凝土的抗氯離子滲透性能更好．這是因為選取的機制砂C的堆積空隙率與河砂相同，相同配合比下，由于機制砂的粘結(jié)能力更強，石粉含量更多，有利于提高混凝土的密實度[6]．而相同設(shè)計強度等級下，機制砂混凝土配合比的集灰比更大，如前文所述會使混凝土內(nèi)的總孔隙體積減少．

2.2.2 混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

通過掃描電鏡對A和B兩組混凝土進(jìn)行微觀形貌分析，如圖5所示．從圖5可以明顯看出，河砂混凝土中的砂粒與水泥漿的粘結(jié)力不夠強，在抽真空制樣過程中砂粒與水泥漿之間形成裂縫，而機制砂混凝土中的砂粒與水泥漿結(jié)合得非常緊密，這表現(xiàn)在宏觀性能中更高的強度與抗?jié)B性能[7]．

對A和B兩種混凝土進(jìn)行壓汞法測試其孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果如表7和圖6所示．

圖5 河砂和機制砂混凝土的掃描電鏡照片(a1)～(a2)河砂；(b1)～(b2)機制砂Fig.5 Scanning electron micrograph of river sand and machined sand concrete(a1)～(a2) river sand; (b1)～(b2) machine sand

試樣平均孔徑/nm孔隙率/%孔徑(>10000nm)占比/%孔徑(100～10000nm)占比/%孔徑(0～100nm)占比/%混凝土A20.418.53.219.577.3混凝土B17.714.63.6%15.4%81.0

圖6 河砂與機制砂混凝土的孔結(jié)構(gòu)(a)累計孔體積曲線；(b)孔徑分布曲線Fig.6 Pore structure of river sand and machined sand concrete(a) cumulative pore volume curve; (b) pore size distribution curve

由表7可以看出：相同配合比下，河砂混凝土的孔隙率為18.5%，機制砂混凝土的孔隙率為14.6%，孔隙率越低其結(jié)構(gòu)更加致密，宏觀上表現(xiàn)出更高的抗壓強度，與抗壓強度試驗結(jié)果相一致；機制砂混凝土的平均孔徑為17.7 nm，略低于河砂混凝土的20.4 nm．

混凝土中0～100 nm和100～10000 nm的孔隙是影響離子滲透的主要因素[8]．從圖6可見，機制砂混凝土中影響離子滲透的孔隙的絕對體積均小于河砂混凝土，且機制砂混凝土的平均孔徑也低于河砂混凝土，故其抗氯離子滲透性能更好．

2.3 砂巖機制砂混凝土在實際工程中的試用

上述研究表明，采用與河砂質(zhì)量相近的砂巖機制砂配制的強度等級為C35的混凝土，其各項性能均能達(dá)到設(shè)計要求．在此基礎(chǔ)上，針對廣州地鐵實際工程，采用機制砂配制了不同強度等級的混凝土，驗證其配合比及混凝土性能，并在地鐵工程中進(jìn)行試用．表8為采用某混凝土攪拌站的實際原材料設(shè)計的機制砂混凝土配合比，表9為混凝土各項性能．

表8 實際工程用砂巖機制砂混凝土配合比

表9 實際工程用砂巖機制砂混凝土性能

由表9結(jié)果可知：采用機制砂配制出不同強度等級的混凝土，其工作性能均在設(shè)計坍落度150～180 mm的范圍，滿足了現(xiàn)場施工的正常使用；混凝土的7d與28d抗壓強度均達(dá)到混凝土配制強度要求；混凝土的電通量與RCM法氯離子遷移系數(shù)與圖4中河砂混凝土的結(jié)果相近．

3 結(jié) 論

(1)砂巖機制砂的顆粒特性為表面粗糙、棱角較多，偏于“兩頭大中間小”的級配，石粉含量相對較多，這些均會增大其需水性，使混凝土的流動性能變差．建議生產(chǎn)時調(diào)控機制砂的級配及石粉含量，與河砂配制的砂漿相比將用水量比控制在120%以內(nèi)．

(2)采用與河砂堆積空隙率相同的砂巖機制砂配制C35強度等級的混凝土，相同配合比下以機制砂取代河砂，混凝土的坍落擴(kuò)展度變小，但7 d和28 d抗壓強度明顯更高；經(jīng)配合比設(shè)計為相同強度等級的混凝土，機制砂混凝土的集灰比有所增大，水泥用量有所減少，可節(jié)約成本，通過適當(dāng)增加減水劑摻量機制砂混凝土的工作性能與河砂混凝土相同，機制砂混凝土的7 d抗壓強度更高，28 d抗壓強度與河砂混凝土相當(dāng)．

(3)機制砂混凝土中砂粒與水泥漿結(jié)合得非常緊密，同時混凝土中孔隙率下降，孔徑細(xì)化，平均孔徑減小，混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加致密，使得機制砂混凝土有更高的強度與抗氯離子滲性能．

(4)針對廣州地鐵實際工程，采用機制砂配制C20～C35不同強度等級的混凝土，其各項性均能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求．