郭猛，楊杰，黃鵬宇，高超，夏京亮

（1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045；4.國家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

0 引言

隨著我國建設(shè)行業(yè)的飛速發(fā)展，可供開采的天然砂資源日益緊缺，加上環(huán)保政策對砂石開采的限制，很多地方出現(xiàn)了建設(shè)用砂供不應(yīng)求的現(xiàn)象，用機(jī)制砂逐步替代天然砂已是大勢所趨[1]。生產(chǎn)機(jī)制砂過程中，會產(chǎn)生10%～20%粒徑小于75 μm 的微粉[2]，巖石破碎過程中不可避免的會帶有一些存在于巖石夾層或者巖石空隙等地方的泥土雜質(zhì)，所以產(chǎn)生的微粉中除了和母巖化學(xué)成分相同的巖石粉，還有一部分則是以黏土礦物為主要成分的泥粉[3]。石粉與泥粉的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)存在較大差異，在混凝土中的作用也有所不同[4]。粒徑較小的石粉和泥粉都具有填充效應(yīng)，可以填充空隙，而泥粉具有很強(qiáng)的吸附效應(yīng)，主要成分以黏土礦物為主。黏土礦物是含水層狀鋁硅酸鹽類礦物的總稱，它是八面體鋁酸鹽層（AlO6）夾在2層四面體硅酸鹽層（SiO4）間組成的二維層狀結(jié)構(gòu)[5-6]，這種層狀結(jié)構(gòu)使得黏土內(nèi)部存在大量空隙，黏土比表面積增大，同時(shí)Al3+離子能與水作用形成膠體顆粒[7]，所以黏土能吸附較多的水分子；黏土中高價(jià)陽離子（如Al3+、Si4+）被低價(jià)陽離子（Ca2+、Mg2+等）取代而帶負(fù)電，對陽離子有較強(qiáng)的吸附能力，所以相較于石粉，泥粉對水分子和減水劑分子的吸附性強(qiáng)，已有的研究表明，若微粉中的泥粉含量過高，會對混凝土拌合物的工作性、混凝土強(qiáng)度及其耐久性造成不利影響[8-9]，所以在機(jī)制砂生產(chǎn)過程中，應(yīng)注意控制微粉中泥粉的含量。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，如GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》和JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》，把機(jī)制砂生產(chǎn)過程中粒徑小于75 μm 的顆粒定義為石粉，同時(shí)用亞甲藍(lán)值（MB）作為判斷石粉吸附性的指標(biāo)。亞甲藍(lán)分子在溶液中帶有正電荷[10-11]，具有陽離子吸附性的泥粉對亞甲藍(lán)的敏感度很高，所以亞甲藍(lán)值作為吸附性能指標(biāo)可以在一定程度上反映石粉中泥粉的含量。生產(chǎn)花崗巖機(jī)制砂過程中會產(chǎn)生大量的花崗巖石粉，機(jī)制砂中的石粉含量和石粉中的泥粉含量都會影響混凝土的性能。目前，國內(nèi)外在花崗巖機(jī)制砂石粉含量對混凝土性能的影響方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)[11-12]，但缺乏關(guān)于石粉吸附性對混凝土性能影響的研究。

為研究花崗巖機(jī)制砂石粉MB 值對混凝土性能的影響，本試驗(yàn)固定機(jī)制砂石粉含量為10%，通過調(diào)整純石粉和黏土石粉比例改變MB 值，從而研究石粉MB 值對石粉流動度以及對C30、C50 混凝土工作性、抗壓強(qiáng)度、電通量和抗碳化性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：金隅冀東產(chǎn)P·O42.5 水泥，初、終凝時(shí)間分別為130、175 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27%，3、28 d 抗壓強(qiáng)度分別為26.5、51.6 MPa。

機(jī)制砂：水洗花崗巖機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.8，Ⅱ區(qū)中砂，壓碎值15.4%，飽和面干吸水率1.2%，MB 值為0.6 g/kg。

石粉：純石粉為水洗機(jī)制砂經(jīng)實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)磨細(xì)后篩除大于75 μm 的細(xì)顆粒得到，其MB 值為1.9 g/kg；黏土石粉為生產(chǎn)機(jī)制砂的礦山山皮土經(jīng)試驗(yàn)室球磨機(jī)磨細(xì)后篩除大于75 μm 的細(xì)顆粒得到。將純石粉和黏土石粉混合摻加到機(jī)制砂中，使機(jī)制砂的石粉含量為10%，通過調(diào)整純石粉和黏土石粉的質(zhì)量比分別為1∶0、9∶1、8.4∶1.6、7.6∶2.4、7∶3，使得石粉的MB 值分別為2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 g/kg。

石：5～25 mm 連續(xù)級配碎石，壓碎值13.7%。

粉煤灰：Ⅱ級，細(xì)度（45 μm 篩篩余）17.6%，需水量比99%。

聚羧酸系高性能減水劑：固含量20.6%，減水率25%。

1.2 混凝土配合比

參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，分別配制C30、C50 混凝土，具體配合比見表1。

表1 試驗(yàn)混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

石粉MB 值和流動度比：按照J(rèn)G/T 568—2019 進(jìn)行測試；混凝拌合物土坍落度、擴(kuò)展度：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；混凝土抗壓強(qiáng)度：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；混凝土抗氯離子滲透性能、碳化性能：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 石粉MB 值對石粉流動度比的影響（見圖1）

圖1 花崗巖機(jī)制砂石粉MB 值對石粉流動度比的影響

石粉流動度比是用來衡量微粉對水和減水劑吸附性的一項(xiàng)指標(biāo)。由圖1 可見，隨著石粉MB 值的增大，石粉流動度比逐漸減小，石粉MB 值越大，流動度比越小，相比于石粉MB值為2 g/kg 時(shí)，MB 值為4、6、8、10 g/kg 的石粉流動度比分別減小了6.96%、14.78%、20.87%、27.83%。石粉MB 值與石粉流動度比呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)石粉MB 值小于4 g/kg 時(shí)，石粉流動度比大于100%，石粉中黏土含量較少時(shí)，對水和減水劑分子吸附不明顯，石粉填充微小空隙，起潤滑骨料的作用；當(dāng)石粉MB值大于4 g/kg 時(shí)，石粉流動度比小于100%，黏土的吸附作用起主導(dǎo)作用。隨著石粉MB 值的增大，石粉中黏土的含量增多，對減水劑分子和水分子的吸附性增強(qiáng)，因此，會使砂漿的流動度也越來越小。

2.2 石粉MB 值對混凝土工作性的影響

通過對比達(dá)到相近坍落度下減水劑用量、擴(kuò)展度和坍落度及其經(jīng)時(shí)損失來評價(jià)花崗巖機(jī)制砂石粉MB 值對混凝土工作性的影響。不同石粉MB 值下C30、C50 混凝土在坍落度為（230±10）mm 時(shí)減水劑用量的變化如圖2 所示。

圖2 石粉MB 值對花崗巖機(jī)制砂混凝土減水劑用量的影響

由圖2 可見，對于C30、C50 混凝土，減水劑用量均隨著石粉MB 值的增大（黏土含量增多）而增加。石粉MB 值從2 g/kg 增大到10 g/kg 時(shí)，C30、C50 混凝土的減水劑用量分別增加了38.16%、35.71%，在相同石粉MB 值增加幅度下，不同強(qiáng)度等級混凝土對減水劑需求量的增加幅度相近。

石粉MB 值對混凝土拌合物坍落度和擴(kuò)展度的影響如圖3 所示。

由圖3 可見，隨著石粉MB 值的增大，拌合物的坍落度和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失都呈不斷增大的趨勢，石粉中黏土含量的增多會加快拌合物坍落度和擴(kuò)展度的損失，降低拌合物的工作性。黏土有較強(qiáng)的吸附性和吸水性，一方面，黏土吸水膨脹，既降低漿體中自由水的含量，又因體積膨脹增大了固相的體積，另一方面，黏土在拌合過程中會吸附減水劑分子，減水劑的實(shí)際減水效果被降低，保坍作用被削弱[5，13]，所以黏土含量增加（石粉MB 值增大）會使混凝土拌合物減水劑用量增加，坍落度和擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失增大。

圖3 石粉MB 值對花崗巖機(jī)制砂混凝土拌合物坍落度和擴(kuò)展度的影響

2.3 石粉MB 值對混凝土力學(xué)性能的影響（見圖4）

圖4 石粉MB 值對花崗巖機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4 可見，對于C30 和C50 混凝土，當(dāng)石粉MB 值大于2 g/kg 時(shí)，隨著石粉MB 值的增大，混凝土3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度都呈不斷降低的趨勢。隨著石粉中黏土含量的增多，黏土吸附大量水分和減水劑分子，影響了水泥的水化進(jìn)程[14]，其黏附在漿體與骨料之間，削弱了界面粘結(jié)力，影響界面過渡區(qū)強(qiáng)度，同時(shí)黏土由于層狀結(jié)構(gòu)所具有的濕脹干縮性質(zhì)也會增大混凝土內(nèi)部的空隙率[15]，所以，隨著石粉MB 值的增大，黏土含量增多，C30、C50 混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

相比于石粉MB 值為2 g/kg 時(shí)，石粉MB 值為10 g/kg 時(shí)C30 混凝土的3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度分別降低了4.18%、12.53%、9.73%，C50 混凝土的3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度分別降低了10.24%、9.03%、9.19%。石粉MB 值對C30 混凝土3 d 抗壓強(qiáng)度的影響較小，對7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度影響較大；石粉MB 值對C50 早期抗壓強(qiáng)度影響也十分明顯。這是因?yàn)橄啾扔贑50 混凝土，水膠比較大的C30 混凝土早期內(nèi)部自由水含量較多，可以提供較為充足的水分參與水泥水化進(jìn)程，所以C30 混凝土3 d 抗壓強(qiáng)度變化較小，總體來說，石粉MB 值的增大對混凝土的抗壓強(qiáng)度有負(fù)面影響。

2.4 石粉MB 值對混凝土耐久性能的影響

2.4.1 對電通量的影響（見圖5）

圖5 石粉MB值對花崗巖機(jī)制砂混凝土電通量的影響

由圖5 可知，當(dāng)石粉MB 值>2 g/kg 時(shí)，隨著石粉MB 值的增大，C30 和C50 混凝土的28、56 d 電通量均不斷增大，抗氯離子性能降低，混凝土內(nèi)部的密實(shí)度和致密性下降。黏土雖然有較強(qiáng)的吸附能力，但本身不具有參與水化反應(yīng)的能力，吸附大量水分子膨脹后，阻礙了早期水泥水化的結(jié)晶成核過程，弱化了界面過渡區(qū)的粘結(jié)作用，使混凝土內(nèi)部密實(shí)度下降；同時(shí)由于黏土的濕脹干縮特性，不參與反應(yīng)的黏土后期失水縮小后，會在原有的位置形成孔隙，增大了混凝土內(nèi)部的孔隙率[16]，從而導(dǎo)致抗?jié)B性降低。

由圖5（a）可知，對于C30 混凝土，不同石粉MB 值下56 d時(shí)的電通量都小于28 d 時(shí)的電通量，這主要是水泥和礦物摻合料持續(xù)水化增大了混凝土的密實(shí)度。隨著石粉MB 值的增大，28、56 d 電通量均不斷增大，當(dāng)石粉MB 值為10 g/kg 時(shí)達(dá)到最大，分別為2492、2018 C。相較于石粉MB 值為2 g/kg 時(shí)，石粉MB 值為10 g/kg 的混凝土28、56 d 電通量分別增大了9.15%、15.00%，石粉MB 值對C30 混凝土56 d 電通量影響程度更大。由圖5（b）可知，相同齡期下，C50 混凝土電通量的變化趨勢與C30 混凝土類似，石粉MB 值為10 g/kg 時(shí)，混凝土的28、56 d 電通量分別為2087、1723 C，比石粉MB 值2 g/kg時(shí)分別增大了14.00%、26.41%，C50 混凝土28 d 和56 d 電通量的增幅都高于C30 混凝土?？梢园l(fā)現(xiàn)，石粉MB 值對強(qiáng)度更高、結(jié)構(gòu)更致密的混凝土抗?jié)B性和內(nèi)部密實(shí)度影響程度更大，所以在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r需要格外注意控制石粉的MB 值。

2.4.2 對抗碳化性能的影響（見圖6）

圖6 石粉MB值對花崗巖機(jī)制砂混凝土抗碳化性能的影響

由圖6 可見，混凝土碳化速率隨著齡期的延長而逐漸變慢，對于不同強(qiáng)度等級的混凝土，3、7、14、28 d 時(shí)的碳化深度都隨著石粉MB 值的增加而增大。由于黏土含量的增加，造成了混凝土內(nèi)部孔隙率增大，密實(shí)度降低，有利于CO2的擴(kuò)散，使碳化深度增加[17]。相比于MB 值為2 g/kg，MB 值為10 g/kg時(shí)C30 混凝土的7、28 d 碳化深度分別增大了7.84%、11.86%，C50 混凝土的7、28 d 碳化深度分別增大了15.15%、13.95%，相較于C30 混凝土，C50 混凝土對石粉MB 值的變化更敏感，碳化深度增幅更大。

通過測試不同強(qiáng)度等級混凝土在不同石粉MB 值下電通量和碳化深度的變化可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石粉MB 值大于2 g/kg 時(shí)，隨著石粉MB 值的增大，混凝土的電通量和碳化深度增加，混凝土內(nèi)部孔隙率增大，密實(shí)度降低，抗氯離子滲透性能降低，不利于混凝土的耐久性。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，相比于低強(qiáng)度等級的混凝土，強(qiáng)度較高、水膠比較小的混凝土耐久性對石粉MB 值的變化更為敏感，石粉MB 值越大，耐久性越差。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)花崗巖機(jī)制砂石粉MB 值>2 g/kg 時(shí)，隨著石粉MB值的增大，石粉的流動度比減小，相同坍落度下混凝土拌合物所需減水劑用量增加，坍落度和擴(kuò)展度損失速率增大。

（2）當(dāng)石粉MB 值>2 g/kg 時(shí)，石粉MB 值的增大不利于混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展，隨著石粉MB 值的增大，混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度都呈下降的趨勢。

（3）隨著石粉MB 值的增大，混凝土的電通量增大，碳化深度增加，混凝土內(nèi)部密實(shí)度下降，抗氯離子滲透和抗碳化性能下降，耐久性變差。

（4）相較于C30 混凝土，石粉MB 值的變化對強(qiáng)度更高、水膠比更小的C50 混凝土的耐久性影響程度更大。