王方剛，陸加越，趙少鵬，施展，劉建忠

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；2.高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008）

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，混凝土使用量逐年增加，占混凝土體積24%～30%的細(xì)集料消耗巨大，天然砂作為一種不可再生的細(xì)集料被過度開采，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)天然砂資源枯竭。而作為細(xì)集料的機(jī)制砂成為主流需求，已有很多應(yīng)用和相關(guān)研究證明機(jī)制砂是一種良好的環(huán)保細(xì)集料[1-2]。

機(jī)制砂是一種以天然石料為原料，經(jīng)過一系列破碎、研磨工藝制成的人工細(xì)集料。由于破碎過程中母巖成分和破碎比的不同，制備的機(jī)制砂顆粒常與天然河砂相比呈現(xiàn)出不同的顆粒形狀[3-4]。一般來說，破碎過程傾向于產(chǎn)生鋒利的邊緣和有角的顆粒，增加內(nèi)摩擦力。研究表明[5-7]，機(jī)制砂與天然砂相比在某些方面具有相似或者更好的性能。王軍偉等[8]研究了機(jī)制砂的物理特性、表面性質(zhì)、顆粒級(jí)配和巖性以及在砂漿中的行為，結(jié)果表明，相較于鈣質(zhì)機(jī)制砂，硅質(zhì)機(jī)制砂對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響更大；機(jī)制砂越細(xì)，對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響越大。Kavya和Rao[9]對(duì)比了機(jī)制砂混凝土和天然砂混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明，機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于天然砂混凝土。

在生產(chǎn)機(jī)制砂過程中，常通過水洗去除不必要的石粉，但同時(shí)洗掉了砂中的細(xì)顆粒。機(jī)制砂級(jí)配不良、加工性能差，嚴(yán)重制約了機(jī)制砂的工程應(yīng)用。研究表明[10-11]，對(duì)機(jī)制砂級(jí)配進(jìn)行改性，可改善其新拌混凝土的和易性，提高硬化混凝土的密實(shí)度，從而獲得更好的力學(xué)性能和耐久性。河道開采的廢棄特細(xì)砂和近海開采的淡化特細(xì)砂，由于水流的常年沖刷，具有圓潤(rùn)的棱角、光滑的表面、更小的細(xì)度模數(shù)、更多的細(xì)顆粒，可解決目前機(jī)制砂表面粗糙、鋒利棱角和缺失細(xì)顆粒的問題。本研究以廢棄特細(xì)砂改性機(jī)制砂替代天然砂制備C60高性能混凝土，研究了特細(xì)砂摻量對(duì)混凝土工作性能、流變特性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量、抗凍性能和干收縮性能的影響，同時(shí)采用XRD和SEM分析了砂的化學(xué)組成、顆粒形貌。采用廢棄特細(xì)砂對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行改性，既有利于廢棄特細(xì)砂的利用，又有利于混凝土性能的改善。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：盤固P·Ⅱ52.5水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，礦物組成如表1所示，7、28 d抗折強(qiáng)度分別為8.4、10.9 MPa，7、28 d抗壓強(qiáng)度分別為42.9、54.3 MPa；礦粉：沙鋼S95級(jí)礦粉，7、28 d活性指數(shù)分別為83%、97%；粉煤灰：利港Ⅰ級(jí)，細(xì)度（45μm方孔篩篩余）7.8%，燒失量4.6%，需水量比93%；水：自來水；減水劑：江蘇蘇博特聚羧酸減水劑，減水率21%，固含量15%；碎石：5～16 mm小石和16～25 mm大石，二級(jí)配石灰石碎石，含泥量1.1%。

表1 水泥的礦物組成 %

砂：石灰石機(jī)制砂（LS），細(xì)度模數(shù)3.2，粗砂；凝灰?guī)r機(jī)制砂（TS），細(xì)度模數(shù)2.9，中砂；特細(xì)砂（TQS），河道清淤?gòu)U棄物，細(xì)度模數(shù)1.1；河砂（QS），細(xì)度模數(shù)2.9。砂的粒徑分布見表2，XRD圖譜見圖1，SEM照片見圖2。

表2 砂的粒徑分布

由表2、圖1和圖2可知，LS成分以CaCO3為主，TS成分以SiO2為主，含有部分Na[AlSi3O8]-Ca[Al2Si2O8]，QS成分以SiO2為主。QS和TQS顆粒外觀圓潤(rùn)，表面光滑，規(guī)律性較好，而機(jī)制砂（LS和TS）顆粒表面粗糙，邊緣鋒利，針片狀較多。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 XRD和SEM分析

取部分顆粒狀樣品，采用FEI生產(chǎn)的QUANTA250掃描電子顯微鏡進(jìn)行分析；取部分顆粒狀樣品，用研缽磨碎制成粉末樣品，采用Brueker公司生產(chǎn)的D8 ADVANCE ECO進(jìn)行X射線粉末衍射分析。

1.2.2 擴(kuò)展度、倒筒時(shí)間和含氣量測(cè)試

依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試新拌混凝土的擴(kuò)展度、倒置坍落度筒排空時(shí)間和含氣量。

1.2.3 流變性能測(cè)試

從混凝土拌合物通過4.75 mm篩篩出砂漿，然后采用旋轉(zhuǎn)流變儀（R/S）在控制剪切速率和20℃的溫度時(shí)，測(cè)試砂漿的流變特性。測(cè)量裝置為CC25主軸同軸系統(tǒng)。所有的砂漿樣品流變測(cè)試程序?yàn)椋海?）預(yù)剪切剪切速率60 s-1保持60 s，預(yù)剪切的目的是破壞砂漿樣品的結(jié)構(gòu)，在測(cè)試前建立統(tǒng)一的測(cè)試條件；（2）10 s內(nèi)剪切速率從30 s-1降至0，靜停60 s；（3）然后60 s內(nèi)剪切速率從0升高至30 s-1；（4）最后再60 s內(nèi)剪切速率從30 s-1降至0，產(chǎn)生一個(gè)下降曲線。記錄所有時(shí)間的剪切應(yīng)力與剪切速率，通過下降曲線來計(jì)算各組砂漿的流變性能。

1.2.4 力學(xué)性能測(cè)試

依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行測(cè)試，抗壓強(qiáng)度試件尺寸為150mm×150mm×150mm、抗折強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100mm×400mm、彈性模量試件尺寸為100 mm×100mm×300mm。

1.2.5 抗凍性及干燥收縮性能測(cè)試

依據(jù)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)》，采用快速凍融法對(duì)混凝土抗凍性能進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm；采用接觸法在恒濕[（60±5）%]和恒溫[（20±2）℃]條件下進(jìn)行干收縮試驗(yàn)，試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm。

1.3 混凝土配合比

C60高性能混凝土設(shè)計(jì)表觀密度為2420 kg/m3，配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（礦粉）∶m（砂）∶m（小石）∶m（大石）∶m（水）∶m（減水劑）=364∶78∶78∶732∶304∶708∶156∶8.32。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 特細(xì)砂改性機(jī)制砂的特性分析

本試驗(yàn)分別采用25%、50%、100%的機(jī)制砂取代天然砂，在每組取代比例的機(jī)制砂中用2.5%～30.0%的特細(xì)砂取代機(jī)制砂，對(duì)比混合砂和天然砂對(duì)混凝土性能的影響，混合砂的比例和細(xì)度模數(shù)如表3所示，混合砂的級(jí)配曲線如圖3所示。

表3 混合砂的比例和細(xì)度模數(shù)

由圖3可見：當(dāng)機(jī)制砂取代25%河砂時(shí)，2-3#混合砂的級(jí)配曲線為Ⅱ區(qū)，接近天然砂，其它組混合砂2.36 mm篩余均不在Ⅱ區(qū)，且均不接近富勒曲線。當(dāng)機(jī)制砂取代50%河砂時(shí)，混合砂級(jí)配曲線基本在Ⅱ區(qū)范圍內(nèi)，3-3#混合砂的級(jí)配曲線為Ⅱ區(qū)，接近天然砂，接近富勒曲線。當(dāng)機(jī)制砂取代100%河砂時(shí)，4-2#混合砂的級(jí)配曲線接近Ⅱ區(qū)，靠近富勒曲線。由此可知，用7.5%和15.0%特細(xì)砂替代機(jī)制砂，可優(yōu)化機(jī)制砂的級(jí)配。特細(xì)砂中的細(xì)顆粒顆粒改變了機(jī)制砂的級(jí)配，小于0.15 mm的粉顆粒填補(bǔ)了混凝土中細(xì)骨料與膠凝材料之間的空隙，起到了微細(xì)砂的作用。采用特細(xì)砂改性機(jī)制砂得到的混合砂級(jí)配曲線盡可能接近天然砂的級(jí)配曲線。機(jī)制砂取代率相同時(shí)，隨著特細(xì)砂摻量的增加，0.075～0.3 mm顆粒數(shù)增加，混合砂級(jí)配曲線的凸度和坡度降低。

2.2 C60混凝土的工作性能

按照基準(zhǔn)配合比，采用不同砂配制C60混凝土，通過調(diào)整減水劑摻量控制混凝土擴(kuò)展度在（550±20）mm，不同砂配制混凝土的工作性能如表4所示。

表4 不同砂配制混凝土的工作性能

由表4可見，控制混凝土擴(kuò)展度在（550±20）mm時(shí)，不同混合砂混凝土的倒筒時(shí)間均較天然砂混凝土延長(zhǎng)，含氣量均在（2.0±0.5）%。對(duì)比1#、2#、3#和4#混凝土可知，機(jī)制砂取代率越大，倒筒時(shí)間越長(zhǎng)；對(duì)比4#、4-2#、和4-3#混凝土可知，相同取代率時(shí)，隨著特細(xì)砂摻量的增加，混凝土的倒筒時(shí)間明顯延長(zhǎng)，特細(xì)砂摻量≤15%時(shí)，混凝土倒筒時(shí)間控制在10 s以內(nèi)，工作性能尚可。

此外還可以看出，采用機(jī)制砂時(shí)減水劑摻量高于采用天然砂時(shí)，這是由于機(jī)制砂（LS和TS）的表面更加粗糙，天然砂表面較為光滑，同時(shí)TS石粉含量明顯高于LS，因此需要更多的減水劑；采用TS配制的5#混凝土，增加減水劑摻量后可以保證混凝土的擴(kuò)展度、倒筒時(shí)間和含氣量與采用LS配制的混凝土相近。

2.3 流變特性分析

不同混合砂配制的砂漿流變特性如圖4所示。

由圖4可見，剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增大而增大，黏度隨著剪切速率的增大先迅速減小后緩慢增大；相同剪切速率下，LS和TS砂漿的剪切應(yīng)力和黏度均明顯高于QS砂漿，尤其是TQS的混入，TQS摻量越多，砂漿剪切應(yīng)力和黏度均顯著提高，4-2#和3-3#砂漿剪切應(yīng)力和黏度與QS砂漿較為接近，而4-3#砂漿剪切應(yīng)力和黏度明顯高于QS砂漿；在擴(kuò)展度相當(dāng)?shù)那闆r下，各種砂的砂漿剪切應(yīng)力與黏度差別的主要原因：LS和TS的表面更粗糙，而QS和TQS的表面較為光滑，同時(shí)TS石粉含量明顯高于LS；TQS雖然顆粒表面較為光滑，但由于細(xì)顆粒較多，增大了比表面積，內(nèi)摩擦力增加，導(dǎo)致剪切應(yīng)力與黏度的增大，因此TQS摻量不宜過高。控制TQS摻量≤15%對(duì)混凝土流變性能影響不大。

2.4 C60混凝土的力學(xué)性能

2.4.1 抗壓和抗折強(qiáng)度（見表5）

表5 不同混合砂配制的混凝土的力學(xué)性能

由表5可見：

（1）隨著機(jī)制砂取代率的增加，混凝土的早期抗壓強(qiáng)度略有提高，到56 d時(shí)抗壓強(qiáng)度較為接近；隨著特細(xì)砂摻量的增加，抗壓強(qiáng)度先提高后降低；砂巖機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度高于河砂和石灰石機(jī)制砂。

（2）抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度有相同的規(guī)律，抗壓強(qiáng)度越高則抗折強(qiáng)度越高。3-3#混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度在LS、QS和TQS混凝土中最高，4-2#混凝土次之，70%LS+30%TQS體系（4-3#）抗壓和抗折強(qiáng)度最低。TS混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度高于LS、QS和TQS混凝土。TQS摻量≤15%時(shí)對(duì)混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度有提高，摻量過高時(shí)強(qiáng)度降低。

這是因?yàn)?，與河砂相比，機(jī)制砂具有更多的角狀和粗糙紋理，有利于提高水化產(chǎn)物與骨料的粘結(jié)強(qiáng)度，河砂與水化產(chǎn)物的粘結(jié)性較弱。此外機(jī)制砂通常含有一定量的石粉，LS中的CaCO3能在早期促進(jìn)水泥水化，提高界面過渡區(qū)強(qiáng)度[1，12]。特細(xì)砂的加入改善了細(xì)骨料的級(jí)配，骨料骨架更加穩(wěn)定，充填效果進(jìn)一步提高，有利于強(qiáng)度發(fā)展。此外，雖然石粉通常被認(rèn)為是惰性填料，但它可以促進(jìn)新拌混凝土異相成核，從而間接改善水泥漿體的水化過程和微觀結(jié)構(gòu)[13]。而具有輕微火山灰活性的凝灰?guī)r粉可提高水泥石與骨料[14]的粘結(jié)強(qiáng)度，從而提高抗壓和抗折強(qiáng)度。

2.4.2 靜力彈性模量

混凝土可以被模擬成三相材料，包括集料顆粒，界面過渡區(qū)，膠凝材料漿體。每個(gè)相的變化都會(huì)改變混凝土的靜力彈性模量。由表5可見，摻加TQS的混凝土3-3#彈性模量比3#提高了10.7%，4-2#的彈性模量比4#提高了8.5%；TS混凝土（5#）的彈性模量高于QS（1#）、LS+QS（2#、3#）、LS（4#），略低于3-3#混凝土。

混凝土的彈性模量與混凝土的抗壓強(qiáng)度、密實(shí)度和骨料體積密切相關(guān)[15]。摻加TQS改善細(xì)骨料級(jí)配，使得混凝土中骨料框架更加穩(wěn)定，這將使3-3#、4-2#混凝土的變形比3#、4#混凝土減小，從而使混凝土的彈性模量更高。TS混凝土中抗壓強(qiáng)度對(duì)彈性模量影響較大，其界面過渡區(qū)更致密、更穩(wěn)定，增強(qiáng)了三相材料的最弱相，提高了TS混凝土的彈性模量。

2.4.3 堆積模型對(duì)力學(xué)性能的影響

混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量與骨料填充骨架密切相關(guān)。在本研究中，LS（含石粉）和TQS（0.3、0.15mm顆粒）會(huì)對(duì)骨料顆粒填充產(chǎn)生影響，不同砂的堆積模型如圖5所示。

由圖5可見，河砂顆粒較圓潤(rùn)，表面較光滑；而機(jī)制砂表面較粗糙，棱角多，增加了料漿與骨料之間的耦合力；TQS+LS同時(shí)具備2個(gè)方面優(yōu)點(diǎn)：機(jī)制砂高粗糙度，增加咬合力；同時(shí)細(xì)顆粒填充，提高密實(shí)度，在一定程度上可提高混凝土的力學(xué)性能。

2.5 C60混凝土的抗凍性

不同砂配制的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化如圖6所示。

由圖6可見，不同顆粒級(jí)配、不同巖性的QS、LS、QS+LS+TQS、LS+TQS和TS混凝土均表現(xiàn)出良好的抗凍性。經(jīng)過400次凍融循環(huán)后，所有混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量均大于95%，也滿足了抗凍等級(jí)大于F300的要求。經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，不同顆粒級(jí)配、不同巖性之間的相對(duì)動(dòng)彈性模量最大差異為0.97個(gè)百分點(diǎn)，400次凍融循環(huán)后的最大差異為2.05個(gè)百分點(diǎn)?？梢哉J(rèn)為不同顆粒級(jí)配、不同巖性配制混凝土的抗凍等級(jí)相似?；炷恋目箖鲂灾饕c混凝土微觀結(jié)構(gòu)中的氣泡分布、均勻性有關(guān)[16]。因此，不同顆粒形貌、級(jí)配、巖性對(duì)混凝土抗凍性的影響較小。

2.6 C60混凝土的干燥收縮（見圖7）

由圖7可見，28 d前水泥水化和水分蒸發(fā)速度快，漿體的水分變化較大，混凝土的干燥收縮大。QS、QS+LS+TQS、LS、LS+TQS和TS混凝土28 d干燥收縮分別為296.6με、288.5 με、332.4με、308.6με、322.6με。QS+LS+TQS混凝土的干燥收縮比QS、LS和LS+TQS混凝土低，LS+TQS混凝土的干燥收縮比LS混凝土要略低，但總體QS、LS和TS混凝土的干燥收縮相近。這是由于將特細(xì)砂替代機(jī)制砂后，其級(jí)配得到改善，混凝土結(jié)構(gòu)致密，從而提高了其抗收縮性。骨料粒度、水泥摻量、礦物摻合料、組分尺寸、養(yǎng)護(hù)條件等因素對(duì)混凝土干縮有顯著影響[17]。在本實(shí)驗(yàn)中，上述影響干縮的因素基本保持不變，因此不同顆粒形貌、級(jí)配、巖性配制的混凝土干縮差異總體較小。

3 結(jié)論

（1）利用特細(xì)砂改性機(jī)制砂，取代天然砂，控制TQS摻量≤15%時(shí)，可以配制出C60高性能混凝土，由于紋理、形狀、級(jí)配、石粉的組成不同，新拌混凝土擴(kuò)展度、倒筒時(shí)間、含氣量和流變特性有所不同，通過調(diào)整各種砂比例、級(jí)配和減水劑摻量后，均可滿足C60高性能混凝土工作性能要求。

（2）TQS的加入提高了QS+LS+TQS顆粒堆積密實(shí)性，TQS摻量≤15%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量有提高，摻量過高時(shí)則降低。這是因?yàn)椋簷C(jī)制砂粗糙的表面和多邊有利于提高漿體與骨料之間的連接；摻加TQS改善細(xì)骨料級(jí)配，使得混凝土中骨料框架更加穩(wěn)定；機(jī)制砂中的CaCO3能在早期促進(jìn)水泥水化，提高界面過渡區(qū)強(qiáng)度。

（3）砂的顆粒形貌、級(jí)配、巖性對(duì)混凝土的抗凍性影響較小，抗凍等級(jí)均大于F400，滿足高性能混凝土抗凍等級(jí)F300的要求；特細(xì)砂和機(jī)制砂部分替換天然后，級(jí)配得到改善，混凝土結(jié)構(gòu)致密，提高其抗收縮性能，QS+LS+TQS混凝土的干燥收縮比QS、LS和TS混凝土要略低，但總體QS、LS和TS混凝土的干縮相近。