砂岩机制砂颗粒特性及其配制的混凝土性能*

闫光明，殷素红，郭文昊，刘 鹏，吕 辉

华南理工大学 材料科学与工程学院，广东 广州 510641

随着广东省对河砂开采进行大规模限制，河砂产量已难以满足建设工程的使用需求，机制砂代替河砂已成为必由之路．将采石场废石屑(行业内俗称石粉)加工处理制成机制砂(俗称人工砂)，用来取代河砂用于配制混凝土和砂浆，这样既可以解决建筑用砂短缺和废石屑环境污染问题，又提高了资源利用率，社会综合效益显著，具有极大的推广意义．

广东省采石场主要的岩石类别有花岗岩、砂岩和石灰岩，其中以花岗岩为主，砂岩和石灰岩较少．目前废石屑主要用于路基填充材料，利用价值很低．其中石灰岩开采的废石屑更多的被加工为附加值更高的石灰石粉，用于水泥混合材及混凝土和砂浆掺合料；花岗岩废石屑的数量最多，除用于路基填料外，一些混凝土搅拌站直接将其当做细骨料来使用．因此，对花岗岩机制砂使用方面的研究较多，而对砂岩废石屑制成机制砂用于混凝土的研究较少[1]．不同母岩机制砂的性质有所差异，机制砂与河砂在颗粒特性上的不同是影响机制砂混凝土性能的主要原因，本文拟对砂岩机制砂的颗粒特性及其配制的混凝土性能进行探讨．

1 试验方法与材料

1.1 试验材料

试验所用的水泥为华润水泥平南有限公司生产的P •Ⅱ42.5R水泥，其化学成分与抗压强度列于表1．

表1 水泥的化学成分与抗压强度

细集料河砂产自广东西江，三种级配和细度模数不同的砂岩机制砂产自广东清远，其主要参数如表2所示．

粗集料为花岗岩碎石(产地博罗)，规格为5～25 mm．粉煤灰为大唐宁德火电厂的F类Ⅱ级灰．外加剂为广东博众建材公司生产的BOZ-3001高效缓凝减水剂，减水率为25.1%．

表2 细集料主要参数

1.2 实验方法

依据标准《建设用砂》GB/T 14684-2011对机制砂的各项指标进行检测，参考标准《水泥胶砂流动度测试方法》GB/T 2419-2005测定机制砂拌制砂浆的需水量与流动度．采用OLYMPUS SZX10体视显微镜(放大倍数10倍)对河砂与机制砂的表面形貌进行观察．

依据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011配制C35P8、坍落度150～180 mm的混凝土．以天然河砂为基准进行配合比设计(记为试样A)，然后以砂岩机制砂完全替代河砂(记为试样B)，同时以砂岩机制砂为基准再进行配合比设计并适当增加减水剂用量(记为试样C)．三组混凝土配合比列于表3．

表3 河砂和砂岩机制砂混凝土配合比

Table 3 Sand and sandstone mechanism sand concrete mix ratio

编号水泥∶砂∶石∶水∶粉煤灰∶外加剂A(天然砂)1∶2.24∶3.36∶0.57∶0.32∶0.010B(机制砂)1∶2.24∶3.36∶0.57∶0.32∶0.010C(机制砂)1∶2.31∶3.45∶0.57∶0.32∶0.014

混凝土工作性能测试和力学性能测试依据标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GBT 50080-2016进行；混凝土抗渗性能测试依据标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GBT 50082-2009中的RCM法和电通量法．

用EVO18型扫描电子显微镜，观察混凝土样品的表面形貌．用Auto Pore IV 9500型高性能全自动压汞仪，测试混凝土的孔隙结构．

2 结果与讨论

2.1 砂岩机制砂的颗粒特性

机制砂与河砂在颗粒特性上的不同是其影响混凝土性能的主要原因，主要是颗粒粒形、级配和石粉含量等影响砂的堆积空隙率，从而影响新拌混凝土的性能．

2.1.1 砂岩机制砂的粒形

通过体视显微镜分别观察了不同单粒级(4.75～2.36，2.36～1.18，1.18～0.6和0.6～0.3 mm)的河砂与砂岩机制砂的粒形，如图1所示．

从图1可以看出：由于经过流水的冲刷，河砂表面光滑圆润，棱角被钝化，球形度较高；而砂岩机制砂是机械破碎而成，表面粗糙度较大，表面形貌较为复杂，粒形不规则、棱角多，明显可以看出附着的石粉．球形度高且圆滑的表面有助于在拌合的时候形成良好的流动性，河砂中多为半透明的石英颗粒，主要成分为SiO2，与水泥有良好的相容性[2]．机制砂表面粗糙、多棱角使其有比天然砂更大的比表面积，对水的吸附能力更强，使混凝土拌合物的流动性能变差，相同流动度下比河砂需要更多用水量[3]；但是却有利于与水泥浆料的结合[4]，对力学性能有利，故使用机制砂时需要平衡两者的关系．

图1 河砂与砂岩机制砂颗粒粒形(a1)～(a4)分别为粒度4.75～2.36，2.36～1.18，1.18～0.6和0.6～0.3 mm的河砂；(b1)～(b4)分别为粒度4.75～2.36，2.36～1.18，1.18～0.6和0.6～0.3 mm的机制砂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 砂岩机制砂的级配

生产机制砂过程中可调控其颗粒级配，使其质量可控，这是机制砂相较于河砂的优势所在，砂的颗粒级配越好，堆积更紧密，空隙率越小[5]，拌制混凝土时需水量越少，达到相同流动度要求下可减少混凝土的用水量，使混凝土微观结构越致密，可提高混凝土强度和耐久性能．不同的生产工艺或生产控制不到位，会影响机制砂的级配．

表4比较了河砂与a，b和c三个机制砂试样的级配．由表4可知，与河砂相比，机制砂中大于1.18 mm和小于0.15 mm的颗粒含量较多，而0.60～0.15 mm的颗粒含量较少，表现出“两头大中间小”的级配．

表4 砂的颗粒级配和细度模数

2.1.3 砂岩机制砂的石粉含量

砂中粒径小于75 μm的颗粒，在河砂中为含泥量，在机制砂中主要是石粉.众所周知，若河砂中含泥量偏高，由于泥粉吸水，吸附减水剂能力强，体积稳定性差，对混凝土强度尤其是抗拉强度、干缩、徐变及耐久性能等都会产生不利的影响．但机制砂中石粉细颗粒的作用有所不同，石粉起到微细集料的作用，可以减少混凝土的孔隙，形成致密结构，从而提高混凝土强度和耐久性，所以一定的石粉含量是有利的，故国家标准《建设用砂》GB/T14684的2011版中对机制砂的石粉含量限定值比2001版放宽了，为不大于10%．

河砂和机制砂的空隙率和石粉含量列于表5．由表5可知，三种机制砂的石粉含量在3%～7.5%范围不等，在生产过程中可以调控，建议石粉含量在5%～10%范围．

级配不佳，砂的堆积空隙率会增大，对比三种级配不同的机制砂，由表5还可以发现，机制砂a的堆积空隙率最大为44%，即细集料颗粒间堆积密实度低，对新拌混凝土的工作性能不利，需要增加水泥浆的用量．

从以上对砂岩机制砂颗粒特性的分析可知，其颗粒表面粗糙、棱角较多，偏于“两头大中间小”的级配，细颗粒石粉含量相对较多，这些均会增大其需水性，使混凝土的流动性能变差，表6参考标准《水泥胶砂流动度测试方法》，对河砂、机制砂配制的砂浆流动度与用水量进行比较．

表5 砂的空隙率和石粉含量

表6 河砂与机制砂配制的砂浆流动度与用水量比较

由表6可以看出，与河砂相比，相同用水量下机制砂配制的砂浆的流动度较差,流动度比在70%～80%左右；而要达到相同流动度，机制砂配制的砂浆用水量要高出13%～22%，可以预见拌制混凝土时也会增加混凝土的用水量．建议生产时调控机制砂的级配及石粉含量，将砂浆的用水量比控制在120%以内．

2.2 砂岩机制砂混凝土的性能

选取堆积空隙率与河砂相近的机制砂c配制混凝土，探讨砂岩机制砂对混凝土性能及混凝土微观结构的影响．

2.2.1 混凝土的性能

按照表2配制的A，B和C三组混凝土的工作性能、力学性能、抗氯离子渗透性能的结果如图2至图4所示．

图2 河砂与机制砂混凝土的工作性能Fig.2 Performance of river sand and machined sand concrete

从图2可见，相同配合比时以机制砂替代河砂，混凝土A和B的坍落度差异不大，但扩展度分别为480和360 mm，差异较大．这是由于坍落时重力作用较大，坍落速率较快，差异体现不出来，而坍落后继续扩展流动，颗粒粒形对流动阻力的影响就体现出来，机制砂混凝土的扩展度更小．而经过配合比优化设计并适量增加减水剂用量的混凝土C，可达到与河砂配制的混凝土相同的工作性能．

从图3可以看出，相同配合比下以机制砂替代河砂时，机制砂混凝土B比河砂混凝土A的7和28天的抗压强度均有较大程度地提高，表明机制砂由于表面粗糙棱角多，粘结能力强，提高混凝土的强度的作用明显．以河砂及机制砂设计相同强度等级混凝土时，集灰比有所增大，水泥用量有所减少，可以节约成本．实测机制砂混凝土7天强度仍比河砂混凝土要高，这是因为集灰比增大，集料增多，表面积增加，吸收了部分润湿水，降低了有效水灰比，使水泥浆体密实；同时水泥浆数量减少，混凝土内的总孔隙体积减少所致．而28天机制砂混凝土的强度与河砂混凝土相当．

图3 河砂与机制砂混凝土的抗压强度Fig.3 Compressive strength of river sand and machined sand concrete

图4 河砂与机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能(a)RCM法；(b)电通量法Fig. 4 Resistance to chloride ion penetration of river sand andmachined sand concrete(a) RCM method; (b) electric flux method

从图4可见，无论是相同配合比下以机制砂替代河砂，还是经配合比设计为相同强度等级的河砂混凝土与机制砂混凝土，机制砂混凝土的RCM法氯离子迁移系数和电通量都要小于河砂混凝土，即机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能更好．这是因为选取的机制砂C的堆积空隙率与河砂相同，相同配合比下，由于机制砂的粘结能力更强，石粉含量更多，有利于提高混凝土的密实度[6]．而相同设计强度等级下，机制砂混凝土配合比的集灰比更大，如前文所述会使混凝土内的总孔隙体积减少．

2.2.2 混凝土的微观结构

通过扫描电镜对A和B两组混凝土进行微观形貌分析，如图5所示．从图5可以明显看出，河砂混凝土中的砂粒与水泥浆的粘结力不够强，在抽真空制样过程中砂粒与水泥浆之间形成裂缝，而机制砂混凝土中的砂粒与水泥浆结合得非常紧密，这表现在宏观性能中更高的强度与抗渗性能[7]．

对A和B两种混凝土进行压汞法测试其孔结构，结果如表7和图6所示．

图5 河砂和机制砂混凝土的扫描电镜照片(a1)～(a2)河砂；(b1)～(b2)机制砂Fig.5 Scanning electron micrograph of river sand and machined sand concrete(a1)～(a2) river sand; (b1)～(b2) machine sand

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

图6 河砂与机制砂混凝土的孔结构(a)累计孔体积曲线；(b)孔径分布曲线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为18.5%，机制砂混凝土的孔隙率为14.6%，孔隙率越低其结构更加致密，宏观上表现出更高的抗压强度，与抗压强度试验结果相一致；机制砂混凝土的平均孔径为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的孔隙是影响离子渗透的主要因素[8]．从图6可见，机制砂混凝土中影响离子渗透的孔隙的绝对体积均小于河砂混凝土，且机制砂混凝土的平均孔径也低于河砂混凝土，故其抗氯离子渗透性能更好．

2.3 砂岩机制砂混凝土在实际工程中的试用

上述研究表明，采用与河砂质量相近的砂岩机制砂配制的强度等级为C35的混凝土，其各项性能均能达到设计要求．在此基础上，针对广州地铁实际工程，采用机制砂配制了不同强度等级的混凝土，验证其配合比及混凝土性能，并在地铁工程中进行试用．表8为采用某混凝土搅拌站的实际原材料设计的机制砂混凝土配合比，表9为混凝土各项性能．

表8 实际工程用砂岩机制砂混凝土配合比

表9 实际工程用砂岩机制砂混凝土性能

由表9结果可知：采用机制砂配制出不同强度等级的混凝土，其工作性能均在设计坍落度150～180 mm的范围，满足了现场施工的正常使用；混凝土的7d与28d抗压强度均达到混凝土配制强度要求；混凝土的电通量与RCM法氯离子迁移系数与图4中河砂混凝土的结果相近．

3 结 论

(1)砂岩机制砂的颗粒特性为表面粗糙、棱角较多，偏于“两头大中间小”的级配，石粉含量相对较多，这些均会增大其需水性，使混凝土的流动性能变差．建议生产时调控机制砂的级配及石粉含量，与河砂配制的砂浆相比将用水量比控制在120%以内．

(2)采用与河砂堆积空隙率相同的砂岩机制砂配制C35强度等级的混凝土，相同配合比下以机制砂取代河砂，混凝土的坍落扩展度变小，但7 d和28 d抗压强度明显更高；经配合比设计为相同强度等级的混凝土，机制砂混凝土的集灰比有所增大，水泥用量有所减少，可节约成本，通过适当增加减水剂掺量机制砂混凝土的工作性能与河砂混凝土相同，机制砂混凝土的7 d抗压强度更高，28 d抗压强度与河砂混凝土相当．

(3)机制砂混凝土中砂粒与水泥浆结合得非常紧密，同时混凝土中孔隙率下降，孔径细化，平均孔径减小，混凝土微观结构更加致密，使得机制砂混凝土有更高的强度与抗氯离子渗性能．

(4)针对广州地铁实际工程，采用机制砂配制C20～C35不同强度等级的混凝土，其各项性均能指标达到设计要求．