机制砂中绿泥岩粉含量对混凝土力学性能及耐久性的影响

张鹏举，张兴军，宋尚霖，栾纪昊，南雪丽，韩 博

(1.甘肃省公路发展集团有限公司，兰州 730050；2.甘肃恒路交通勘察设计院有限公司，兰州 730050； 3.甘肃省高等级公路养护工程研究中心，兰州 730050；4.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用 国家重点实验室，兰州 730050；5.兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州 730050)

0 引 言

细集料是混凝土中的重要组成材料，以往在混凝土中使用的细集料主要为天然砂，但我国天然砂资源地域分布不均，且天然砂开采受季节限制。随着各地环保政策的相继实施，致使有些地区甚至出现无砂可用的状况，所以机制砂代替天然砂已势在必行[1]。

机制砂在生产过程中不可避免会产生一定量的与母岩岩性相同的石粉，其粒径小于75 μm。相关技术标准对于机制砂中石粉含量都提出了限定，但不同标准关于石粉含量要求的限值不同[2]，国标GB/T 14684—2011要求最高含量为10%。然而，在未经处理的机制砂中，石粉的实际含量总是超过标准的要求值。使得机制砂在使用前需要去除多余的石粉，进而出现资源浪费和环境污染等问题[3]。目前，关于机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响，科研工作者已经进行了较为系统的研究，并得到了一系列成果[3-4]。但大多研究主要集中在石灰石粉和花岗岩粉对机制砂混凝土性能影响方面[5-7]，对于绿泥岩机制砂混凝土性能的相关研究鲜有报道。

本工作以绿泥岩机制砂为研究对象，通过混凝土早期收缩试验、混凝土力学试验、电通量试验以及盐冻试验，系统地研究了机制砂中绿泥岩粉含量对混凝土性能的影响，以期为混凝土工程中推广使用绿泥岩机制砂提供理论基础和技术依据。

1 实 验

1.1 原材料

本研究中水泥为祁连山P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粗集料为5～20 mm连续级配石灰岩碎石，表观密度为2700 kg/m3；细集料为甘肃建投生产的绿泥岩机制砂，细度模数2.77，石粉含量1.19%，亚甲蓝值1.25 g/kg，级配区间为Ⅱ区，表观密度、堆积密度、泥含量等均满足《建设用砂》(GB/T 14684—2011)的要求；石粉为磨细的机制砂细粉，其制备方式为：利用实验室球磨机将甘肃建投生产的机制砂进行球磨，然后将得到的细粉过0.075 mm筛，筛下部分即为本研究所用石粉。石粉的XRD图谱如图1所示，从图中可知石粉中主要成分为斜绿泥石、石英以及碳酸钙，还含有少部分钠长石。石粉的粒度分布见图2，D10、D50、D90分别为5.92 μm、45.6 μm、98.1 μm，D10(D50或D90)代表颗粒的累计粒度分布数达到10%(50%或90%)时所对应的粒径；减水剂为苏博特聚羧酸高效减水剂，减水率为30%。

图1 石粉的XRD图谱
Fig.1 XRD pattern of stone powder

图2 石粉的粒度分布
Fig.2 Size distribution of stone powder

1.2 配合比设计

本研究采用的混凝土强度等级为C50，水灰比为0.36，各组混凝土中机制砂总量固定为730 kg/m3。采用甘肃建投生产的机制砂(石粉含量为1.19%)配制的混凝土为基准混凝土，记为JF0。为了得到不同石粉含量的机制砂，首先将机制砂中小于0.075 mm以下的颗粒筛除，然后将磨制好的石粉按规定掺量添加到已筛除细粉的机制砂中，石粉的添加量分别为机制砂总质量的5%和10%，进而得到JF5和JF10组机制砂混凝土。通过调整减水剂的用量，将坍落度控制在(220±10) mm，混凝土配合比设计见表1。

表1 不同类型机制砂混凝土配合比Table 1 Mix ratio of different types of mechanical sand concrete

1.3 试验方法

1.3.1 混凝土早期自收缩试验

本文采用波纹管试验对混凝土自收缩性进行测试，试验方法参照ASTM C1698标准，试验仪器为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的SBT-AS100型混凝土自收缩应变测试仪。混凝土自收缩模具长度为(420±2) mm、内径为(58.5±1) mm的聚乙烯波纹管。每组配方做2根，收缩率取2根试件的平均值。混凝土自收缩计算公式为：

εa(t)=ξ(t)-ξ(0)

(1)

式中：εa(t)为混凝土试件在t时刻的自收缩应变，ξ(t)为混凝土试件在t时刻的实测线性应变，ξ(0)为混凝土试件在0时刻的实测线性应变。

1.3.2 电通量试验

参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中的电通量法对混凝土抗氯离子渗透性进行测试。所用仪器为北京耐尔得仪器设备有限公司生产的NEL-PEU型混凝土电通量测定仪。试件尺寸为φ100 mm×50 mm，实验槽阳极为0.3 mol/L NaOH溶液，阴极为3%NaCl溶液，施加60 V的电压，试验持续时间为6 h。各组混凝土试件的电通量测试龄期为28 d，每组混凝土测试3个试件，最后取平均值。

1.3.3 盐冻试验

盐冻试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中的单面冻融法。采用北京耐尔德仪器设备有限公司生产的NELD-FS810型单面冻融试验机进行试验。盐冻试验试件尺寸为150 mm×110 mm×70 mm，盐溶液为3%NaCl溶液，试样测试原理图详见图3，冻融循环制度如图4所示。由于当混凝土表面剥蚀明显时，混凝土表面会变得凹凸不平，使得相对动弹模量测定较为困难，测定值离散程度也变得较大[8]。本研究仅以盐冻试验结束后的试件累计剥落量作为混凝土抗盐冻性能的评价指标[9]。试验结束条件为以下两种条件中的任一情况：(1)冻融循环次数达到28次；(2)试件单位表面面积剥落物总质量大于1500 g/m2。每4次冻融循环后收集盐冻剥蚀物，并更换盐溶液以及照相机记录试件表面形貌。

图3 样品测试示意图
Fig.3 Schematic diagram of sample test

图4 冻融试验升降温曲线
Fig.4 Temperature rise curve of freeze-thaw test

2 结果与讨论

2.1 石粉含量对混凝土自收缩性能的影响

图5 机制砂中石粉含量对混凝土自收缩性能的影响Fig.5 Effect of stone powder content in manufactured sand on self-shrinkage of concrete

通常，混凝土自收缩在混凝土硬化前的塑性阶段表现的更为明显，为此本文主要观察混凝土前72 h的形变。图5为机制砂中石粉含量对混凝土自收缩性能的影响，从图中可以看出，随着石粉含量的增加混凝土自收缩也随之增加，且JF0、JF5、JF10组在测试72 h后，总收缩量分别达到-437.333 με、-532.393 με、-662.393 με。其中JF5组和JF10组混凝土试件的72 h总收缩量，相对于JF0组分别增加21.7%和51.5%。另外，对照组机制砂混凝土本身就存在着明显的早期自收缩，其影响因素是多方面的，如颗粒表面粗糙度、体积弹性模量、石粉含量等因素。本文的试验组混凝土相对于对照组增加的收缩量，主要为石粉含量的影响，说明机制砂中石粉含量对混凝土自收缩的影响较为明显。石粉对混凝土自收缩影响主要因为石粉颗粒粒径较小，存在于混凝土基体中会对孔隙液产生较大的吸附作用，使得混凝土内部相对湿度降低，进而增加了混凝土毛细管压力，最终导致混凝土自收缩增大。机制砂中石粉含量越多，上述现象会变得越发显著，但相对于机制砂中石粉对混凝土其他性能的改善作用，混凝土自收缩所带来的影响应予以正确权衡对待。

2.2 石粉含量对混凝土抗压强度的影响

图6为石粉含量对机制砂混凝土抗压强度的影响，从图6(a)中可知，随着机制砂中石粉含量的增加，对应混凝土各龄期的抗压强度都有增加趋势。这主要是由于机制砂中含有一定量的石粉在混凝土中可以起到填充密实作用，使得混凝土结构变得更加致密，水泥水化产物对基体颗粒间的连接效果变得更好，从而增加了混凝土的抗压强度。本研究的抗压强度和龄期的对数之间存在线性相关关系，对各组数据进行拟合，且相关性都在0.919以上，线性回归方程的斜率代表强度随龄期的增长速率，各组机制砂混凝土强度随龄期对数的变化如图6(b)所示。从图中可以发现各组线性方程的斜率有所不同，说明各组混凝土抗压强度的增长速率存在差异，表现为JF5>JF0>JF10。上述结果说明，当机制砂中含有适量的石粉，其对混凝土的发展有促进作用，但机制砂中含有过多的石粉会降低混凝土抗压强度的增长速率，这主要是由于，石粉对混凝土体系内水分有吸附作用，过多的石粉含量会产生很大程度的水分吸收，相应水泥颗粒分得的水分就会明显减少，进而影响水泥颗粒的正常水化，使得混凝土水化速率降低，从而降低了混凝土抗压强度增加速率。

图6 石粉含量对机制砂混凝土抗压强度影响
Fig.6 Effect of stone powder content on the compressive strength of manufactured sand concrete

2.3 石粉含量对混凝土抗氯离子渗透性的影响

图7 石粉含量对机制砂混凝土抗氯离子渗透性的影响Fig.7 Effect of stone powder content on chloride resistance of manufactured sand concrete

图7为混凝土电通量随机制砂中石粉含量的变化规律的试验研究结果，其中横坐标JF0、JF5、JF10三组混凝土主要反映的是机制砂中石粉含量对混凝土抗氯离子渗透性影响。从图中可以看出，随着石粉含量的增加，混凝土的6 h电通量值也随之增大。参照ASTM C 1202标准[10]，JF0组的28 d电通量处于渗透能力低水平，而JF5和JF10组的28 d电通量则位于渗透能力中等水平，这说明未额外添加石粉的机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能更高，而掺加石粉的机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能变差。上述结果感觉有些出乎意料，但其实是正常现象，因为，混凝土配合比中机制砂总量是一定的，如果机制砂中石粉的含量增加，就意味着粒径更大机制砂颗粒会相对减少，虽然石粉颗粒在混凝土中有微集料填充效应，而且还可以促进其周围水泥颗粒进一步水化，从而使得混凝土结构更加密实，但石粉含量的增多同时也增加了颗粒与颗粒之间存在的界面数量。所以机制砂中大颗粒对氯离子的阻挡能力，要好于石粉颗粒的微集料填充效应对氯离子的阻挡所用，且随着机制砂中石粉含量增多，混凝土抗氯离子渗透性逐渐减小。

2.4 石粉含量对混凝土抗盐冻性能的影响

盐冻剥蚀破坏比普通水冻损坏更为严重[11-12]，其破坏形式主要发生在胶凝材料表面。已有研究表明，处于冻结状态的预饱和水泥基胶凝材料，当温度降低至过冷结束后，冰会优先在基体中的较粗毛细孔或气孔中瞬间成核，导致毛细孔中出现瞬态非饱和孔隙条件。此外，由于基体表面液体中盐的存在，提供了未冻结的水分。上述条件使得孔隙结构启动低温吸力，开始从邻近的孔隙和表面的盐溶液中吸取液体，进而促进孔隙结构中冰核的长大。而且，随着冰的生长又增加了额外的非饱和孔隙空间，从而进一步增强了吸力，最终导致冰的持续生长。这就导致了表面区域受结冰膨胀作用，但这一区域会受到剩余体积混凝土的约束，而垂直于表面方向的约束可能不足，受泊松效应的影响将使拉应力增大。这种应力状态容易产生与混凝土表面平行的裂缝，最终导致表面局部膨胀和剥落[13-15]，机理示意图见图8。

图8 混凝土试件受盐冻破坏作用机理示意图
Fig.8 Schematic diagram of failure mechanism of concrete specimen by salt-frost

2.4.1 累计剥落量

图9 石粉含量对混凝土抗盐冻剥蚀性的影响Fig.9 Effect of stone powder content on salt-frost erosion resistance of concrete

单位面积的剥蚀量是评价混凝土抗盐冻能力的重要指标。图9为经28次冻融循环的各组混凝土试件单位测试表面面积剥落物的总质量，从图中可以看出，JF0、JF5、JF10三组的试件单位测试表面面积剥落物的总质量存在着明显的差异，其中，JF5组相对于对照组JF0有所减少，减少量为18.0%，而JF10组相对于对照组却明显增加，增加量为43.2%。因此，机制砂中石粉对混凝土的抗盐冻性能影响存在最佳含量。机制砂中含有适量的石粉，可以在混凝土中填充颗粒与颗粒间的空隙，并均匀分散在大颗粒周围，使得水泥水化产物能充分覆盖各颗粒表面，同时也使大颗粒与水泥石间界面更加致密，进而增加了混凝土中颗粒间的粘结力，最终减缓了试件表面受冰结晶压力作用发生破坏剥落。如果机制砂中石粉含量过多，石粉会抢夺原本水泥颗粒占有的水分，导致连接颗粒与颗粒间的水泥水化产物量相对减少，进而使得颗粒间的粘结力下降，所以试件表面容易受冰结晶压力作用而发生剥落，也就出现JF10略大于JF0组的情况。

2.4.2 表面剥蚀形貌

图10是经28次冻融循环试验后各组混凝土试件的表面形貌图。从图中可以看出，虽然各组混凝土试件表面都出现了不同程度的局部剥落现象，但试件表面并未发现有骨料露出的严重剥落状态，而且各组混凝土试件表面形貌差别肉眼区分不明显，以上现象可说明机制砂中石粉含量不会对混凝土抗盐冻能力造成严重影响。

为了客观准确有效的评价各组混凝土的外观质量，本研究采用计算机图像处理手段[16]，将混凝土试件表面的缺陷进行量化，以二值化面积比例作为外观质量评定标准。首先获取图像，即使用照相机在保证相同条件下对经28次冻融循环试验后各组混凝土试件表面的形貌进行拍照，如图10所示。然后，进行像素分离，选取合适的阈值对图像进行二值化，图11为各组混凝土试件表面形貌的二值化之后图形。最后，求缺陷面积与图像总面积的百分比W，即黑色像素点占所有像素点的比例，各组混凝土的外观质量测评结果见表2。从表中可看出混凝土外观质量好坏顺序为JF5>JF0>JF10，该结果与混凝土累计剥落量结果相同，这也再次证明机制砂中石粉存在最佳含量，在最佳含量以内时，石粉对混凝土抗盐冻能力起增强作用。

图10 28次冻融循环后的各组混凝土试件外观质量原始图
Fig.10 Original figure of appearance quality of each concrete specimen after 28 freeze-thaw cycles

图11 各组混凝土试件表面形貌的二值化之后图形
Fig.11 Graph after binarization of surface morphology of each concrete specimen

表2 各组混凝土外观质量测评结果(二值化)
Table 2 Evaluation results of concrete appearance quality of each group (binarization)

项目结果JF0JF5JF10所有像素点总数712374556819黑色像素点120311591386W/%16.915.520.3

3 结 论

(1)机制砂中石粉会增加C50混凝土的早期自收缩，且随着石粉含量的增加混凝土自收缩逐渐增大。

(2)机制砂中石粉含量小于5%时，石粉能够促进C50混凝土抗压强度的发展，且随着石粉含量的增加混凝土抗压强度逐渐增大。当石粉含量达到10%时，虽然不会降低混凝土抗压强度，但石粉减缓了混凝土抗压强度的发展速率。

(3)机制砂中随石粉含量的增加对混凝土氯离子渗透性有降低作用。石粉对C50混凝土抗盐冻性能影响存在最佳含量，在最佳含量以内时，石粉能够提高混凝土的抗盐冻能力，反之，将对混凝土抗盐冻能力有降低作用。