岩性对机制砂性能及其胶砂性能的影响研究

林 岩

中铁二十四局集团福州铁建工程质量检测有限公司，福建 福州 350000

1 前言

细骨料是混凝土重要组成材料，细骨料的物理及力学性能极大的影响着铁路工程高性能混凝土的拌合物性能、力学性能、耐久性能。若用于铁路高性能混凝土，应选用级配合理、质地坚固、吸水率低和空隙率小的洁净天然河砂［2］或母材检验合格、经专门机组生产的机制砂。

随着福平、福厦、衢宁及兴泉等铁路项目陆续开建，福建地区河砂资源异常紧缺，开采限制越发严格，同时福建地区多山区，交通不便利，铁路项目建设材料运输困难，因此使用就地就近取材的机制砂代替天然河砂势必成为铁路工程建设的一种趋势。机制砂相对河沙而言具有棱角，外形不规则，表面粗糙等特点。又由于采用母岩岩性的不同，例如花岗岩其主要成分是石英及长石，硬度较高，而凝灰岩有粗糙感，硬度略低等对混凝土及水泥胶砂性能也有不同的影响。为此本文以福州长乐市松下镇大祉村生产的熔结凝灰岩机制砂和宁德市周宁西坑生产的中粒花岗岩机制砂为研究对象，分析其矿物组成、在相同级配和粒形的条件下机制砂特性及对水泥胶砂性能的影响。

2 试验内容

2.1 原材料

2.1.1 水泥

试验用水泥为福建水泥股份有限公司（建福牌）产的P·0 42.5 级普通硅酸盐水泥，其主要性能指标见表1 和表2。

表1 水泥物理性能指标

表2 水泥化学性能指标

2.1.2 机制砂

（1）本试验采用熔结凝灰岩机制砂和中粒花岗岩机制砂，其母岩岩性主要矿物成分见表3：

表3 两种机制砂矿物组成

（2）两种岩性的机制砂利用国家新标准方孔砂石筛按表4 级配进行筛分和配制，配制后根据GB 14684-2011《建设用砂》［4］中第7.13.2 条及7.5.3 条的方法分别测试其压碎值和MB 值，测试结果见表5

表4 机制砂级配

表5 配制后机制砂的性能指标

2.1.3 聚羧酸高性能减水剂：试验使用厦门宏发先科新型建材有限公司出产的HPCA-600 型聚羧酸高性能减水剂（缓凝型），其主要性能指标见表6。

表6 外加剂性能指标

2.1.4 粉煤灰：试验采用福建省漳州中达集团有限公司（漳州后石电厂）生产的F 类Ⅱ级粉煤灰，其主要性能指标见表7。

表7 粉煤灰性能指标

2.1.5 试验用水：饮用水。

2.1.6 设定基准胶砂配合比用砂：标准砂。

2.2 配置机制砂胶砂配合比：根据GB/T 18736-2017《高强高性能混凝土用矿物外加剂》［5］及 GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》［6］，测定不同岩性的机制砂的胶砂性能，通过调整减水剂用量，保证胶砂流动度达到设定的基准胶砂配合比（见表8）下的流动度（255±5）mm 范围。机制砂胶砂配合比见表9。

表8 基准胶砂配合比及其流动度

表9 胶砂配合比 单位：g

2.3 主要仪器设备：水泥胶砂搅拌机（JJ-5 型）、水泥胶砂流动度测定仪（NLD-3 型）、水泥胶砂振实台（ZS-15 型）、水泥混凝土恒温恒湿标准养护箱（HBY-40A 型）及微机控制压力试验机（WHY-10/300 型）等。

3 结果与分析

3.1 凝灰岩机制砂和花岗岩机制砂对水泥胶砂流动度的影响

（1）凝灰岩机制砂和花岗岩机制砂根据GB 14684-2011《建设用砂》［4］中7.19 条分别进行饱和面干吸水率测定。试验结果：中粒花岗岩机制砂的吸水率大于熔结凝灰岩机制砂的吸水率，见表10。

表10 吸水率

（2）两种岩性的机制砂对聚羧酸高性能减水剂的适应性差别较大，纠其原因应是花岗岩机制砂中的MB 值更大，石粉对减水剂的吸附作用更为明显，并且比表面积也更大。

（3）综合3.1.1 及3.1.2 所述，花岗岩机制砂较凝灰岩机制砂需掺入更多的减水剂才能达到规定的胶砂流动度，见图1。

图1 凝灰岩及花岗岩机制砂胶砂减水剂掺量

3.2 凝灰岩机制砂和花岗岩机制砂的碱-硅酸反应活性

根据TB/T 3275-2018 《铁路混凝土》［7］中附录B 快速砂浆棒法进行骨料碱-硅酸反应活性的测定，试验结果见表11：

表11 两种机制砂快速砂浆膨胀率

从碱-硅酸反应活性试验结果分析，凝灰岩机制砂碱-硅酸反应高于花岗岩机制砂，并且14d 砂浆膨胀率超过了0.10%。

3.3 凝灰岩机制砂和花岗岩机制砂对水泥胶砂强度的影响

依据GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》［8］，利用本文1.2 条两种机制砂配置的胶砂配合比，分别做胶砂强度试验。从强度结果分析，花岗岩机制砂7d 和28d 抗折强度和抗压强度略高于凝灰岩，但差距并不大，见表12、图2、图3。

表12 凝灰岩及花岗岩机制砂胶砂强度试验结果

图2 凝灰岩及花岗岩机制砂胶砂7 天、28 天抗折强度

图3 凝灰岩及花岗岩机制砂胶砂7 天、28 天抗压强度

4 结论

（1）凝灰岩机制砂MB 值比花岗岩小，对减水剂的适应性更好，有益于提升胶砂的和易性能（流动度）。

（2）虽然凝灰岩和花岗岩机制砂对减水剂的适应性有较大的差异，但对于胶砂强度的影响很小，这与机制砂的岩石成分、结构组成等因素有关。

（3）凝灰岩因含微晶石英，经骨料碱活性检测方法（快速砂浆棒法）测定，具有潜在碱-硅酸盐反应危害，在使用过程中需控制混凝土中的总碱含量，尽量使用低碱水泥。

（4）机制砂中的MB 值与其石粉中的黏土质含量相关，MB 值越大，黏土质含量越多，对减水剂的吸附性越强［3］，因此花岗岩机制砂较凝灰岩机制砂对减水剂的吸附能力更强，在实际使用过程中应控制石粉含量或提高减水剂的用量。

（5）本文虽只验证了不同岩性的机制砂对胶砂性能的影响，但对机制砂用于混凝土有一定的参考意义。