机制砂中云母含量对水泥基材料性能影响的试验研究

刘焕强，杨雪青，陈渊召

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045；2.华北水利水电大学 信息工程学院，河南 郑州 450046)

砂石材料是水泥混凝土的主要组成材料，其质量的优劣关系到混凝土结构工程质量的优劣[1-2]。随着天然砂石资源的匮乏，机制砂石代替天然砂石成为水泥混凝土骨料的组成部分。由于岩石母体组成成分的不同，所制得的机制砂石性能存在很大的差别。云母是主要造岩矿物之一，云母一般呈薄片状，表面光滑，强度低，易使岩石沿节理错裂[3]。对于高云母含量的机制砂，因云母表面光滑的片状特征使得水泥浆与其黏结力降低，使混凝土及砂浆的性能受损。HOON R C和SHARMA K R[4]在1961年第七届国际大坝会议上提交的报告中指出，天然砂中的云母含量及颗粒大小会对水泥基材料的工作性能、密实度、强度和耐久性产生影响。DEWAR J D[5]的研究指出,砂子中云母含量的增加导致混凝土的单位用水量增加、强度下降。JAMES W[6]的研究也同样表明，砂中云母对混凝土性能有不利影响。WAKIZAKA Y等[7]开展了砂中云母含量对混凝土影响机理的研究。1990年，中国水利水电科学研究院对天然砂中云母含量对混凝土的单位用水量、水泥用量、抗压强度、抗折强度、抗渗等级、抗冻等级等性能进行了系统研究，结果认为，天然砂中云母含量增加会引起混凝土单位用水量增加，对混凝土拌合物性能和混凝土强度、耐久性均有不利影响[3]。李家正等[8]和伏文勇[9]对三峡工程施工过程中古树岭石屑砂中云母含量对混凝土性能的影响开展了详细的研究，结果均表明，云母会对混凝土的耐久性产生不利影响，其原因是云母的乱向水平分布，使混凝土中的气泡难以排出，使其密实度下降所致。钟贻辉[10]通过人工砂与天然砂混合复掺的方法控制云母含量对混凝土的抗冻性能进行试验研究，结果认为，当混合砂中云母含量控制在3.5%以内时，云母对混凝土的抗冻性影响不大；云母本身的薄片状结构及其表面光滑的特点是混凝土抗冻性下降的主要原因。李新宇等[11]、邢界泉[12]对高云母含量石粉对砂浆与混凝土性能的影响进行了试验研究，结果表明，高云母含量人工石粉中的游离云母含量在0%～9%范围内时，对应掺量混凝土的28 d和60 d强度与基准混凝土的相比分别下降约10%，50次冻融循环后该混凝土强度下降2.2%。毛永琳等[13]使用云母粉掺量来试验研究云母粉掺量变化对砂浆流变性的影响，结果表明，当机制砂中云母粉含量大于2.5%时，水泥砂浆的流动性显著下降，与含云母粉不掺减水剂的砂浆相比，含云母粉掺入减水剂的砂浆流动度损失略有增加，二者达到相近流动度时减水剂掺量显著增加，水泥砂浆黏度增加、触变性提高。聚羧酸减水剂在云母颗粒表面吸附较少，这不是造成含云母粉水泥砂浆施工性能劣化的主要原因，反而对其施工性能有利。云母粉颗粒形貌以扁平状为主，该形貌是造成含云母粉水泥砂浆流动性差、黏度大、触变性大的主要原因。

早期文献多对天然砂中云母含量进行试验研究，而目前多使用机制砂，机制砂与天然砂在形态、级配等方面存在较大的区别，且大型工程多采用自身开挖料破碎成砂、石骨料用于混凝土工程，开挖料中云母广泛存在，机制砂中游离云母含量超标，不少工程单位为综合利用废料并响应国家环保要求，要花费大量资金来研究如何降低机制砂中的云母含量，将高云母含量机制砂中的云母含量降至《水工混凝土试验规程》(SL 352)等现行规范允许范围内而达到能被利用的目的。国家标准《建设用砂》(GB/T 14684)和行业规范《水工混凝土试验规程》(SL 352)等对混凝土用砂中的云母含量限制值为按质量计含量不大于2%，工程等级高的工程，混凝土砂中云母含量控制在1%以内。实际上，很多工程开挖料中游离云母含量达到10%以上，这将导致降低开挖料中云母含量的费用大幅增加，如何将机制砂中云母含量控制在合理范围内，从而使由工程开挖料所得的高云母含量机制砂在工程中实现质量与效益双平衡。为此，开展云母含量对水泥基材料性能影响研究意义重大。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1)水泥。水泥为安徽枞阳海螺水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，主要性能指标试验结果见表1。

表1 水泥主要技术性能指标

2)砂子。砂子为市场采购机制砂，Ⅱ区中砂，细度模数为2.6，表观密度为2.65 g/cm3，云母含量为0%。

3)粗骨料。粗骨料为市场采购的级配碎石，粒径为5～20 mm，表观密度为2.73 g/cm3，堆积密度为1.49 g/cm3，空隙率为45.4%，压碎值为6.6%。

4)水。拌合水为洁净的市政自来水。

5)云母。市售白云母，其表观密度为2.61 g/cm3，薄片状，其颗粒粒径分布范围见表2。

表2 云母筛分试验结果

6)粉煤灰。安徽某公司产Ⅱ级粉煤灰，其主要技术性能指标见表3。

表3 粉煤灰主要技术性能指标

1.2 试验方法

1.2.1 水泥胶砂试验

云母含量以质量百分比计，分别掺入0%、2%、4%、6%、8%、10%；水泥500 g，砂1 500 g，初始用水量控制为250 g，即水胶比为0.5。试验过程依照《水泥胶砂强度检验方法》(GB 17671—1999)搅拌并成型40 mm×40 mm×160 mm的三联胶砂试件，并标准养护测试其3 d和28 d抗压、抗折强度。搅拌好的砂浆按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)测试胶砂流动度值，以评价云母含量对砂浆流动性的影响。通过3～5倍的放大镜观察试件断裂面的云母分布状况。

1.2.2 混凝土试验

控制混凝土坍落度值为50～70 mm，成型100 mm×100 mm×100 mm立方体试件若干组用于测试混凝土的抗压强度和劈裂强度，成型150 mm×150 mm×300 mm试件用于测试混凝土的弹性模量；成型100 mm×100 mm×400 mm试件用于测试混凝土的抗冻性；成型顶面直径为175 mm、底面直径为185 mm、高度为150 mm的圆台体试件用于测试混凝土的抗渗性。试验水灰比为0.42，砂率为42%，具体材料用量见表4。所有试件成型完成后按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2020)要求的养护方法进行养护和测试。

表4 混凝土试验配合比

2 结果及分析

2.1 水泥胶砂试验结果

不同云母含量的水泥胶砂试验强度及流动度试验结果见表5，不同粒径的云母在掺量为4%时水泥胶砂强度及流动度试验结果见表6。水泥胶砂强度随云母掺量的变化结果如图1所示。

表5 不同云母含量水泥胶砂强度及流动度试验结果

表6 不同粒径的云母在掺量4%时水泥胶砂强度及流动度试验结果

图1 水泥胶砂强度随云母含量变化柱状图

由表5和图1可知：随着云母含量的增加，水泥胶砂的抗压强度与抗折强度均呈下降趋势，这与已有的研究结果[9-10]是一致的；将4%和6%两种云母含量下的水泥胶砂抗压强度进行对比，云母含量为6%时的水泥胶砂强度高于云母含量为4%的，产生此现象的原因可能是云母含量的增加导致水泥胶砂成型困难，而云母含量为6%的水泥胶砂附加用水量比云母含量为4%的多25 g，胶砂流动度增加了36 mm，云母含量为4%的胶砂流动度过小，水泥胶砂试件成型时的密实度难以保证，云母含量为6%的水泥胶砂流动度较好，保证了成型的密实度。因水的增多引起的强度下降可由水泥胶砂试件成型时的密实度增大来弥补，引起水泥胶砂试件强度出现反增的现象，这也在一定程度上说明，云母含量增加导致水泥基材料工作性能下降是引起水泥基材料强度下降的主要原因之一。当云母含量超过6%，水泥胶砂抗压、抗折强度快速下降，与不含云母的试验结果相比，下降率达53.3%。图2给出了砂浆断面典型云母分布情况。从图2中云母分布可知，云母含量越大，单位截面中的云母含量点数就越多，当云母含量超过6%之后，将对水泥胶砂的工作性能产生较大的不利影响。

图2 砂浆断面典型云母分布图(3～5倍放大镜下用红色记号笔标记结果)

由表6可知，在云母掺量为4%时，随着云母粒径的增大，水泥胶砂强度、胶砂流动度降低。出现此现象的原因与云母的颗粒形态有关。随着云母颗粒粒径的增大，云母薄片状结构导致水泥砂浆的流动性降低，胶砂试件成型困难；同时，在单位截面上也更容易形成薄弱带，使水泥胶砂黏结强度减小，云母掺量越高，对砂浆的黏结区的影响越大，水泥砂浆的抗压、抗折强度下降越多。

2.2 混凝土试验结果

砂浆与混凝土相比，混凝土中存在粗骨料，云母含量以机制砂中的云母掺量计时，在砂浆中单位体积中的云母掺量比混凝土单位体积中的高。混凝土在工程中的作用很重要，研究云母掺量变化对混凝土性能影响有实际意义。结合上文中水泥胶砂试验结果，混凝土试验中选择云母掺量分别为0%、2%、4%、6%的4种情况进行研究，其试验结果见表7。混凝土抗压强度随云母含量变化关系柱状图如图3所示，混凝土抗压强度与云母含量线性拟合结果如图4所示。

图4 云母含量与混凝土抗压强度的拟合关系图

表7 云母含量对混凝土性能影响的试验结果

由图3—4可知：随着云母掺量的增加，混凝土的抗压强度下降，且云母含量与混凝土7 d和28 d抗压强度之间大致呈线性关系，其7 d抗压强度的拟合方程为P=23.08-116a，相关性系数为0.89，28 d的拟合方程为P=44.24-216a，相关性系数为0.97。其中，P为抗压强度值(MPa)，a为云母在细骨料中的质量百分比。这种关系是建立在本试验原材料与试验配合比的基础之上的，其他类似配比混凝土是否也有类似关系，还需要试验验证。

由图3可知：当云母含量从0%增加到2%时，其7 d龄期的混凝土抗压强度下降了14.3%，28 d龄期的混凝土抗压强度下降了10.5%；当云母含量继续增加到4%时,7 d龄期的混凝土抗压强度下降了27.4%，28 d龄期的混凝土抗压强度下降了22.9%；当云母含量超过4%时，这种强度损失率使混凝土的力学性能无法满足工程需求。

图3 混凝土抗压强度随云母含量变化的柱状图

由表7中混凝土含气量试验结果可知，在云母含量为0%时，实测混凝土含气量为1.0%，而其他配比下的混凝土含气量最小为4.5%，最高为5.5%。在水胶比不变的条件下，通常每增加1.0%的含气量，混凝土的强度约下降3%～5%[14]。因此，若将混凝土因引气产生的强度下降排除之后，按每增加1.0%的含气量，混凝土抗压强度下降3%计算，则在云母含量为2%时，因云母含量增加引起的28 d龄期混凝土抗压强度降低的现象几乎不存在，云母含量为4%时的28 d龄期混凝土抗压强度约降低9.4%。这种影响与胶砂强度试验结果相比，云母含量相同时的同龄期的混凝土抗压强度下降幅度小。说明在相同的细骨料云母含量之下，混凝土单位体积中云母含量少。扣除引气剂引起的强度降低值，云母含量为6%时混凝土的强度下降率在18.8%以内。

混凝土弹性模量、抗渗性、抗冻性试验结果见表7。由表7可知，随云母含量的增加，混凝土的弹性模量、抗渗性、抗冻性下降。出现这种结果的原因与混凝土抗压强度下降有关。混凝土强度的下降是静力弹性模量、抗渗性和抗冻性下降的内在原因，也是云母含量增加后混凝土中的微缺陷增加的具体体现。由混凝土弹性模量、抗渗性和抗冻性结果(表7)可知：云母含量为6%时的混凝土与云母含量为0%的相比，弹性模量降低了7.3%，抗冻性满足F50要求；在抗渗性试验中水压增加至0.6 MPa时，6个试件均未出现顶面渗透现象，在低抗渗性要求下，6%云母含量的混凝土的抗渗性可满足工程要求。

前述各项试验结果表明，《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)对细骨料中的云母含量限制值在2%以内，在正常的使用条件下，对于工程中所要求的混凝土强度及耐久性等性能是可以得到保证的。但是，该规定是建立在砂石原材料资源非常丰富的年代，随着砂石资源枯竭，从自然环境保护与开发利用的角度看，很多大型工程的开挖料中云母含量高于《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)规定的2%上限值要求。若使用云母含量超过2%的开挖料，需要对开挖料增加除云母过程，这需要付出高昂的经济代价。若将细骨料中云母的含量提高到2%以上的某个值，如细骨料云母含量为2%～6%时，在C30以下混凝土中使用可满足工程技术要求。目前水利工程中，混凝土强度等级一般在C30及其以下，2%～6%云母含量的骨料可以满足大多数工程建设的需求。这个限值范围更容易实现对开挖料的充分利用，但提高云母含量限制值将对混凝土的性能产生负面影响。对于科技发展的今天，若从环境保护和资源综合利用的角度，将云母含量限值提高至某一合理值(2%～6%)，使得综合效益最大化值得思考。当然，细骨料云母含量限值的提高，需要提供可靠的技术保证措施，确保工程质量安全的前提下，使得综合经济效益最优。

3 结论

在机制砂中掺入一定量的云母，试验研究了云母含量对水泥基材料性能的影响，得出以下结论：

1)随云母含量的增加，水泥砂浆的胶砂流动度、混凝土坍落度降低，这对工程及施工不利。因施工性能下降对水泥基材料的强度和耐久性产生不利影响，这是导致混凝土力学性能、耐久性能等下降的原因之一。

2)机制砂中云母含量与混凝土强度之间呈线性关系，只要获得云母的含量，可以通过回归方程求得相应龄期混凝土的强度，即可定量分析云母含量对混凝土强度的影响，分析结果可指导高云母含量机制砂的应用。

3)规范规定细骨料中云母含量上限值为2%，随着资源枯竭，2%这个限值已制约了工程建设和机制砂的广泛应用。通过试验研究发现，机制砂中云母含量上限值为2%～6%，通过技术手段，可保证C30以下强度等级混凝土的正常使用。