花岗岩机制砂石粉MB值对混凝土性能的影响

郭猛，杨杰，黄鹏宇，高超，夏京亮

（1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045；4.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013）

0 引言

随着我国建设行业的飞速发展，可供开采的天然砂资源日益紧缺，加上环保政策对砂石开采的限制，很多地方出现了建设用砂供不应求的现象，用机制砂逐步替代天然砂已是大势所趋[1]。生产机制砂过程中，会产生10%～20%粒径小于75 μm 的微粉[2]，岩石破碎过程中不可避免的会带有一些存在于岩石夹层或者岩石空隙等地方的泥土杂质，所以产生的微粉中除了和母岩化学成分相同的岩石粉，还有一部分则是以黏土矿物为主要成分的泥粉[3]。石粉与泥粉的化学成分和结构存在较大差异，在混凝土中的作用也有所不同[4]。粒径较小的石粉和泥粉都具有填充效应，可以填充空隙，而泥粉具有很强的吸附效应，主要成分以黏土矿物为主。黏土矿物是含水层状铝硅酸盐类矿物的总称，它是八面体铝酸盐层（AlO6）夹在2层四面体硅酸盐层（SiO4）间组成的二维层状结构[5-6]，这种层状结构使得黏土内部存在大量空隙，黏土比表面积增大，同时Al3+离子能与水作用形成胶体颗粒[7]，所以黏土能吸附较多的水分子；黏土中高价阳离子（如Al3+、Si4+）被低价阳离子（Ca2+、Mg2+等）取代而带负电，对阳离子有较强的吸附能力，所以相较于石粉，泥粉对水分子和减水剂分子的吸附性强，已有的研究表明，若微粉中的泥粉含量过高，会对混凝土拌合物的工作性、混凝土强度及其耐久性造成不利影响[8-9]，所以在机制砂生产过程中，应注意控制微粉中泥粉的含量。

现行标准中，如GB/T 14684—2011《建设用砂》和JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》，把机制砂生产过程中粒径小于75 μm 的颗粒定义为石粉，同时用亚甲蓝值（MB）作为判断石粉吸附性的指标。亚甲蓝分子在溶液中带有正电荷[10-11]，具有阳离子吸附性的泥粉对亚甲蓝的敏感度很高，所以亚甲蓝值作为吸附性能指标可以在一定程度上反映石粉中泥粉的含量。生产花岗岩机制砂过程中会产生大量的花岗岩石粉，机制砂中的石粉含量和石粉中的泥粉含量都会影响混凝土的性能。目前，国内外在花岗岩机制砂石粉含量对混凝土性能的影响方面进行了大量试验[11-12]，但缺乏关于石粉吸附性对混凝土性能影响的研究。

为研究花岗岩机制砂石粉MB 值对混凝土性能的影响，本试验固定机制砂石粉含量为10%，通过调整纯石粉和黏土石粉比例改变MB 值，从而研究石粉MB 值对石粉流动度以及对C30、C50 混凝土工作性、抗压强度、电通量和抗碳化性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：金隅冀东产P·O42.5 水泥，初、终凝时间分别为130、175 min，标准稠度用水量为27%，3、28 d 抗压强度分别为26.5、51.6 MPa。

机制砂：水洗花岗岩机制砂，细度模数2.8，Ⅱ区中砂，压碎值15.4%，饱和面干吸水率1.2%，MB 值为0.6 g/kg。

石粉：纯石粉为水洗机制砂经实验室球磨机磨细后筛除大于75 μm 的细颗粒得到，其MB 值为1.9 g/kg；黏土石粉为生产机制砂的矿山山皮土经试验室球磨机磨细后筛除大于75 μm 的细颗粒得到。将纯石粉和黏土石粉混合掺加到机制砂中，使机制砂的石粉含量为10%，通过调整纯石粉和黏土石粉的质量比分别为1∶0、9∶1、8.4∶1.6、7.6∶2.4、7∶3，使得石粉的MB 值分别为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 g/kg。

石：5～25 mm 连续级配碎石，压碎值13.7%。

粉煤灰：Ⅱ级，细度（45 μm 筛筛余）17.6%，需水量比99%。

聚羧酸系高性能减水剂：固含量20.6%，减水率25%。

1.2 混凝土配合比

参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，分别配制C30、C50 混凝土，具体配合比见表1。

表1 试验混凝土配合比

1.3 试验方法

石粉MB 值和流动度比：按照JG/T 568—2019 进行测试；混凝拌合物土坍落度、扩展度：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；混凝土抗压强度：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试；混凝土抗氯离子渗透性能、碳化性能：按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。

2 结果与分析

2.1 石粉MB 值对石粉流动度比的影响（见图1）

图1 花岗岩机制砂石粉MB 值对石粉流动度比的影响

石粉流动度比是用来衡量微粉对水和减水剂吸附性的一项指标。由图1 可见，随着石粉MB 值的增大，石粉流动度比逐渐减小，石粉MB 值越大，流动度比越小，相比于石粉MB值为2 g/kg 时，MB 值为4、6、8、10 g/kg 的石粉流动度比分别减小了6.96%、14.78%、20.87%、27.83%。石粉MB 值与石粉流动度比呈负相关。当石粉MB 值小于4 g/kg 时，石粉流动度比大于100%，石粉中黏土含量较少时，对水和减水剂分子吸附不明显，石粉填充微小空隙，起润滑骨料的作用；当石粉MB值大于4 g/kg 时，石粉流动度比小于100%，黏土的吸附作用起主导作用。随着石粉MB 值的增大，石粉中黏土的含量增多，对减水剂分子和水分子的吸附性增强，因此，会使砂浆的流动度也越来越小。

2.2 石粉MB 值对混凝土工作性的影响

通过对比达到相近坍落度下减水剂用量、扩展度和坍落度及其经时损失来评价花岗岩机制砂石粉MB 值对混凝土工作性的影响。不同石粉MB 值下C30、C50 混凝土在坍落度为（230±10）mm 时减水剂用量的变化如图2 所示。

图2 石粉MB 值对花岗岩机制砂混凝土减水剂用量的影响

由图2 可见，对于C30、C50 混凝土，减水剂用量均随着石粉MB 值的增大（黏土含量增多）而增加。石粉MB 值从2 g/kg 增大到10 g/kg 时，C30、C50 混凝土的减水剂用量分别增加了38.16%、35.71%，在相同石粉MB 值增加幅度下，不同强度等级混凝土对减水剂需求量的增加幅度相近。

石粉MB 值对混凝土拌合物坍落度和扩展度的影响如图3 所示。

由图3 可见，随着石粉MB 值的增大，拌合物的坍落度和扩展度经时损失都呈不断增大的趋势，石粉中黏土含量的增多会加快拌合物坍落度和扩展度的损失，降低拌合物的工作性。黏土有较强的吸附性和吸水性，一方面，黏土吸水膨胀，既降低浆体中自由水的含量，又因体积膨胀增大了固相的体积，另一方面，黏土在拌合过程中会吸附减水剂分子，减水剂的实际减水效果被降低，保坍作用被削弱[5，13]，所以黏土含量增加（石粉MB 值增大）会使混凝土拌合物减水剂用量增加，坍落度和扩展度经时损失增大。

图3 石粉MB 值对花岗岩机制砂混凝土拌合物坍落度和扩展度的影响

2.3 石粉MB 值对混凝土力学性能的影响（见图4）

图4 石粉MB 值对花岗岩机制砂混凝土抗压强度的影响

由图4 可见，对于C30 和C50 混凝土，当石粉MB 值大于2 g/kg 时，随着石粉MB 值的增大，混凝土3、7、28 d 抗压强度都呈不断降低的趋势。随着石粉中黏土含量的增多，黏土吸附大量水分和减水剂分子，影响了水泥的水化进程[14]，其黏附在浆体与骨料之间，削弱了界面粘结力，影响界面过渡区强度，同时黏土由于层状结构所具有的湿胀干缩性质也会增大混凝土内部的空隙率[15]，所以，随着石粉MB 值的增大，黏土含量增多，C30、C50 混凝土的抗压强度降低。

相比于石粉MB 值为2 g/kg 时，石粉MB 值为10 g/kg 时C30 混凝土的3、7、28 d 抗压强度分别降低了4.18%、12.53%、9.73%，C50 混凝土的3、7、28 d 抗压强度分别降低了10.24%、9.03%、9.19%。石粉MB 值对C30 混凝土3 d 抗压强度的影响较小，对7 d、28 d 抗压强度影响较大；石粉MB 值对C50 早期抗压强度影响也十分明显。这是因为相比于C50 混凝土，水胶比较大的C30 混凝土早期内部自由水含量较多，可以提供较为充足的水分参与水泥水化进程，所以C30 混凝土3 d 抗压强度变化较小，总体来说，石粉MB 值的增大对混凝土的抗压强度有负面影响。

2.4 石粉MB 值对混凝土耐久性能的影响

2.4.1 对电通量的影响（见图5）

图5 石粉MB值对花岗岩机制砂混凝土电通量的影响

由图5 可知，当石粉MB 值>2 g/kg 时，随着石粉MB 值的增大，C30 和C50 混凝土的28、56 d 电通量均不断增大，抗氯离子性能降低，混凝土内部的密实度和致密性下降。黏土虽然有较强的吸附能力，但本身不具有参与水化反应的能力，吸附大量水分子膨胀后，阻碍了早期水泥水化的结晶成核过程，弱化了界面过渡区的粘结作用，使混凝土内部密实度下降；同时由于黏土的湿胀干缩特性，不参与反应的黏土后期失水缩小后，会在原有的位置形成孔隙，增大了混凝土内部的孔隙率[16]，从而导致抗渗性降低。

由图5（a）可知，对于C30 混凝土，不同石粉MB 值下56 d时的电通量都小于28 d 时的电通量，这主要是水泥和矿物掺合料持续水化增大了混凝土的密实度。随着石粉MB 值的增大，28、56 d 电通量均不断增大，当石粉MB 值为10 g/kg 时达到最大，分别为2492、2018 C。相较于石粉MB 值为2 g/kg 时，石粉MB 值为10 g/kg 的混凝土28、56 d 电通量分别增大了9.15%、15.00%，石粉MB 值对C30 混凝土56 d 电通量影响程度更大。由图5（b）可知，相同龄期下，C50 混凝土电通量的变化趋势与C30 混凝土类似，石粉MB 值为10 g/kg 时，混凝土的28、56 d 电通量分别为2087、1723 C，比石粉MB 值2 g/kg时分别增大了14.00%、26.41%，C50 混凝土28 d 和56 d 电通量的增幅都高于C30 混凝土。可以发现，石粉MB 值对强度更高、结构更致密的混凝土抗渗性和内部密实度影响程度更大，所以在配制高强混凝土时需要格外注意控制石粉的MB 值。

2.4.2 对抗碳化性能的影响（见图6）

图6 石粉MB值对花岗岩机制砂混凝土抗碳化性能的影响

由图6 可见，混凝土碳化速率随着龄期的延长而逐渐变慢，对于不同强度等级的混凝土，3、7、14、28 d 时的碳化深度都随着石粉MB 值的增加而增大。由于黏土含量的增加，造成了混凝土内部孔隙率增大，密实度降低，有利于CO2的扩散，使碳化深度增加[17]。相比于MB 值为2 g/kg，MB 值为10 g/kg时C30 混凝土的7、28 d 碳化深度分别增大了7.84%、11.86%，C50 混凝土的7、28 d 碳化深度分别增大了15.15%、13.95%，相较于C30 混凝土，C50 混凝土对石粉MB 值的变化更敏感，碳化深度增幅更大。

通过测试不同强度等级混凝土在不同石粉MB 值下电通量和碳化深度的变化可以发现，当石粉MB 值大于2 g/kg 时，随着石粉MB 值的增大，混凝土的电通量和碳化深度增加，混凝土内部孔隙率增大，密实度降低，抗氯离子渗透性能降低，不利于混凝土的耐久性。同时可以发现，相比于低强度等级的混凝土，强度较高、水胶比较小的混凝土耐久性对石粉MB 值的变化更为敏感，石粉MB 值越大，耐久性越差。

3 结论

（1）当花岗岩机制砂石粉MB 值>2 g/kg 时，随着石粉MB值的增大，石粉的流动度比减小，相同坍落度下混凝土拌合物所需减水剂用量增加，坍落度和扩展度损失速率增大。

（2）当石粉MB 值>2 g/kg 时，石粉MB 值的增大不利于混凝土抗压强度的发展，随着石粉MB 值的增大，混凝土各龄期的抗压强度都呈下降的趋势。

（3）随着石粉MB 值的增大，混凝土的电通量增大，碳化深度增加，混凝土内部密实度下降，抗氯离子渗透和抗碳化性能下降，耐久性变差。

（4）相较于C30 混凝土，石粉MB 值的变化对强度更高、水胶比更小的C50 混凝土的耐久性影响程度更大。