人工砂泥粉对混凝土性能不利影响分析

李 家 正，龚 德 新，林 育 强，李 杨

(长江科学院 材料与结构研究所，湖北 武汉 430010)

0 引 言

近年来，随着基础设施建设用砂需求的增大，天然砂的产量和品质不断下降，成本提高。人工砂作为天然砂的替代材料，逐渐得到了广泛使用。人工砂生产过程中，由于其开采母岩的表层土、岩石夹层土、软弱夹层和岩石裂隙中的沉积泥质无法彻底清除，或者由于岩石风化程度较高，生产的人工砂中不可避免地含有泥粉，其与破碎母岩时产生的石粉混在一起组成人工砂中粒径为0.075 mm以下的微粒。许多工程中人工砂的泥粉未能得到有效控制，但混凝土对砂石的要求越来越高，特别是高强和高性能混凝土对骨料的要求特别严格[1-3]。

由于石粉和泥粉的矿物组成和特性存在差异，对混凝土性能的影响也就显著不同。石粉的矿物组成和特性与被加工的母岩相同，而泥粉与来源于纯净人工砂母岩的石粉有着本质的区别，成分复杂，主要是由软质、风化的岩石颗粒转化成的黏土颗粒(按照相关标准下文简称黏粒)，成分主要是铝硅酸盐、镁硅酸盐和铁硅酸盐等，有疏松多孔的层状结构。黏土矿物基本结构单元包括硅氧四面体和铝八面体，层间以弱分子键连接，黏粒在微观层面上存在大量孔隙，大大增加了其比表面积。一般情况下黏粒表面会电离Al3+离子而使其表面带负电[4-8]，对混凝土性能产生如下的影响：① 黏粒的粒径较细，对微细颗粒级配和微结构具有改善作用，可能起到微集料效应，对混凝土内部孔隙有一定的填充作用，能提高混凝土的密实度[4-5]；② 黏粒为疏松多孔的层状结构，具有较大的比表面积，吸附能力强，其含量的增加会增大混凝土的拌和用水量或外加剂用量，对聚羧酸减水剂的效能有较大的负作用，且阻碍水泥的正常水化反应；③ 黏粒吸水饱胀后会产生膨胀、松软等现象，在混凝土中形成强度薄弱区，影响水泥浆体与骨料的胶结作用，导致整体结构性变差，密实度和强度降低，从而影响人工砂混凝土的力学性能、干缩性能和耐久性能等[9-12]。

准确评价人工砂中泥土对混凝土性能的不利影响，需准确表征人工砂含泥量和所含黏土矿物类型。但存在两方面难题：① 人工砂中泥粉和石粉相互混杂，很难完全彻底地分离并直接准确地测试其中的含泥量；② 泥粉中黏土矿物组成差异很大，导致人工砂含量相同、黏土矿物不同的泥粉对混凝土的影响却不同，不能简单用含泥量来表征人工砂泥土对混凝土性能的影响。GB/T 14684-2011《建设用砂》、SL/T 352-2020《水工混凝土试验规程》规定：采用亚甲基蓝试验测试一定量的人工砂悬浊液中所能吸附1%浓度的亚甲基蓝溶液的体积，并经换算得出人工砂的亚甲基蓝值(Methylene Blue Value，MB值)，单位为g/kg(下文略去单位)。因此，可以使用MB值来表征人工砂中的含泥量。

现有标准普遍认为只有人工砂含石粉，天然砂含泥粉，故仅对天然砂含泥量的限值有规定，而未对人工砂含泥量的限值加以规定。在水利工程领域没有人工砂MB值限制的强制性标准，仅规定MB值不大于1.4时，判定人工砂中的微粒以石粉为主；MB值大于1.4时，判定人工砂中的微粒以黏土为主。GB/T 14684-2011《建设用砂》、JTG/T 3650-2020《公路桥涵施工技术规范》中对不同级配类别人工砂MB值有明确规定：在级配类别为Ⅰ时，MB值不大于0.5；级配类别为Ⅱ时，MB值不大于1.0；级配类别为Ⅲ时，MB值不大于1.4或快速检测合格。基于此，本文梳理了已有文献中使用固定配合比配制不同含泥量或亚甲基蓝值(Methylene Blue Value，简称MB值)的人工砂混凝土，从混凝土强度、弹性模量、干燥收缩性能、耐久性4方面分析总结了混凝土性能受人工砂泥粉的影响规律。

1 人工砂泥粉对混凝土强度的影响机理及规律

人工砂泥粉中的黏粒对混凝土强度影响主要表现为：① 黏粒对水的吸附作用增大了混凝土界面过渡区水灰比；② 泥粉不具有水化活性，包裹砂粒，阻碍砂与水泥基材黏结、水泥水化，形成强度薄弱区域，降低了砂和水泥基黏结力；③ 泥粉湿胀干缩会在水泥石内部形成空隙或削弱界面黏结；④ 当含泥量较少时，反而因其微集料的作用使混凝土的强度略微提升；⑤ 当含泥量超过临界值时，泥粉吸附大量的外加剂和自由水，水分挥发后在其周围形成了孔隙，使混凝土孔隙率增大，增大了与周围孔隙连通的几率，最终影响硬化后混凝土的强度[13-20]。

1.1 人工砂MB值对相同胶凝材料用量的混凝土抗压强度的影响

王冀忠等[21]试验用的混凝土胶凝材料用量固定，工作性能基本一致。当MB值小于1.2时，混凝土抗压强度变化很小，变化强度范围在1.0～1.6 MPa；当MB值大于1.2时，混凝土的强度持续降低，MB值对混凝土强度影响较大。随着MB值增大，混凝土强度值降幅加大(见图1)。

图1 相同胶凝材料用量下MB值与混凝土抗压强度(28 d)的关系[21]Fig.1 The relationship between MB value and 28 d compressive strength of concrete under the same binding material dosage

1.2 人工砂含泥量对不同强度等级混凝土抗压强度的影响

混凝土强度等级越高，其抗压强度受人工砂含泥量的影响越大。高强度等级混凝土的水泥石强度高，水灰比小，泥土会在混凝土中形成薄弱区域，影响水泥石与混凝土的界面的黏接，同时吸附水而增大界面过渡区的水灰比，造成随含泥量的增加其抗压强度降低的趋势[22-23]。

杜毅[23]配制了C20，C30，C40，C50共4组强度等级的混凝土，分别测试含泥量为0.5%～3.0%的共6组人工砂混凝土抗压强度，研究不同强度等级混凝土抗压强度受含泥量影响的差异性。研究发现，随着砂含泥量增加，混凝土抗压强度下降，且随混凝土强度等级的增大这种下降趋势增加(见图2)。因该研究未指明泥中的黏土矿物特性，其规律不具备普遍指导意义。

图2 含泥量与不同强度等级混凝抗压强度之间的关系[23]Fig.2 The relationship between the soil content and the compressive strength of concrete with different strength grades

宋军超等[14]采用5组不同含泥量(1%，2%，3%，4%和5%)的人工砂配制混凝土，测试各组混凝土抗压强度。研究发现：对于低强度等级(C25、C30)混凝土，含泥量在0%～2%时，其抗压强度有略微升高后下降的趋势，当含泥量超过3%时其抗压强度略微降低；而中高强度混凝土(C40、C50)的抗压强度受含泥量的影响作用比较明显，随着含泥量的增加，其抗压强度呈持续降低趋势，当含泥量超过5%时，其28 d抗压强度达不到设计要求(见图3)。

图3 含泥量与不同强度等级混凝土28 d抗压强度之间的关系[14]Fig.3 The relationship between soil content and 28 d compressive strength of concrete with different strength grades

王稷良等[24]对于人工砂MB值对低强度等级混凝土的抗压强度影响规律相似：适当的MB值可以改善新拌混凝土的保水性及自由水在粗集料表面富集的状况，提高硬化混凝土界面过渡区性能，在一定程度上改善了混凝土的力学性能。

1.3 人工砂含泥量对混凝土抗压强度发展的影响

于涛等[15]将从试验砂中筛洗出来的泥土进行烘干处理，将水洗砂的含泥量从1.25%以1%递增的方式内掺取代试验用砂，采用常用的C30、C40混凝土进行试验。试验中的C30混凝土选用两种聚羧酸外加剂，对比研究它们对混凝土抗压强度的影响。研究发现，使用C、D两家厂聚羧酸外加剂的混凝土其抗压强度随人工砂含泥量在1.25%～6.25%范围内并没有明显的下降；当含泥量大于6.25%时，混凝土28 d抗压强度开始下降。当含泥量超过7.25%以后，混凝土的28 d抗压强度下降较大，如图4所示。

图4 含泥量与不同龄期混凝土抗压强度的关系[15]Fig.4 The relationship between the soil content and compressive strength of concrete at different ages

陈妙福[25]研究发现：随着人工砂MB值的增加，混凝土3 d抗压强度出现不同程度的降低，7 d和28 d抗压强度先增加后降低，在MB值为1.4时抗压强度达到最大值(见图5)。

图5 MB值与不同龄期混凝土抗压强度的关系[25]Fig.5 The relationship between the MB value and compressive strength of the concrete at different ages

1.4 人工砂含泥量对混凝土抗拉强度的影响

王志军[26]采用0.45，0.50两组水胶比和5种含泥量(3.0%，5.0%，7.0%，9.0%，11.0%)的人工砂配制共10种不同组合的混凝土进行抗拉强度试验。研究发现：混凝土抗拉强度随着人工砂含泥量的增大而持续降低。两组不同水灰比的情况下，含泥量对混凝土强度的影响规律基本一致，如图6所示。

图6 含泥量与抗拉强度关系[26]Fig.6 The relationship between soil content and tensile strength

对比分析以上研究成果发现：① 随着人工砂含泥量的增加，C30，C40，C50混凝土强度总体皆呈下降趋势，但下降的程度有较大差别。这可能是因为人工砂使用了含有不同黏土矿物类型的泥土，虽然含量相同，但MB值不同，对混凝土强度的影响程度也不同。② 在研究不同龄期混凝土抗压强度受泥土的影响时，于涛等[15]使用了含泥量这一指标，发现当含泥量在1.25%～6.25%之间时，混凝土抗压强度并没有明显下降。而陈妙福[25]使用的是人工砂MB值这一指标，混凝土抗压强度在人工砂MB值为1.2～2.8范围内下降的趋势明显。原因在于，于涛等使用的泥土主要成分是非膨胀性黏土，人工砂含泥量在1.25%～6.25%之间时，其MB值较小，对混凝土抗压强度的影响也较小。以上结论进一步验证了使用MB值来综合表征人工砂中泥土对混凝土性能影响更合适。

关于人工砂含泥量对低强度等级混凝土抗压强度影响，各位学者的结论相似，即在MB值或含泥量较小时，混凝土的抗压强度有一个小幅上升趋势，这是由于泥在混凝土中的微细集料填充作用略微提高了其抗压强度。

2 人工砂泥粉对混凝土弹性模量的影响

由于人工砂MB值小于1.85时，含泥量不大，混凝土弹性模量受到的影响不大，弹性模量随MB值增加呈先略微增长后下降的趋势；当MB值大于1.85以后，含泥量的提高阻碍了水泥的正常水化，降低了水泥石的强度，从而导致了混凝土弹性模量的降低[27]。

李北星等[28]固定混凝土基准配合比和外加剂掺量，人工砂中粒径小于75 μm的颗粒含量固定为7%(即石粉和泥含量之和)，通过增加人工砂中3种不同矿物特性的黏土，逐步增加MB值，研究不同人工砂MB值对混凝土性能的影响。研究发现：人工砂MB值不大于1.80时，随着MB值的增大，混凝土的弹性模量几乎没有变化；但当MB值达到2.15时，混凝土的弹性模量开始降低。

夏京亮等[29]将泥与石粉含量之和固定为7%，含泥量从0按1%等差增加至6%，得到7组不同含泥量的人工砂，试制C30、C40两组不同强度等级的混凝土，组内的配合比、用水量等固定不变，分别测试各自性能。研究发现：当人工砂MB值增加时，C40混凝土28 d弹性模量逐渐下降，从MB值为0.35时的43.6 GPa减小至MB值为2.45时的39.1 GPa，降幅为10.32%；对于C30混凝土，当含泥量在5%以内时，弹模下降趋势较平稳，一旦含泥量含量达到6%，28 d弹模出现骤降，从MB值为0.35时42.1 GPa降低到MB值为2.45时的38.2 GPa，降幅为9.26%，如图7所示。

图7 MB值对C30、C40混凝土抗压强度和弹性模量的影响[29]Fig.7 The influence of MB value on the compressive strength and elastic modulus of C30，C40 concrete

王志军[26]研究发现：混凝土的抗压弹性模量随着人工砂含泥量的增加而持续下降，当砂中含泥量超出7%以后变化更为明显，如图8所示。

图8 含泥量与抗压弹性模量的关系[26]Fig.8 The relationship between the soil content and the compressive elastic modulus

对比以上分析发现，李北星等[28]与夏京亮等[29]的研究规律比较一致，即当人工砂MB值大于2.1或含泥量大于6%时，混凝土的弹性模量有显著的下降趋势。而由于王志军[26]使用了人工砂含泥量这一指标，无对应的MB值，得出含泥量大于7%时混凝土弹性模量明显降低。由于人工砂含泥量与MB值存在相关性，故人工砂MB值和含泥量对混凝土弹性模量的影响基本一致。

3 人工砂泥粉对混凝土干燥收缩性能的影响

随着人工砂MB值的增大，混凝土的干缩率无论是早期还是后期都有明显增加。泥土在混凝土中吸附大量拌和水，造成如下两方面的影响：① 当混凝土处于干燥环境，随着表面水分的不断挥发损失，混凝土内部水向外迁移，内部相对湿度降低，原来吸附于泥土颗粒空隙中的水由于扩散作用被释放，混凝土的干燥收缩增大。② 随着MB值增大，混凝土达到固定工作性所需的用水量增加以致水灰比的增大，高效减水剂用量的增加，加之泥土自身湿胀干缩的特性导致水泥砂浆干燥收缩的增大[28，30-32]。

3.1 人工砂MB值对不同强度等级混凝土干燥收缩的影响

杜毅[23]研究发现：随着人工砂含泥量的增加，混凝土干燥收缩率增大，且对高强度等级混凝土干燥收缩率的影响大于低强度等级混凝土。在含泥量达3%以上时，混凝土的干燥收缩值呈明显增加的趋势，如图9所示。

图9 含泥量与混凝土干燥收缩率的关系[23]Fig.9 The relationship between soil content and dry shrinkage ratio of concrete

3.2 人工砂MB值对不同龄期混凝土干燥收缩的影响

李北星等[28]研究发现：随着人工砂MB值的增大，特别是在MB值超过1.45后，混凝土的干缩率在各龄期均有一定增加，如图10所示。

图10 MB值对混凝土干燥收缩率的影响[28]Fig.10 The relationship between MB value and dry shrinkage ratio of concrete

3.3 人工砂MB值对砂浆干燥收缩终值的影响

胡兵等[33]采用0.32的水胶比、0.5的胶砂比、1.5%的减水剂掺量、4种不同MB值的人工砂配制砂浆进行干燥收缩试验，结果表明：砂浆干燥收缩终值随MB值呈线性增加的关系，如图11所示。砂浆干燥收缩率受人工砂含泥量的影响，但本质上是受MB值的影响，MB值更能准确反映泥土对砂浆收缩的影响。

图11 MB值与砂浆干燥收缩终值的关系[33]Fig.11 The relationship between MB value and final dry shrinkage value of mortar

对比以上研究发现，杜毅与李北星试验结果中的混凝土干燥收缩率存在较大的差异。可能的原因包括：① 混凝土强度等级不同；② 龄期不同。相比之下，胡兵设计的试验由于砂浆的骨料更加均匀，其试件干燥收缩率终值的变化规律更具有稳定性，研究结果更接近客观规律。

4 人工砂泥粉对混凝土耐久性的影响

在环境作用下，材料的变化会导致结构性能随时间不断劣化。混凝土耐久性是指在环境的各种不利影响下，能够长期保持其良好的使用性能和外观完整性，从而维持混凝土结构的安全、正常使用的能力。其衡量指标主要包括：抗冻性能、抗渗性能和抗碳化能力。含有泥粉的混凝土结构较为疏松，并且其内部微裂纹以及空隙数量均相对较大，混凝土内部缺陷的增多必然会对其抗渗性、抗裂性及抗冻性造成不利影响[34-35]。

4.1 人工砂含泥量对混凝土抗冻性能的影响

水灰比和饱水度是决定混凝土抗冻性能的关键因素，混凝土中泥土的湿胀干缩会形成毛细孔和微裂纹，在饱水环境下会提高混凝土饱水度，加剧冻融破坏作用，导致抗冻性能降低。泥粉的吸水膨胀、失水收缩作用导致混凝土密实度降低，开口空隙增多，在冻融循环中由于存在冰冻的膨胀作用，毛细孔壁结构被破坏，使得混凝土质量和动弹性模量大大降低[36-38]。

王志军[26]研究发现：在水胶比相同的情况下，混凝土抗冻等级均随着人工砂含泥量的增加而降低，相同的人工砂含泥量，抗冻等级随着水胶比的增大而降低，如图12所示。

图12 含泥量与抗冻等级的关系[26]Fig.12 The relationship between soil content and frost resistance grade

4.2 人工砂MB值对混凝土抗碳化性能的影响

陈妙福[25]研究发现：混凝土碳化深度总体上随着人工砂MB值增加而增大。当人工砂MB值低于1.4时，对早期碳化影响较小，这是由于人工砂MB值适当增加对混凝土早期致密度有一定改善，内部孔隙相对减少，对CO2等气体侵入起到一定阻碍作用；当人工砂MB值进一步增加，混凝土内部缺陷和连通孔隙增多，碳化速度加快，如图13所示。

图13 MB值对混凝土碳化深度的影响[25]Fig.13 The influence of MB value on the carbonization depth of concrete

4.3 人工砂泥粉对混凝土抗渗性能的影响

一方面，由于人工砂中的泥粉吸水率较高，能起到一定的保水性作用，改善混凝土拌和物的离析泌水现象，降低混凝土的泌水率和减少自由水在骨料表面的富集状况，混凝土界面过渡区得到改善；同时，泥粉填充了混凝土中毛细孔并且减少了泌水产生的毛细管扩散通道，改善了抗渗透性。另一方面，由于泥粉吸附混凝土中过多的自由水，产生湿胀干缩，在水泥石内部形成空隙与微裂纹削弱了抗渗透性[23，39-41]。

杜毅[23]采用NEL型混凝土快速真空保水盐装置及混凝土渗透性电测仪检测混凝土中的氯离子扩散系数DNEL，对混凝土渗透性进行检测。如图14所示，当人工砂中含泥量增加，C20～C50 5种强度等级的混凝土氯离子扩散系数增大，抗渗性下降，耐久性能随之下降；当砂中含泥量达到3%时，氯离子扩散系数明显增加，且C50混凝土所受影响比C20混凝土更大。

图14 含泥量与混凝土氯离子扩散系数之间的关系[23]Fig.14 The relationship between soil content and chloride ion diffusion coefficient of concrete

王志军[26]研究发现：在水胶比相同的情况下，混凝土抗渗等级均随着人工砂含泥量的增加而降低，当人工砂含泥量相同时，抗渗等级随着水胶比的增大而降低。含泥量越小，强度越高，混凝土的抗渗性能越好，如图15所示。

图15 含泥量与抗渗等级关系[26]Fig.15 The relationship between soil content and anti-permeable grade

夏京亮等[29]研究发现：随着人工砂MB值的增大，C40、C50混凝土的电通量、氯离子扩散系数、孔结构参数均出现先提高再降低的规律，当人工砂MB值小于1.4时，对混凝土的密实性和抗渗性有一定的改善效果，56 d电通量低于1 200 C；若MB值大于1.4，混凝土各项性能迅速降低，如图16所示。

图16 人工砂MB值对 C30、C40混凝土56 d电通量和氯离子扩散系数的影响[29]Fig.16 The influence of artificial sand MB value on 56 d electric flux and chloride ion diffusion coefficient of C30，C40 concrete

对比以上研究发现，混凝土抗渗性随着人工砂含泥量或MB值增加而逐渐劣化。夏京亮研究得出，混凝土抗渗性受人工砂含量显著影响的值为3%，得出的规律与杜毅的研究结果相似。

5 结 论

(1) 当人工砂MB值小于1.2时，低强度等级混凝土其抗压强度随着人工砂MB值的增大而小幅提高；但当人工砂MB值超过1.2时，混凝土抗压强度随之降低。高强度等级混凝土抗压强度随着人工砂MB值的增大持续降低。

(2) 混凝土的弹性模量随人工砂MB值的增大而持续降低，显著降低时人工砂MB值为2.1左右。

(3) 不同龄期混凝土的干燥收缩率随人工砂MB值增大均增加，显著增加时人工砂MB值为1.45。

(4) 混凝土碳化深度总体上随人工砂MB值增大而增加，显著增加时人工砂MB值为1.4。

(5) 混凝土的电通量、氯离子扩散系数、孔结构参数，均随人工砂MB值增大呈现先改善再降低的规律。当人工砂MB值不大于1.4时，对混凝土的密实性和抗渗性有一定的改善效果；若MB值大于1.4，混凝土各项耐久性能迅速降低。