高吸附性花崗巖機制砂對混凝土性能的影響

發(fā)布日期：2023-10-07   瀏覽次數(shù)： 160 次

高吸附性花崗巖機制砂對混凝土性能的影響

劉嘉良1，姜瑞雙2，3，辛崇升４，郭保林2，3，邢又家4，李飛1

（1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京100044；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東濟南250031；3.山東省橋隧結(jié)構(gòu)性能評估與耐久提升工程實驗室，山東濟南250031；4.濟南金曰公路工程有限公司，山東濟南250101）
 

【摘要】花崗巖機制砂用作混凝骨料是緩解河砂資源短缺的重要方式之一，為了研究高吸附性花崗巖機制砂對混凝土性能的影響，利用X射線熒光光譜(X-ray fluorescence spectroscopy，XRF)、X射線衍射(diffraction of X-ray，XRD)、描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)、偏光顯微鏡(polarizing microscope，PM)以及總有機碳分析儀(total or-ganic carbon analyzer，TOC-L)等儀器對機制砂和石粉的礦物組成、微觀形貌和吸附特性進行分析。開展花崗巖、石灰?guī)r2種類型砂制備混凝土及性能對比試驗，探討花崗巖機制砂及其石粉含量對混凝土工作性能、力學(xué)性能和干燥收縮性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，不同類型砂對混凝土工作性能影響明顯?？刂苹炷恋呐浜媳扰c坍落度不變時。花崗巖機制砂制備的混凝土減水劑摻量（配制混凝土?xí)r減水劑與膠凝材料的質(zhì)量比）比石灰?guī)r機制砂組的增加64.3%、28d抗壓強度較石灰?guī)r機制砂組的低15.2%、120混凝土干燥收縮率較石灰?guī)r機制砂組的增大7.6%；花崗巖機制砂級配中石粉質(zhì)量分數(shù)控制在3%~7%時，混凝土的工作性能、力學(xué)性能與于燥收縮性能均取得最優(yōu)值。

【關(guān)鍵詞】花崗巖機制砂；混凝土性能；吸附性；亞甲藍值

我國混凝土年用量已達70億t，其中骨料占混凝土體積的3/4，消耗量巨大，天然河砂供不應(yīng)求。為了保護生態(tài)資源，減少運輸過程中的碳排放，機制砂就地取材成為細骨料供應(yīng)的首要法則?；◢弾r在我國分布廣泛，儲量巨大，開采方便、價格低等特點使其成為制作機制砂的母巖之一。唐凱靖等對３種類型砂（花崗巖、玄武巖、河砂）進行研究，發(fā)現(xiàn)不同類型砂的堆積密度、亞甲藍值區(qū)別較大，對混凝土工作性能的影響最明顯。孫茹茹通過流變實驗發(fā)現(xiàn)花崗巖石粉增大混凝土塑性黏度，可以緩解漿體泌水問題。宋少民等研究表明混凝土工作性能與機制砂表面織構(gòu)及化學(xué)組成相關(guān)性較大。Ｌｉ等利用花崗巖石粉取代膠凝材料的方法，發(fā)現(xiàn)按砂漿體積的15％添加花崗巖石粉可使混凝土收縮降低了37.9％。Ramadji等通過花崗巖石粉部分取代水泥（質(zhì)量分數(shù)為10％～20％）的方法，發(fā)現(xiàn)其對混凝土力學(xué)性能影響較小。Singh等利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和Ｘ射線衍射（diffraction of X-ray，XRD）分析表明，花崗巖機制砂以質(zhì)量分數(shù)３０％取代河砂時，混凝土的抗壓強度、抗彎強度、耐磨性、滲透性得以改善。楊華山等認為不同類型石粉形態(tài)差異巨大，石粉的顆粒形態(tài)（圓度、球度、表面組織等）影響著混凝土的諸多性能。

已有研究主要圍繞石灰?guī)r機制砂混凝土性能展開，但是針對花崗巖機制砂的吸附性能和花崗巖石粉對混凝土性能影響的研究較少。本文中通過Ｘ射線熒光光譜（X-ray fluorescence spectroscopy，XRF）、SEM、XRD、偏光顯微鏡（polarizing microscope，PM）以及總有機碳分析儀（total or-ganic carbon analyzer，TOC-L）多種方式全面分析了石灰?guī)r機制砂與花崗巖機制砂的礦物組成、微觀形貌以及石粉對減水劑的吸附性能，對比了不同類型砂和不同花崗巖石粉含量對混凝土工作性能、力學(xué)性能以及干燥收縮性能的影響，為高效利用花崗巖機制砂提供參考。

1 實驗

1.1 主要材料與儀器設(shè)備材料：水泥（濟南市山水東岳公司產(chǎn)Ｐ·Ｏ42.5級水泥）；粉煤灰（Ⅱ級，選用京臺北Ⅱ標段工程）；細骨料（山東濟南花崗巖機制砂、山東日照石灰?guī)r機制砂，材性測試結(jié)果見表1，其中壓碎指標分別為11％和5％）；粗骨料（連續(xù)級配石灰?guī)r碎石粒徑為4.75～20ｍｍ）；聚羧酸減水劑（西安同成公司生產(chǎn)，減水率為35％、含固量（質(zhì)量分數(shù)，下同）為38.2％）。

儀器設(shè)備RigakuUltimaIV型X射線熒光光譜儀（日本理學(xué)株式會社）、D8Discover型X射線衍射儀（德國布魯克公司）、GeminiSEM300型掃描電子顯微鏡（德國蔡司公司）、Axioskop40型偏光顯微鏡（德國蔡司公司）、總有機碳分析儀（TOC－L）、YA－3000型壓力試驗機（三思縱橫機械制造有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 機制砂吸附性測試

1）采用GB/T14684-2022《建設(shè)用砂》對砂的吸附性能即飽和面干吸水率、亞甲藍值等進行測試。采用JG/T568-2019《高性能混凝土用骨料》對砂的需水量比和機制砂不同粒徑的亞甲藍值進行測試。

2）采用XRD、XRF、SEM、PM對石粉的材性，即微觀形貌、化學(xué)組成、礦物成分等進行表征。

3）將質(zhì)量為100g的石粉或水泥、200g水以及0．2g聚羧酸減水劑混合，并攪拌均勻，在攪拌規(guī)定時間后取出25mL的懸濁液，離心后取出9g的上清液，加入1．5g的濃度為1．0mol／L的鹽酸，除去上清液中的無機碳，再采用TOC－L分析儀測試上清液中的總有機碳含量，通過差值計算得到不同時間石粉或水泥對減水劑分子的吸附量，吸附量與減水劑摻量的質(zhì)量比即為減水劑被吸附率。

1.2.2 混凝土試驗設(shè)計

1）遵循GB/T14684-2022《建設(shè)用砂》II區(qū)中對砂的要求，配制級配相同的花崗巖機制砂、石灰?guī)r機制砂混凝土，通過調(diào)整減水劑摻量（配制混凝土?xí)r減水劑與膠凝材料的質(zhì)量比，下同），將混凝土坍落度控制在（180±10）mm，并觀察2組不同類型機制砂混凝土的工作性能，混凝土配合比見表2，機制砂級配見表3中的L0組。

2）遵循GB/T14684-2022《建設(shè)用砂》II區(qū)中對砂的要求，保證機制砂細度模數(shù)不變的情況下，調(diào)整石粉含量（質(zhì)量分數(shù)，下同）從0增加到20％（0、3％、5％、10％、15％和20％），依次命名為S0-S5?；炷僚浜媳韧?，機制砂級配見表3，其中機制砂不同粒徑顆粒在砂中的質(zhì)量分數(shù)稱為分計篩余。

1.2.3 混凝土性能測試

1）參照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，記錄混凝土坍落度達為（200±10）mm時所需減水劑摻量、倒坍時間的變化規(guī)律。

2）參照GB/T50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》的力學(xué)性能測試要求進行試驗。

3）參照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的干燥收縮測試要求進行試驗。

2 結(jié)果與分析2.1 機制砂吸附特性

2.2.1 機制砂的吸附特性對比機制砂吸附性測試結(jié)果如表4所示，其中花崗巖機制砂亞甲藍值、飽和面干吸水率和機制砂需水量質(zhì)量比分別是石灰?guī)r機制砂的2.6、1.7、1.3倍。由此得出本試驗中采用的花崗巖機制砂的吸附性能明顯優(yōu)于石灰?guī)r機制砂的。

利用JG/T568-2019《高性能混凝土用骨料》的亞甲藍測試方法進一步對比2種機制砂不同粒徑的吸附性能，3組粒徑選取為0～<0.075（石粉）、0.075～<0.15、0.15～0.3mm，測試結(jié)果如表5所示，機制砂隨粒級減小，比表面積增加，亞甲藍值增加。對比發(fā)現(xiàn)，花崗巖機制砂0.15～0.3mm粒徑顆粒的亞甲藍值為3.0g／kg，與石灰?guī)r機制砂石粉的亞甲藍值相近，因此，花崗巖機制砂較大粒徑（0.15～0.3mm）顆粒同樣具有強吸附性。

對比2種石粉對聚羧酸減水劑吸附特性結(jié)果如圖1所示，其中水泥顆粒作為對照組。隨時間延長，3種物料對減水劑吸附率規(guī)律相同，水泥在60s時達58.2％。石灰?guī)r石粉的減水劑吸附率小于水泥的，使得減水劑可以更充分地作用于分散水泥顆粒，促進漿體流動；花崗巖石粉的減水劑吸附率遠高于水泥的，最高可達84.1％，阻礙了減水劑在水泥顆粒間的分散，降低了減水劑的作用效果。

綜合吸附性試驗結(jié)果，花崗巖機制砂的吸附性顯著強于石灰?guī)r機制砂的，不僅花崗巖石粉具有較強的吸附性，0.075～0.3mm粒徑的顆粒同樣都具有較強的吸附性。花崗巖石粉對聚羧酸減水劑分子的吸附能力強于水泥的，導(dǎo)致花崗巖機制砂應(yīng)用于混凝土?xí)r增大減水劑的摻量。

2.1.2 機制砂的吸附特性分析花崗巖機制砂具有高吸附性的原因與其礦物成分與表面織構(gòu)相關(guān)，因此，本文中對花崗巖機制砂（石粉）和石灰?guī)r機制砂（石粉）的礦物組成、化學(xué)組成以及微觀形貌進行對比分析，結(jié)果見圖2。

花崗巖機制砂主要礦物組成有石英、鉀長石、斜長石、云母等。石英無色透明，具波狀消光，少量可見微裂紋,粒徑為0.05～1.50mm,多集中呈鑲嵌狀分布。鉀長石為半自形-他形晶,板條狀、不規(guī)則粒狀。黑云母為片狀,可見黃綠-淺黃綠多色性,片徑0.10～2.00mm。石灰?guī)r機制砂中主要礦物為方解石與白云石。

圖3所示為花崗巖與石灰?guī)r石粉XRD圖譜。結(jié)合表6與圖3分析，花崗巖為硅質(zhì)巖石，主要化學(xué)成分為SiO2和 Al2O3，原生礦物以石英、長石和云母為主；石灰?guī)r為鈣質(zhì)巖石，主要化學(xué)成分為CaO，原生礦物以方解石為主。

圖4所示為石灰?guī)r石粉與花崗巖石粉的SEM微觀形貌，在放大倍數(shù)為500時，2種石粉粒徑分布不均，形狀呈棱角狀。在放大倍數(shù)為5000時，花崗巖石粉顆粒通過靜電力附著在一起，產(chǎn)生團聚現(xiàn)象，形成大顆粒，石粉內(nèi)部微細孔隙較多且復(fù)雜，比表面積增大；石灰?guī)r石粉整體為層狀結(jié)構(gòu)，表面粗糙，內(nèi)部空隙少于花崗巖石粉。

綜上可知：花崗巖機制砂（石粉）與石灰?guī)r機制砂（石粉）礦物組成完全不同，花崗巖的礦物組成由石英、鉀長石、斜長石、黑云母組成，次生礦物有綠泥石等；長石的結(jié)構(gòu)中存在有硅氧、鋁氧2種四面體，長石破碎時，斷裂面存在Si-O-，Al-O15-暴露，按照《材料科學(xué)基礎(chǔ)》中提到的離子性百分率計算法，對長石化學(xué)鍵進行計算得到，Al-O15-帶的電荷數(shù)多，離子性強，活性比前者高，為減水劑吸附提供了更多位點。綠泥石是一種黏土礦物，為單斜晶系，結(jié)構(gòu)為2∶1型結(jié)構(gòu)單元層（滑石層），擁有較多吸附的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。聚羧酸高性能減水劑的側(cè)鏈可以替代水分子進入黏土礦物的層間，發(fā)生插層作用，導(dǎo)致減水劑的無效吸附?；◢弾r石粉的插層作用大于石粉與減水劑分子之間的靜電斥力，因此花崗巖石粉的減水劑吸附率明顯高于石灰?guī)r石粉的，抑制了減水劑的作用。而花崗巖石粉與石灰?guī)r石粉微觀形貌較為相近，表面粗糙，形狀呈棱角狀，花崗巖石粉內(nèi)部均存在較多的微細孔隙較多，吸附能力強。

2.2 機制砂的類型對混凝土性能的影響

2.2.1 對混凝土工作性能的影響機制砂類型對混凝土工作性能的影響如表7所示。保證用水量與坍落度不變，花崗巖機制砂混凝土減水劑摻量是膠凝材料用量的2.3％，較石灰?guī)r機制砂組增加64.3％?；◢弾r機制砂組倒坍時間為17s，是石灰?guī)r機制砂組的1.8倍。

花崗巖機制砂組所需減水劑用量大的主要原因是吸附性能強于石灰?guī)r機制砂，花崗巖石粉對聚羧酸減水劑分子的吸附能力強于水泥，降低了減水劑對水泥顆粒的分散作用，增大了減水劑的摻量；花崗巖的礦物組成中的長石、云母和綠泥石為多孔、多層的片狀結(jié)構(gòu)，吸附漿體中的拌和水，增大了混凝土的黏度，延長了混凝土的倒坍時間。由表3可知，雖然級配中石粉質(zhì)量分數(shù)僅占3％，但是2組不同類型機制砂混凝土減水劑摻量與倒坍時間都相差較大，主要原因是粒徑小于0.3mm的花崗巖機制砂顆粒均具有較強的吸附性。由于花崗巖機制砂具有吸附性高的特點，很難獨立應(yīng)用于工程之中，因此國內(nèi)外學(xué)者利用該特點，使花崗巖機制砂部分取代河砂，彌補了河砂混凝土的保水性差與黏聚性差的缺點。

2.2.2 對混凝土力學(xué)性能的影響機制砂類型對混凝土的力學(xué)性能的影響如圖5所示?；◢弾r機制砂混凝土3、7、28d力學(xué)性能均低于石灰?guī)r機制砂混凝土的，其中7、28d抗壓強度較石灰?guī)r機制砂組分別降低了7.8％與15.2％。

本試驗中的花崗巖機制砂壓碎指標（27％）較大，硬化后的混凝土受壓破壞時，骨料先于水泥界面產(chǎn)生裂縫并沿裂縫破壞。石灰?guī)r石粉中碳酸鈣的晶核效應(yīng)加速水泥水化進程，碳酸鈣還參與水泥水化反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鹽，并阻止鈣礬石向單硫型水化硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)化，提升了混凝土抗壓強度；花崗巖石粉活性較低，對混凝土力學(xué)性能提升較小。宋少民等學(xué)者的結(jié)論與本文中一致，認為石灰?guī)r機制砂力學(xué)性能優(yōu)于花崗巖機制砂的主要原因是機制砂混凝土的強度與其化學(xué)組成密切相關(guān)，鈣質(zhì)機制砂吸附性低，展現(xiàn)出良好的分散性，從而在強度上優(yōu)于花崗巖機制砂。

2.2.3 機制砂的類型對混凝土干燥收縮性能的影響機制砂類型對混凝土的干燥收縮性能的影響如圖6所示。花崗巖機制砂混凝土組收縮率大于石灰?guī)r機制砂組的，其120d干燥收縮率相比石灰?guī)r組增大7.6％。

花崗巖機制砂顆粒的壓碎指標偏高，對漿體收縮的限制作用減弱。混凝土干燥收縮的原因在于其內(nèi)部毛細孔中水分的散失，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而引起體積收縮。與石灰?guī)r機制砂相比，花崗巖機制砂吸附了更多的自由水，在用水量不變的情況下，水泥水化反應(yīng)用水減少，導(dǎo)致硬化后的混凝土有害孔增多，最終表現(xiàn)為干燥收縮率大。有學(xué)者提出不同的觀點，認為花崗巖石粉具有較強的吸水性能，使得混凝土內(nèi)部水分不易流失，當(dāng)外界環(huán)境干燥時，骨料吸收的自由水將會釋放，用于混凝土的二次養(yǎng)護，降低了干燥收縮。

2.3 對混凝土性能的影響2.3.1 花崗巖機制砂石粉含量對混凝土工作性能的影響表8所示為花崗巖機制砂石粉含量對混凝土工作性能的結(jié)果，混凝土所需減水劑摻量隨石粉含量的增加而增加，與對照組相比，S2、S5組減水劑摻量分別增長了36.7％、66.7％，表明石粉含量的增加會降低混凝土流動性?；◢弾r機制砂混凝土倒坍時間隨石粉含量增大呈現(xiàn)先縮短后增加的變化趨勢，其中S2組倒坍時間最短，為15s。

花崗巖石粉顆粒不但粒徑小，且具有內(nèi)部微細孔隙較多的特點，即比表面積更大，故需要吸附更多拌和水形成水膜提供潤滑作用?；◢弾r石粉對聚羧酸減水劑的吸附性強于水泥的，隨著石粉含量的逐漸增大，被石粉吸附的減水劑量同樣增大?？刂朴盟颗c坍落度不變時，最終表現(xiàn)為增大減水劑的摻量。孫茹茹學(xué)者提出了不同的觀點，通過采用增大花崗巖石粉細度的方法實現(xiàn)了增大漿體流動度的效果，可能的原因是隨著花崗巖石粉細度的增大，更好地補充了機制砂顆粒與水泥顆粒間的粒徑缺失，完善了整體的顆粒級配，同時可充當(dāng)惰性礦物摻合料，有利于促進新拌混凝土流動，但花崗巖石粉的亞甲藍值不宜過大，否則花崗巖機制砂的吸附性能將占據(jù)主導(dǎo)作用。

2.3.2 花崗巖機制砂石粉含量對混凝土力學(xué)性能的影響圖7所示為花崗巖機制砂石粉含量對混凝土抗壓強度影響，石粉含量從0增加到7％時，混凝土抗壓強度呈現(xiàn)上升趨勢，S2組28d抗壓強度為53.9MPa，較對照組增大了10.5％，石粉含量繼續(xù)增大后，混凝土抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢，S5組28d抗壓強度僅42.8MPa。

隨著石粉含量逐漸增大，石粉能夠填充骨料顆粒間的空隙，增大密實度，但過量的石粉會導(dǎo)致暴露在外的黑云母和綠泥石等礦物含量增大，這些礦物多為層狀結(jié)構(gòu)且表面光滑，與硬化后水泥石的黏結(jié)力弱；同時綠泥石是一種黏土礦物，不僅自身吸附性能強，無活性，還具有延遲水泥水化的作用，一定程度上阻止骨料與水泥石黏結(jié)，形成軟弱的界面過渡區(qū)。姜同輝學(xué)者的結(jié)論與本文中一致，花崗巖機制砂混凝土力學(xué)性能隨石粉含量的增大呈現(xiàn)先上升后下降的變化規(guī)律，當(dāng)石粉含量為7％～15％時，混凝土抗壓強度達到峰值。沈衛(wèi)國等學(xué)者通過試驗發(fā)現(xiàn)混凝土力學(xué)性能隨花崗巖石粉含量增大呈現(xiàn)線性的增大趨勢，石粉含量最高達到18.7％。對比兩者的試驗條件發(fā)現(xiàn)，前者混凝土強度等級為C60-C80，后者混凝土強度等級為C30-C40且亞甲藍值僅為1.0g/kg。

2.3.3 對混凝土干燥收縮性能的影響圖8所示為花崗巖石粉含量對混凝土120d的干燥收縮性能影響規(guī)律，隨石粉含量增大混凝土干燥收縮率呈現(xiàn)先降低，后增大的變化趨勢。其中S5組120d干燥收縮率最大，為3.75×10-8，較對照組增大了7.4％，S2組120d干燥收縮率最小，為3.29×10-8，較對照組減小了5.3％。

花崗巖石粉活性低，幾乎不參與水泥的水化進程。惰性花崗巖石粉填充膠凝材料漿體內(nèi)部的空隙，強化機制砂的剛性骨架效應(yīng)，限制水泥收縮。花崗巖石粉也可充礦物摻合料，間接造成膠凝材料實際水膠比降低，形成了更加緊密的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，但過多的石粉將增加混凝土中漿體的質(zhì)量，較細的石粉顆粒吸水量增大，導(dǎo)致體系內(nèi)部毛細孔壓力增大，進而增大混凝土的干縮變形最終造成混凝土干燥收縮率較大，因此，花崗巖機制砂混凝土干燥收縮對石粉含量變化較為敏感，本試驗條件下，石粉含量應(yīng)控制在7％左右時，干燥收縮率較低。

3 結(jié)論通過飽和面干吸水率、亞甲藍值、機制砂需水量比以及石粉的亞甲藍值的方法對2種類型機制砂吸附性進行測試對比，花崗巖機制砂吸附性顯著強于石灰?guī)r機制砂。

1）花崗巖機制砂吸附性強，亞甲藍值高，其礦物組成中的云母、綠泥石具有較多的吸附結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；花崗巖石粉內(nèi)部微細孔隙較多，與水泥顆粒存在競爭吸附減水劑的關(guān)系，降低減水劑對水泥的分散效果。花崗巖機制砂粒徑在0～0.3mm時，依然具有較高的吸附性（3g/kg<亞甲藍值<9g/kg），而相同粒徑的石灰?guī)r機制砂吸附性則較低（亞甲藍值<4g/kg）。

2）控制機制砂級配與混凝土配合比不變的情況下，機制砂亞甲藍值越大，其吸附性越強，所需減水劑摻量越大，其中花崗巖組較石灰?guī)r組增長了64.3％；機制砂混凝土的抗壓強度與機制砂壓碎值具有相關(guān)性，花崗巖機制砂混凝土28d抗壓強度較石灰?guī)r機制砂組降低15.2％；120d干燥收縮率較石灰?guī)r機制砂組提高7.6％。

3）本試驗條件下，花崗巖機制砂級配中石粉含量在3％(S1)～7％(S2)時，混凝土抗壓強度以及干燥收縮率取得最優(yōu)值，分別為51.8～53.9MPa和3.31×1010-8～3.45×10-8。

來源：中國知網(wǎng)

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中國砂石協(xié)會

2023年10月07日