机制砂岩性及石粉含量对MB值、砂浆流动性及C35混凝土力学性能的影响

引言随着我国基础设施建设的日益发展，混凝土的用量急剧增加，而砂石作为混凝土中的主要原材料，占混凝土总体积的70%~80%[1]。但天然砂作为自然资源，一方面短时间内不可再生，另一方面，河砂被过度采伐会导致河床蓄水层被破坏、河床产生松动及地表河水大量渗漏，因此，国家加大保护生态的力度，限制了天然砂的开采，使得天然砂资源越来越匮乏[2-3]，在此背景下，机制砂逐渐取代天然河砂已经成为一种趋势。机制砂泛指以石灰岩、石英岩、花岗岩等岩石为原料，经过除土处理后由机械破碎、筛分等过程得到粒径在4.75mm以下的且粒形和级配满足要求的岩石、尾矿、废渣等颗粒，但不包含那些轻质岩和风化岩所形成的颗粒[4-6]。近年来的研究发现，机制砂的石粉含量以及MB值是机制砂检测以及选用的关键性能控制指标，机制砂区别于天然砂的最显著特点是其破碎生产中产生质量15%~25%的粒径小于75μm的石粉[7]，不同于天然砂中的泥粉，石粉是机制砂生产过程中的产物，其成分与泥砂完全不同，对混凝土、砂浆拌合物的流动性、泌水性等性能都有一定的影响[8]。而机制砂的品质很大程度上取决于母岩[9]，机制砂中小于0.075mm颗粒的主要成分与母岩化学性质基本相同[10]，不同的岩性也会影响到砂浆拌合物的性能，Bonavetti[11]研究发现，石英粉可以增大胶砂的抗压强度，而花岗岩石粉对胶砂抗压强度作用无明显规律。刘凯等[12]的研究则表明当石粉含量占胶凝材料的7%时，所制备的混凝土抗压强度达到最高。同时不同的机制砂类型对亚甲基蓝的吸附程度不同，也会对MB值有一定的影响。因此，本文基于佛山第一环路西延伸工程，采用项目周边可选用的花岗岩机制砂、石灰岩卵石机制砂以及石灰岩砾石机制砂，研究机制砂的岩性及石粉含量对MB值、砂浆流动性值以及C35混凝土力学性能的影响，为优化机制砂混凝土的制备提供参考。1、原材料

机制砂：花岗岩机制砂、石灰岩卵石机制砂以及石灰岩砾石机制砂均来自广东佛山的机制砂生产厂，其基本材料性能见表1，花岗岩机制砂和石灰岩机制砂的化学组成见表2。表1

机制砂的基本性能表2

机制砂的化学组成%水泥：广东水泥厂生产的P·O52.5水泥，其3d强度32.5MPa，28d强度59.8MPa。粉煤灰：广东清远电厂生产的I级粉煤灰，其烧失量3.3%，需水量比95%。外加剂：广东外加剂厂生产的高性能聚羧酸减水剂，其含固量25%，减水率25%。2、试验方法

制备不同石粉含量的机制砂试样先将上述3种机制砂清洗，自然干燥，通过0.075mm筛的通过率为0%，便得到石粉含量为0%的机制砂试样；接着将石粉按0%、3%、5%、7%、10%、12%、15%的比例与清洗干燥后的机制砂混合，制备出不同岩性以及不同石粉含量的机制砂试样；所用的混合石粉由相应的机制砂经过0.075筛后获得。机制砂MB值的测试按照GB/T14684—2022《建筑用砂》中的规定进行。砂浆的流动性试验所使用的配合比参照JG/T486—2015《混凝土用复合掺合料》中流动性试验方法对应的试样砂浆配合比，考虑到在实际应用中会加入一定量的外加剂，因此在流动性试验的配合比中也相应地加入一定量的高性能聚羧酸减水剂，砂浆流动性的基准配合比见表3。表3

砂浆流动性试验基准配合比g选取石粉含量为5%、7%、10%、15%的机制砂制备C35机制砂混凝土，对比研究机制砂石粉含量对C35混凝土力学性能的影响，试验配合比见表4。再选用石粉含量为7%的不同种类机制砂与河砂，对比研究花岗岩、石灰岩机制砂石和河砂对C35混凝土力学性能的影响。试验配合比见表5。表4

不同石粉含量的C35机制砂混凝土试验配合比表5

不同砂石类型的C35机制砂混凝土试验配合比3、结果与讨论

3.1机制砂的岩性及石粉含量对MB值的影响不同石粉含量的花岗岩机制砂、石灰岩卵石机制砂以及石灰岩砾石机制砂的MB值变化规律如图1～图3所示。由图1～图3可知，（1）在石粉含量为0%时，3种机制砂的MB值均为0.25；（2）石粉含量为0%~15%时，花岗岩机制砂的MB值保持不变，而石灰岩机制砂的MB值则随着石粉含量的增加而逐渐增加；（3）对比石灰岩2种形态的机制砂，随着石粉含量的增加，石灰岩卵石机制砂的MB值从0.25增加到0.9，而石灰岩砾石机制砂的MB值则从0.25增加到2.25，可见石灰岩砾石机制砂MB值的增加效果更明显；（4）石粉含量从0%增加到3%时，花岗岩机制砂和石灰岩卵石机制砂的MB值没有变化，而石灰岩砾石机制砂的MB值则从0.25%增加到1%，增加幅度大于前2种机制砂；石粉含量为3%~5%时，石灰岩机制砂的MB值都有明显的增加，而在3%~7%石粉含量范围内，MB值的增加幅度随石粉含量的增加而减少。由此可见，机制砂本身对MB有一定的吸附作用。姚楚康[13]的研究发现，母岩风化程度越高，粘土质成分就越多，质地越疏松、砂粒的坚固性越差，对亚甲蓝的吸附能力也越强。总体来看，对比3种机制砂，石粉含量对于MB值的影响情况如下：石灰岩砾石机制砂>石灰岩卵石机制砂>花岗岩碎石机制砂。图1

花岗岩机制砂MB值图2

石灰岩卵石机制砂MB值图3

石灰岩砾石机制砂MB值3.2机制砂的岩性以及石粉含量对砂浆流动性的影响进行不同石粉含量的花岗岩机制砂、石灰岩卵石机制砂及石灰岩砾石机制砂的流动性试验，机制砂流动性能随石粉含量的变化规律如图4～图6所示。由图4～图6可知，（1）当石粉含量为0%时，石灰岩卵石机制砂砂浆流动性能最佳，而当石粉含量从0%增加到15%时，石灰岩砾石机制砂的砂浆流动性逐渐降低，而花岗岩机制砂和石灰岩卵石机制砂的流动性都呈现出先提高后降低的现象；（2）当石粉含量为5%时，花岗岩机制砂和石灰岩卵石机制砂的流动性都达到最大。分析原因：当掺入少量石粉的时候，其颗粒能够补充砂浆的细微结构，起到优化机制砂颗粒级配的作用，使得砂浆的流动性得到提升，而当石粉含量过多时，机制砂的总比表面积随之增大，导致粉体与水的接触面积增大，从而使砂浆的需水量提高，在一定的用水量下，石粉含量的增加就会导致流动性能降低。对比3种机制砂，石粉含量对不同机制砂砂浆流动性的影响程度为：石灰岩砾石机制砂＞石灰岩卵石机制砂＞花岗岩碎石机制砂。

图4

花岗岩机制砂砂浆流动度图5

石灰岩卵石机制砂砂浆流动度图6

石灰岩砾石机制砂砂浆流动度3.3机制砂的岩性以及石粉含量对C35混凝土力学性能的影响不同石粉含量的C35机制砂混凝土力学性能试验结果如图7、图8所示。不同岩性的C35机制砂混凝土力学性能试验结果如图9、图10所示。由图7、图8可知，随着石粉含量的增加，C35混凝土的抗压、抗折强度以及弹性模量都呈现先增加后降低的趋势；而在石粉含量为7%时，混凝土的各项力学性能都达到最佳。分析原因，这可能是当石粉含量过低时，未能充分发挥其微填充作用，不能有效填充骨料间的空隙；而当石粉含量过高时，石粉的增加使得骨料的比表面积增加，从而导致骨料表面的浆体层变薄，降低了混凝土骨料间的粘结力，最终使混凝土的强度下降。Celik和Marar[14]通过研究发现，在水灰比固定的情况下，混凝土的抗压、抗折强度会随着石粉含量的增加而存在一个最优值，这是因为当石粉含量小于5%时，石粉无法完全填充骨料与水泥浆之间的空隙，而当石粉含量大于10%时，则没有足够的水泥浆体包裹粗细集料颗粒，从而使混凝土抗压抗折强度下降。

图7不同石粉含量的C35混凝土抗压强度图8不同石粉含量的C35混凝土抗折强度和弹性模量由图9、图10可知，石粉含量为7%时，花岗岩和石灰岩机制砂所制备的C35混凝土其各项力学指标都能符合设计要求，同时在不同龄期时，其抗压、抗折强度都高于同龄期的用河砂制备的混凝土；对比2种机制砂则发现，石灰岩机制砂混凝土在不同龄期的强度要高于同龄期的花岗岩机制砂混凝土。这是由于花岗岩的主要化学成分为SiO2，活性SiO2能与水化产生的Ca(OH)2发生反应，从而有利于混凝土强度的发展。石灰岩则是以方解石为主要成分的碳酸盐岩，CaCO3石粉的掺入，可以与水泥中的C3A反应生成水化碳铝酸钙，C3A的消耗则可以抑制水化早期形成的钙矾石的转化，同时石灰岩石粉的较高比表面积能够填充混凝土中的孔隙，这都有利于提高混凝土的抗压抗折强度。周鸿煜[15]通过研究发现，石灰岩机制砂混凝土抗压强度在不同龄期的强度高于花岗岩机制砂，这与不同岩性机制砂的压碎值有一定关系，当压碎值较小时，机制砂混凝土的抗压强度也可能较小。图9不同岩性的C35机制砂混凝土抗压强度

图10不同岩性的C35机制砂混凝土抗折强度和弹性模量

结论

本文研究机制砂不同岩性及石粉含量对MB值、砂浆流动性及C35混凝土力学性能的影响，得出以下结论：（1）花岗岩机制砂、石灰岩卵石机制砂及石灰岩砾石机制砂的MB值均随着石粉含量的增加有对应的变化。花岗岩机制砂的MB值随石粉含量的增加而保持不变，石灰岩机制砂的MB值则随着石粉含量的增加而增加，相对而言，碎石形态的石灰岩所制备的机制砂，其MB增加范围比石灰岩卵石机制砂要更大，总体看来，石粉含量的变化对机制砂MB值的影响为：石灰岩砾石机制砂>石灰岩卵石机制砂>花岗岩碎石机制砂。（2）花岗岩机制砂、石灰岩卵石机制砂及石灰岩砾石机制砂的砂浆流动性随石粉含量变化的规律为：随着石粉含量的增加，石灰岩砾石机制砂的砂浆流动性降低，石灰岩卵石机制砂和花岗岩机制砂的砂浆流动性先增大后减少，在石粉含量达到5%时，这2类机制砂的砂浆流动性都达到最佳，而在石粉含量达到15%时，3