机制砂云母含量对混凝土性能的影响

李顺凯，覃茂挺，张占强，明 阳，陈 平

(桂林理工大学 a.土木与建筑工程学院；b.广西建筑新能源与节能重点实验室，广西 桂林 541004)

0 引 言

随着我国大规模的工程建设的进行, 天然河砂资源逐渐短缺, 同时出于对环境保护的需要, 很多地方也禁止开采河砂资源, 因此机制砂正迅速替代河砂[1-3]。机制砂由岩石机械破碎而来, 而云母是常见的岩石矿物之一, 采用高云母含量岩石破碎的机制砂云母含量较高。云母一般呈薄片状且表面光滑, 与水泥浆的粘结能力不佳[4], 因而现行国家标准和许多行业标准都限定了砂中的云母含量, 如《建设用砂》(GB/T 14684—2011)限定Ⅰ类砂中云母含量<1%; Ⅱ、 Ⅲ类砂中云母含量<2%[5]。

有关机制砂云母含量对混凝土和易性及强度的影响已开展了一些研究: 李新宇等[6]研究了机制砂中云母含量为49%的石粉对混凝土性能影响, 结果表明, 随着石粉含量的增加, 混凝土用水量有所增加, 抗压强度与劈拉强度呈现先增加后减小的趋势; 邢界泉等[7]发现, 随着机制砂石粉中云母含量从1.8%增加到9%, 混凝土的抗压强度和劈拉强度均有所降低; 张志坚[8]采用云母含量为7%的机制砂与其他机制砂混合使用, 配制的混凝土力学性能以及耐久性能均满足设计要求。

考虑到优质建材远距离运输困难且成本高,机制砂作为大宗建筑材料,一般采取就地取材的方式选取原材料,如某山区高速公路建设时为降低工程造价就近采用周边母岩为花岗岩的石料生产机制砂,但该机制砂生产出来后发现云母含量较高,而云母作为机制砂的有害物质之一,有必要对高云母含量机制砂混凝土的配制及改性进行研究。

本文系统研究机制砂云母含量及其变化对混凝土工作、 力学和干缩性能的影响规律, 提出掺入增强剂的方式对高云母含量机制砂混凝土进行改性, 以期为相关工程采用高云母含量机制砂配制高品质混凝土提供技术支撑。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

采用普通硅酸盐水泥(P·O 42.5), 其主要物理和力学性能指标见表1和表2。

表1 水泥主要物理性能指标Table 1 Main physical properties index of cement

表2 水泥胶砂强度Table 2 Strength of cement mortar

不含云母的水洗机制砂和某公路工程料场生产的高云母含量花岗岩机制砂, 表观密度分别为2 680和2 650 kg/m3,堆积密度为1 630和1 590 kg/m3,吸水率分别为1.3%和2.1%, 云母含量分别为0和12%,细度模数分别为3.1和3.0; 5～25 mm连续级配碎石; 江苏苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸减水剂, 固含量为20%, 减水率≥25%; 增强剂使用广西凯利特新材料科技有限公司生产的ZQ-1型增强剂, 固含量为10%, 其主要由稳泡剂、 醇胺类和纳米晶核增强材料等组成, 具有改善混凝土和易性和提高混凝土强度的作用。

1.2 试验方法及混凝土配合比

分别按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)、 《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)测试混凝土的拌合物性能、 力学性能和干缩性能(接触法), 其中混凝土含气量测试仪器型号为LC-615A型混凝土含气量测定仪, 混凝土干缩试验测试仪器型号为HSP-540型混凝土收缩膨胀仪。

采用不含云母与含云母的机制砂混掺控制机制砂云母含量, 不同云母含量的混凝土配合比参数及拌合物性能如表3所示。试验过程中控制混凝土坍落度在200±20 mm, 水泥用量、 单位用水量和碎石用量分别为400、 152和1 100 kg/m3, 减水剂和增强剂用量根据混凝土坍落度进行调整。

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of conerete kg/m3

2 结果与讨论

2.1 混凝土拌合物性能

在固定用水量和混凝土坍落度的条件下, 由混凝土减水剂掺量与机制砂云母含量的配比表3可见,随着机制砂中云母含量的增加, 为了达到相同的坍落度控制范围, 混凝土减水剂掺量需提高, 其中当机制砂中云母含量达12%, 减水剂掺量要达到胶凝材料的1.7%, 而不含云母的机制砂配制混凝土时, 减水剂掺量仅为胶凝材料的1.2%。混凝土减水剂掺量的提高主要与含云母机制砂堆积密度小、 空隙率高、 吸水率大等有着密切联系, 随着机制砂中云母含量增加, 浸润表面所需水分增加, 因而在用水量固定的情况下, 需要提高减水剂的掺量。李新宇等[6]也认为高云母石粉颗粒具有比表面积相对较大、 表面粗糙、 吸附性强等特性, 机制砂混凝土单位用水量随着高云母石粉含量增加而提高。

随着机制砂云母含量的增加, 即使减水剂掺量提升了, 混凝土含气量却下降了, 说明机制砂云母含量对混凝土的含气量有不利的影响。 虽然混凝土坍落度能达到控制范围, 但含气量的降低导致混凝土和易性不佳。在机制砂云母含量相同条件下(6%), 通过掺入一定量的增强剂, 混凝土含气量可由1.8%增加到2.3%, 说明增强剂具有稳泡作用, 其掺入可以确保减水剂的引气效果, 混凝土和易性也有明显改善。

2.2 混凝土抗压强度

混凝土抗压强度随机制砂云母含量的变化关系曲线如图1所示。

图1 机制砂云母含量对混凝土抗压强度的影响Fig.1 Influence of mica content in manufactured sand on compressive strength of concrete

机制砂云母含量对同水胶比混凝土抗压强度有明显的影响, 总体而言, 混凝土抗压强度随机制砂云母含量增加而减小, 且呈现出对混凝土早期强度影响小而对后期强度影响大。与不含云母的机制砂混凝土相比, 当云母含量为12%时, 3 d抗压强度降低了9.2%; 28 d抗压强度降低了15.4%。

针对混凝土抗压强度随云母含量增加而降低的情况, 采用掺入适量增强剂来改善混凝土的抗压强度。从试验结果可以得出, 掺入一定量的增强剂可以改善混凝土抗压强度: 与不含云母的机制砂相比, 在含6%云母的机制砂混凝土中掺入0.5%的增强剂, 混凝土3 d抗压强度未降低, 为28.5 MPa; 而28 d抗压强度为50.1 MPa, 仅降低了4.9%。 这主要是由于混凝土增强剂中含有醇胺类物质的电负性能够增强粉体颗粒表面的静电斥力, 使得水泥浆体的分散性增强, 并且纳米晶核材料在混凝土中起到了填充和晶核作用, 促进了水泥水化与密实, 从而提高混凝土强度。

2.3 混凝土干缩性能

不同云母含量(分别为0、 6%和12%)混凝土干缩变形随龄期变化关系曲线如图2所示。

图2 云母含量对混凝土干缩性能的影响Fig.2 Influence of mica content in manufactured sand on drying shrinkage of concrete

3组混凝土干缩变形在60 d 龄期内随龄期变化较大, 60 d 龄期之后则逐渐趋于稳定, 混凝土干缩率随云母含量的增大而增加, 但云母含量对于机制砂混凝土干缩率影响相对有限, 其中不含云母的机制砂混凝土120 d干缩率为400×10-6左右, 而云母含量6%和12%的机制砂混凝土120 d干缩率分别为415×10-6和430×10-6。

2.4 机理分析

图3为标准养护条件下28 d 的不含云母、 含云母和加入增强剂云母砂浆的SEM 微观形貌。

图3 不含云母砂浆(a)、 掺云母砂浆(b)和掺增强剂云母砂浆(c)水化产物微观形貌Fig.3 Micro morphologies of hydration products of mortar without mica(a), mica mortar(b) and mica mortar after adding reinforcing agent(c)

不含云母砂浆中水化产物丰富, 砂颗粒之间存在C-S-H凝胶等水化产物; 含云母机制砂砂浆中可以看到明显的云母存在, 云母呈现出薄片状, 导致云母和水泥浆体之间存在一个薄弱的界面, 两者结合力较差, 导致混凝土强度降低; 掺入增强剂改性后的含云母砂浆, 由于纳米晶核作用和胶凝材料分散更均匀而水化加速生成的水化产物包裹在云母颗粒表面, 使得云母颗粒表面不再光滑且具有一定的强度, 并且水化产物密实填充了砂浆与云母间存在的界限, 使砂浆与云母间形成连续致密的过渡区, 从而提升了含云母机制砂的混凝土强度。

3 结 论

(1)相同坍落度条件下, 混凝土减水剂掺量随着机制砂中云母含量的增加而提高; 通过掺入一定量的增强剂, 可以提高混凝土含气量, 且明显改善混凝土和易性。

(2)混凝土抗压强度随机制砂云母含量增加而减小, 且呈现出对混凝土早期强度影响小而对后期强度影响大; 掺入一定量的增强剂可以改善混凝土抗压强度。

(3)混凝土干缩率随机制砂云母含量的增大而增加, 但云母含量对于机制砂混凝土干缩率影响相对较小。

(4)含云母机制砂砂浆中云母呈现出薄片状, 导致混凝土强度降低, 增强剂加速了胶凝材料水化, 生成的水化产物包裹在云母颗粒表面, 使砂浆与云母间形成连续致密的过渡区, 从而提升混凝土强度。