机制砂片状颗粒对砂浆和混凝土性能与微观结构的影响

黄志刚，徐志华，李北星，吕敦祥，黄 安

(1.江西省交通工程集团有限公司，南昌 330000；2.江西省桥梁智能养护工程技术研究中心，南昌 330000; 3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

0 引 言

近年来，随着天然砂资源的日益短缺和生态约束的趋紧，机制砂正逐步替代天然砂成为混凝土用砂的主要来源。相比经流水长期冲刷而形成的表面光滑、粒形圆润的天然砂，机制砂由机械破碎而成，其表面粗糙，颗粒具有形状不规则、多棱角的特点，且片状颗粒含量较高[1-2]。机制砂粒形与生产成型工艺及设备关系密切，生产过程中机制砂的整形对控制针片状颗粒起到关键作用[3]。采用颗粒形貌差、棱角度高或针片状颗粒含量较多的机制砂配制混凝土时，由于砂粒与浆体的接触面增加,颗粒与颗粒之间的咬合力和摩阻力增大，混凝土的流动需要更多拌合水或胶浆[2,4-6]，且针片状颗粒易引起混凝土泌水，使混凝土和易性和可泵性降低，直接或间接导致硬化混凝土的强度、变形性和耐久性能降低[7-8]。

周新文等[9]研究了机制砂颗粒形状对砂浆流变性能的影响，发现形状不规则的机制砂会增大砂浆流动阻力和表观黏度。谢华兵[10]采用颗粒粒形综合指数对机制砂颗粒形貌进行表征，并认为粒形综合指数高的机制砂制备的砂浆其工作性和力学性能更优，干燥收缩更大。宋少民等[11]于2015年首次对机制砂片状颗粒进行了定义，并开发了应用条形孔筛检测机制砂片状颗粒含量的方法。在此基础上，宋少民等[12]研究了片状颗粒含量对C30和C50机制砂混凝土流动性、强度和氯离子扩散系数的影响，建议机制砂的片状颗粒含量不宜超过20%(质量分数)。熊珂等[13]研究了机制砂片状颗粒含量对C30混凝土性能的影响，建议机制砂中片状颗粒含量控制在12%(质量分数)以内。黄京胜[14]研究了片状颗粒含量对C60～C80高强大流态混凝土和易性、抗压强度和耐久性的影响，得出机制砂片状颗粒含量不应大于20%(质量分数)。于本田等[15]研究了机制砂片状颗粒含量与粒径对水泥胶砂流动度和强度影响的敏感性，发现水泥胶砂性能与片状颗粒含量最为关联，其次是4.75～9.50 mm单粒径片状颗粒的含量。JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》[16]标准将碎石、人工砂片状颗粒指标及检测方法纳入其中以对粗、细骨料的粒形进行表征，由此引导混凝土材料设计更加重视骨料粒形及骨料体系的优化。

上述针对机制砂粒形对水泥胶砂或混凝土性能的影响研究，大多集中在不规则颗粒或片状颗粒含量的影响方面，而机制砂中片状颗粒粒径大小的影响研究还很少[15]，且目前尚未从微观层次上揭示机制砂片状颗粒对混凝土宏观性能影响的作用机制。为此，本研究以江西省宜春至遂川(宜遂)高速公路项目隧道片麻岩洞渣加工的机制砂为研究对象，利用条形孔筛筛分出1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm和4.75～9.50 mm三个不同粒级的片状颗粒，机制砂颗粒级配固定不变，在不同粒级、粒形规则的机制砂中掺加片状颗粒来调整片状颗粒含量，研究了片状颗粒粒径和组合粒径的片状颗粒含量对机制砂砂浆流动度和强度的影响，以及片状颗粒含量对机制砂混凝土工作性、强度和电通量的影响，并通过扫描电镜(SEM)和压汞法(MIP)分别对不同片状颗粒含量的机制砂砂浆界面微结构和孔结构进行了测试。

1 实 验

1.1 原材料

(1)水泥：P·O 42.5水泥，3 d、28 d抗压强度分别为27.4 MPa、48.1 MPa，3 d、28 d抗折强度分别为5.3 MPa、7.8 MPa。

(2)粉煤灰：F类Ⅱ级粉煤灰，细度(45 μm筛筛余)24.1%(质量分数)，需水量88%(质量分数)，28 d活性指数76%。

(3)碎石：5～31.5 mm连续级配片麻岩碎石，由粒径5～10 mm小石、10～20 mm中石和16～31.5 mm大石按质量比2 ∶5 ∶3级配而成，主要物理力学性能见表1。

表1 片麻岩碎石与机制砂主要物理力学性能Table 1 Basic physical and mechanical properties of gneiss crushed stone and manufactured sand

(4)机制砂：江西省宜遂高速公路SSA标二分部机制砂场采用楼站式单独干法制砂工艺生产的片麻岩机制砂，机制砂细度模数为2.92，级配区为2区，主要物理力学性能指标见表1。

(5)外加剂：聚羧酸高效减水剂，固含量为18.5%，减水率为20%。

1.2 试验方案

(1)机制砂片状颗粒筛选及其掺配

参照JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》，采用筛孔宽度分别为0.8 mm、1.6 mm、3.2 mm的条形孔筛，用于筛分出机制砂中1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.50 mm三个单粒级的片状颗粒。图1、图2是筛分得到的各单粒级片状颗粒和规则颗粒。

图1 不同粒径的机制砂片状颗粒Fig.1 Flake particles of manufactured sand with different particle sizes

图2 不同粒径的机制砂规则颗粒Fig.2 Regular particles of manufactured sand with different particle sizes

表2为不同片状颗粒含量的机制砂分计筛余及空隙率测定结果。按表2所示颗粒级配(分计筛余)要求进行掺配，在保持各机制砂试样颗粒级配一致的前提下，配制不同单粒级片状颗粒的机制砂和不同片状颗粒含量的7个机制砂试样，7个机制砂试样的细度模数均为2.83。其中，MS1.18、MS2.36、MS4.75代表片状颗粒含量均为10%(全文含量均为质量分数)，但片状颗粒粒级分别分布在1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.50 mm的三种机制砂，MS0、MS10、MS20、MS30分别代表片状颗粒含量为0%、10%、20%、30%的四种机制砂。由表2可以看出，当机制砂所含片状颗粒粒径逐渐增大，或片状颗粒含量增加时，机制砂的堆积密度会随之降低，空隙率则相应增加。

表2 不同片状颗粒含量的机制砂分计筛余及空隙率测定结果Table 2 Packing void ratio results and particle size sieve residue of manufactured sand with different content of flake particles

续表

(2)机制砂砂浆配合比

表3为机制砂砂浆配合比及流动度。采用表2所示MS0、MS1.18、MS2.36、MS4.75、MS10、MS20、MS30不同单粒级片状颗粒和不同片状颗粒含量的机制砂，按表3所示配合比配制水泥砂浆，对应的砂浆编号分别为MSM0、MSM1.18、MSM2.36、MSM4.75、MSM10、MSM20、MSM30。

表3 机制砂砂浆配合比及流动度Table 3 Mix proportion and fluidity of manufactured sand mortar

(3)机制砂混凝土配合比

表4为机制砂混凝土配合比及工作性。采用表2所示片状颗粒分别为0%、10%、20%、30%的机制砂MS0、MS10、MS20、MS30，按表4设计的配合比拌制4个C35强度混凝土，混凝土试样对应编号为MSC0、MSC10、MSC20、MSC30。本试验采用单因素变量，除了片状颗粒含量变化外，其他原材料和配比参数不变。

表4 机制砂混凝土配合比及工作性Table 4 Mix proportion and workability of manufactured sand concrete

1.3 试验方法

(1)砂浆性能：依据GB/T 2419—2005测试砂浆流动度，按GB/T 17671—1999测定砂浆抗压、抗折强度，强度龄期为7 d、28 d。

(2)混凝土性能：混凝土坍落度、扩展度试验依据GB/T 50080—2016进行；抗压强度依据GB/T 50081—2019进行试验，试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，测试龄期为7 d和28 d；抗氯离子渗透性依据GB/T 50082—2009中的电通量法测定，试块尺寸为φ100 mm×H50 mm圆柱体，测试龄期为84 d。

(3)砂浆微观结构测试：上述砂浆试样标准养护至28 d龄期时，使用无水乙醇终止水化，采用扫描电镜和孔结构压汞法测试样品。扫描电镜采用Quanta 450 FEG型场发射扫描电子显微镜，压汞仪采用AutoPore IV 9510型高性能全自动压汞仪。

2 结果与讨论

2.1 片状颗粒粒径对砂浆性能的影响

由表3片状颗粒粒径不同的机制砂砂浆流动度结果可知，在片状颗粒含量(10%)相同条件下，当机制砂所含片状颗粒的粒径增大时，砂浆流动度随之减小。与不含片状颗粒的MSM0砂浆相比，MSM1.18、MSM2.36、MSM4.75三组砂浆试样的流动度分别下降了4.3%、9.1%和12.3%，片状颗粒粒径越大，砂浆流动度降低越多。这主要是因为片状颗粒粒径的增大引起了机制砂空隙率增大(见表2)，浆体数量一定时，包覆在机制砂表面的浆体润滑层厚度减小，导致砂浆流动性降低。

图3是机制砂片状颗粒粒径对砂浆抗压、抗折强度的影响结果。从图3可以发现，与MSM0砂浆相比，MSM1.18砂浆7 d、28 d抗压强度降低1.2%、5.2%，抗折强度下降5.6%、7.1%，MSM2.36砂浆7 d、28 d抗压强度降低4.3%、12.5%，抗折强度下降11.2%、10.6%，MSM4.75砂浆7 d、28 d抗压强度降低6.2%、13.2%，抗折强度下降6.7%、11.8%。这些结果说明片状颗粒含量相同但片状颗粒粒径不同的机制砂对砂浆强度影响程度不一，即机制砂所含片状颗粒粒径越大，砂浆强度越低，且抗折强度的降幅总体上高于抗压强度。

图3 不同粒径片状颗粒的机制砂砂浆强度Fig.3 Strength of manufactured sand mortar with different sizes of flake particles

2.2 片状颗粒含量对砂浆性能的影响

由表3片状颗粒含量不同的机制砂砂浆流动度结果可以看出，砂浆流动度随着机制砂片状颗粒含量的增加而逐步降低。MSM10、MSM20、MSM30砂浆流动度较MSM0分别下降6.9%、10.6%、17.6%，即当片状颗粒含量为20%时，砂浆流动度降幅超过10%。这是因为片状含量的增大，一方面增加了机制砂的空隙率(见表2)，另一方面机制砂总质量一定时，片状颗粒含量越高，则砂粒数量越多，总比表面积越大[17]，二者共同导致流动度下降。

图4是机制砂片状颗粒含量对砂浆抗压、抗折强度的影响结果。由图4可知，与不含片状颗粒的砂浆相比，片状颗粒含量为10%、20%、30%的砂浆7 d抗压强度龄期分别降低4.5%、12.3%、17%，抗折强度降低9.8%、15.3%、20.9%；28 d抗压强度分别下降7.7%、13.2%、17.9%，抗折强度下降8.3%、14.2%、20%。由此可知，当片状颗粒含量为10%时，对砂浆强度影响较小，但片状颗粒含量大于20%时，砂浆强度降低较大，抗压强度降幅为12.3%～13.2%，抗折强度降幅为14.2%～15.3%。

以上结果显示，随着机制砂片状颗粒含量的增加，砂浆强度不断降低。这是由于片状颗粒易折断，与正常粒形的砂颗粒相比，片状颗粒自身压碎指标较大[13]，承压时抗压碎能力较规则颗粒有所下降，并且在试件振捣成型过程中，片状颗粒易发生水平定向排列[18]，造成片状机制砂颗粒下方局部水灰比增大，使片状机制砂颗粒下表面浆体孔隙率提高，孔结构粗大(结果详见2.5节)，界面过渡区的缺陷也增多。值得注意的是，机制砂片状颗粒含量对砂浆抗折强度的降低程度总体高于抗压强度。这是因为含片状颗粒的砂浆的界面存在孔隙和微裂缝等原生缺陷，当砂浆进行抗折试验而受拉时，集料-水泥石界面过渡区的原生裂缝会随着应力的增大而逐渐扩展，从而降低抗折强度，但是砂浆在承受压力荷载时，当界面过渡区破坏失去抗力之后可以将外力进一步转移至机制砂颗粒和水泥石上，因此抗压强度降低不明显[19]。

图4 不同片状颗粒含量的机制砂砂浆强度Fig.4 Strength of manufactured sand mortar with different content of flake particles

2.3 片状颗粒含量对混凝土性能的影响

由表4片状颗粒含量不同的机制砂C35混凝土工作性结果可知，机制砂片状颗粒含量的增加降低了混凝土的坍落度与扩展度。不含片状颗粒的机制砂混凝土MSC0坍落度为224 mm，扩展度为511 mm，当机制砂片状颗粒含量为10%、20%、30%时，混凝土的坍落度分别下降4.0%、9.8%、16.5%，扩展度分别下降2.2%、4.3%、6.8%。因此，要维持混凝土良好的工作性，片状颗粒含量不应超过20%。

图5是片状颗粒含量不同的机制砂C35混凝土抗压强度与电通量测试结果。从图5(a)可以发现，随着机制砂片状颗粒含量的增多，混凝土的抗压强度渐降低。相较于片状颗粒含量0%的机制砂混凝土，片状颗粒含量10%、20%、30%的机制砂混凝土其7 d抗压强度分别下降5.6%、12.1%、17%，28 d抗压强度分别下降4.3%、11.5%、14.0%，即当机制砂片状颗粒含量达20%时，混凝土7 d、28 d抗压强度降低均超过10%。由图5(b)可知，机制砂混凝土的电通量随着片状颗粒含量的增加而逐渐增大，片状颗粒含量10%、20%、30%的混凝土较片状颗粒含量0%的混凝土的84 d龄期电通量分别增加10.8%、28.0%、40.6%，说明机制砂片状颗粒含量达20%时，电通量增加20%以上，对混凝土抗氯离子渗透性产生较为明显的不利影响。片状颗粒含量多的机制砂的空隙率高于粒形规则的机制砂，在混凝土配合比参数相同情况下，片状颗粒含量多的机制砂配制的混凝土孔隙率高[12]，内部结构密实度下降，宏观上表现为混凝土抗渗性下降，上述的电通量增大证实了这一分析。

图5 不同片状颗粒含量的机制砂混凝土性能Fig.5 Properties of manufactured sand concrete with different content of flake particles

2.4 片状颗粒对砂浆界面微观结构的影响

图6和图7分别是MSM0、MSM20、MSM30三个砂浆试样28 d龄期不同放大倍数的SEM照片。由图6(a)可见，不含片状颗粒的MSM0砂浆中水泥浆体将机制砂颗粒包裹紧密，水化产物与机制砂颗粒界面结合的裂隙小。图6(b)中含20%片状颗粒的MSM20砂浆中水泥浆体和片状机制砂颗粒间存在明显的裂隙。而图6(c)中含30%片状颗粒的MSM30砂浆中浆体与片状颗粒之间的裂隙更大，界面结合不紧密。

图6 机制砂砂浆的28 d SEM照片Fig.6 SEM images of manufactured sand mortar at 28 d

从图7(a)可以发现，不含片状颗粒的MSM0砂浆的机制砂颗粒周围仅有少量六方片状Ca(OH)2晶体，而图7(b)、(c)中MSM20、MSM30砂浆中的机制砂颗粒附近均存在明显的叠片状粗大Ca(OH)2晶体。这是因为机制砂片状颗粒的水平定向排列会引起片状机制砂颗粒下方水灰比增大，导致水泥浆体与砂粒的界面过渡区孔隙率高，孔隙粗大，Ca(OH)2晶体易于结晶生长，由此形成的薄弱界面过渡区影响了混凝土与砂浆的强度。

图7 机制砂砂浆的28 d SEM照片Fig.7 SEM images of manufactured sand mortar at 28 d

2.5 片状颗粒对砂浆孔结构的影响

图8是采用压汞法测定的不同片状颗粒含量的机制砂砂浆孔径分布曲线，表5是基于吴中伟等[20]对水泥基材料孔隙分类方法得到的孔隙结构分布结果。从图8(a)孔径分布积分曲线可知，随着片状颗粒含量的增加，砂浆试样的累计进汞量逐渐增加，累计进汞量越大，则砂浆孔隙率越高。由表5可知，不含片状颗粒的MSM0试样的孔隙率为14.1%，平均孔径为15.46 nm，含片状颗粒10%、20%、30%的MSM10、MSM20、MSM30试样的孔隙率分别为14.8%、15.1%和15.5%，平均孔径分别为15.90 nm、16.07 nm、17.02 nm，随着片状颗粒含量的增大，砂浆的孔隙率与平均孔径均略有增加。分析图8(b)可以发现，四个砂浆试样的微分曲线峰值所对应的孔径，即最可几孔径在32.046～32.453 nm范围变化，几乎没有差别。随着片状颗粒含量的增加，20 nm以下的无害孔和20～50 nm的少害孔数量之和呈减少趋势，50～200 nm的有害孔数量呈先降后增趋势，但差别不甚明显，而大于200 nm的多害孔数量呈明显的增加趋势。从图8(b)可以发现，三个含片状颗粒的MSM10、MSM20、MSM30砂浆试样在4 525.4 nm处均出现了第二最可几孔径，并且机制砂中片状颗粒含量越高，第二最可几孔径的峰值越高，据此可以推测片状颗粒主要导致了200 nm以上的多害孔数量增多，而对50 nm以下的无害或少害的微细孔的影响较小。以上结果说明片状颗粒含量的增加，引起了砂浆孔隙分布中大尺寸多害孔的比例增多，导致砂浆孔径和孔隙率增大，从而使混凝土的强度和抗渗性降低。

图8 不同片状颗粒含量的机制砂砂浆孔径分布曲线Fig.8 Pore size distribution curves of manufactured sand mortar with different content of flake particles

表5 不同片状颗粒含量的机制砂砂浆孔结构特征参数Table 5 Pore structure characteristic parameters of manufactured sand mortar with different content of flake particles

3 结 论

(1)在维持颗粒级配不变的情况下，随着机制砂所含片状颗粒粒径的增大或片状颗粒含量的增加，机制砂颗粒的堆积空隙率随之增大，机制砂砂浆的流动度和强度逐渐降低，当片状颗粒含量大于20%时，机制砂砂浆流动度和强度的降幅均超过10%，且片状颗粒对砂浆抗折强度的影响程度高于抗压强度。

(2)机制砂片状颗粒含量的增加，降低了混凝土的工作性、强度和抗渗性等性能，当机制砂片状颗粒含量达到20%时，混凝土不同龄期的抗压强度降幅为12.3%～13.2%，抗折强度降幅为14.2%～15.3%，电通量增幅超过20%。

(3)机制砂中片状颗粒含量的增加会增大砂浆的孔隙率，增加大尺寸多害孔的比例，并弱化水泥砂浆与机制砂颗粒的界面过渡区，从而导致砂浆和混凝土强度降低，抗渗性劣化。因此，应严格控制机制砂中片状颗粒含量尤其是片状粗砂颗粒的含量。