人工砂泥粉对混凝土性能不利影响分析_李家正.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2021 11 04作者简介:李家正，男，正高级工程师，博士，研究方向为水工材料与结构、生态环境材料。E mail:1659959395 qq com文章编号:1001 4179(2023)02 0177 07引用本文:李家正，龚德新，林育强，等 人工砂泥粉对混凝土性能不利影响分析 J 人民长江，2023，54(2):177 183，199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)摘要:人工砂中的泥粉对混凝土的力学、干燥收缩和耐久性能会产生不利影响。为了给人工砂生产和使用提供合理建议，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。研究结果表明:随着人工砂 MB 值的增加，混凝土各项性能皆有劣化的趋势，且强度等级越高的混凝土受到的影响越大;人工砂 MB 值对混凝土抗压强度、干燥收缩性能、弹性模量有显著影响的临界值分别为 1 2，1 45，2 1 左右。关键词:人工砂;含泥量;亚甲基蓝值;混凝土;力学性能;干燥收缩性能;耐久性能中图法分类号:TU528文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0270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: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;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;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:人工砂中泥粉和石粉相互混人民长江2023 年杂，很难完全彻底地分离并直接准确地测试其中的含泥量;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 3522020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:在级配类别为时，MB 值不大于 0 5;级配类别为时，MB 值不大于 1 0;级配类别为时，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:黏粒对水的吸附作用增大了混凝土界面过渡区水灰比;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;泥粉湿胀干缩会在水泥石内部形成空隙或削弱界面黏结;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;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 1The relationship between MB value and 28 d compressivestrength of concrete under the same binding material dosage1 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 2The relationship between the soil content and thecompressive 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871第 2 期李家正，等:人工砂泥粉对混凝土性能不利影响分析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 3The relationship between soil content and 28 dcompressive 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 4The relationship between the soil content andcompressive 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 5MB 值与不同龄期混凝土抗压强度的关系25 Fig 5The relationship between the MB value and compressivestrength of the concrete at different ages1 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 6The relationship between soil content and tensile strength对比分析以上研究成果发现: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。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