特细砂改性机制砂制备C60混凝土试验研究

王方刚，陆加越，赵少鹏，施展，刘建忠

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103；2.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 210008）

0 引言

随着我国基础设施建设的蓬勃发展，混凝土使用量逐年增加，占混凝土体积24%～30%的细集料消耗巨大，天然砂作为一种不可再生的细集料被过度开采，导致优质天然砂资源枯竭。而作为细集料的机制砂成为主流需求，已有很多应用和相关研究证明机制砂是一种良好的环保细集料[1-2]。

机制砂是一种以天然石料为原料，经过一系列破碎、研磨工艺制成的人工细集料。由于破碎过程中母岩成分和破碎比的不同，制备的机制砂颗粒常与天然河砂相比呈现出不同的颗粒形状[3-4]。一般来说，破碎过程倾向于产生锋利的边缘和有角的颗粒，增加内摩擦力。研究表明[5-7]，机制砂与天然砂相比在某些方面具有相似或者更好的性能。王军伟等[8]研究了机制砂的物理特性、表面性质、颗粒级配和岩性以及在砂浆中的行为，结果表明，相较于钙质机制砂，硅质机制砂对水泥胶砂流动度的影响更大；机制砂越细，对水泥胶砂流动度的影响越大。Kavya和Rao[9]对比了机制砂混凝土和天然砂混凝土的力学性能，结果表明，机制砂混凝土的力学性能优于天然砂混凝土。

在生产机制砂过程中，常通过水洗去除不必要的石粉，但同时洗掉了砂中的细颗粒。机制砂级配不良、加工性能差，严重制约了机制砂的工程应用。研究表明[10-11]，对机制砂级配进行改性，可改善其新拌混凝土的和易性，提高硬化混凝土的密实度，从而获得更好的力学性能和耐久性。河道开采的废弃特细砂和近海开采的淡化特细砂，由于水流的常年冲刷，具有圆润的棱角、光滑的表面、更小的细度模数、更多的细颗粒，可解决目前机制砂表面粗糙、锋利棱角和缺失细颗粒的问题。本研究以废弃特细砂改性机制砂替代天然砂制备C60高性能混凝土，研究了特细砂掺量对混凝土工作性能、流变特性、抗压强度、抗折强度、弹性模量、抗冻性能和干收缩性能的影响，同时采用XRD和SEM分析了砂的化学组成、颗粒形貌。采用废弃特细砂对机制砂进行改性，既有利于废弃特细砂的利用，又有利于混凝土性能的改善。

1 试验

1.1 原材料

水泥：盘固P·Ⅱ52.5水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求，矿物组成如表1所示，7、28 d抗折强度分别为8.4、10.9 MPa，7、28 d抗压强度分别为42.9、54.3 MPa；矿粉：沙钢S95级矿粉，7、28 d活性指数分别为83%、97%；粉煤灰：利港Ⅰ级，细度（45μm方孔筛筛余）7.8%，烧失量4.6%，需水量比93%；水：自来水；减水剂：江苏苏博特聚羧酸减水剂，减水率21%，固含量15%；碎石：5～16 mm小石和16～25 mm大石，二级配石灰石碎石，含泥量1.1%。

表1 水泥的矿物组成 %

砂：石灰石机制砂（LS），细度模数3.2，粗砂；凝灰岩机制砂（TS），细度模数2.9，中砂；特细砂（TQS），河道清淤废弃物，细度模数1.1；河砂（QS），细度模数2.9。砂的粒径分布见表2，XRD图谱见图1，SEM照片见图2。

表2 砂的粒径分布

由表2、图1和图2可知，LS成分以CaCO3为主，TS成分以SiO2为主，含有部分Na[AlSi3O8]-Ca[Al2Si2O8]，QS成分以SiO2为主。QS和TQS颗粒外观圆润，表面光滑，规律性较好，而机制砂（LS和TS）颗粒表面粗糙，边缘锋利，针片状较多。

1.2 试验方法

1.2.1 XRD和SEM分析

取部分颗粒状样品，采用FEI生产的QUANTA250扫描电子显微镜进行分析；取部分颗粒状样品，用研钵磨碎制成粉末样品，采用Brueker公司生产的D8 ADVANCE ECO进行X射线粉末衍射分析。

1.2.2 扩展度、倒筒时间和含气量测试

依据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试新拌混凝土的扩展度、倒置坍落度筒排空时间和含气量。

1.2.3 流变性能测试

从混凝土拌合物通过4.75 mm筛筛出砂浆，然后采用旋转流变仪（R/S）在控制剪切速率和20℃的温度时，测试砂浆的流变特性。测量装置为CC25主轴同轴系统。所有的砂浆样品流变测试程序为：（1）预剪切剪切速率60 s-1保持60 s，预剪切的目的是破坏砂浆样品的结构，在测试前建立统一的测试条件；（2）10 s内剪切速率从30 s-1降至0，静停60 s；（3）然后60 s内剪切速率从0升高至30 s-1；（4）最后再60 s内剪切速率从30 s-1降至0，产生一个下降曲线。记录所有时间的剪切应力与剪切速率，通过下降曲线来计算各组砂浆的流变性能。

1.2.4 力学性能测试

依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，在标准养护室养护至规定龄期后进行测试，抗压强度试件尺寸为150mm×150mm×150mm、抗折强度试件尺寸为100 mm×100mm×400mm、弹性模量试件尺寸为100 mm×100mm×300mm。

1.2.5 抗冻性及干燥收缩性能测试

依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采用快速冻融法对混凝土抗冻性能进行测试，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm；采用接触法在恒湿[（60±5）%]和恒温[（20±2）℃]条件下进行干收缩试验，试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm。

1.3 混凝土配合比

C60高性能混凝土设计表观密度为2420 kg/m3，配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（矿粉）∶m（砂）∶m（小石）∶m（大石）∶m（水）∶m（减水剂）=364∶78∶78∶732∶304∶708∶156∶8.32。

2 试验结果和分析

2.1 特细砂改性机制砂的特性分析

本试验分别采用25%、50%、100%的机制砂取代天然砂，在每组取代比例的机制砂中用2.5%～30.0%的特细砂取代机制砂，对比混合砂和天然砂对混凝土性能的影响，混合砂的比例和细度模数如表3所示，混合砂的级配曲线如图3所示。

表3 混合砂的比例和细度模数

由图3可见：当机制砂取代25%河砂时，2-3#混合砂的级配曲线为Ⅱ区，接近天然砂，其它组混合砂2.36 mm筛余均不在Ⅱ区，且均不接近富勒曲线。当机制砂取代50%河砂时，混合砂级配曲线基本在Ⅱ区范围内，3-3#混合砂的级配曲线为Ⅱ区，接近天然砂，接近富勒曲线。当机制砂取代100%河砂时，4-2#混合砂的级配曲线接近Ⅱ区，靠近富勒曲线。由此可知，用7.5%和15.0%特细砂替代机制砂，可优化机制砂的级配。特细砂中的细颗粒颗粒改变了机制砂的级配，小于0.15 mm的粉颗粒填补了混凝土中细骨料与胶凝材料之间的空隙，起到了微细砂的作用。采用特细砂改性机制砂得到的混合砂级配曲线尽可能接近天然砂的级配曲线。机制砂取代率相同时，随着特细砂掺量的增加，0.075～0.3 mm颗粒数增加，混合砂级配曲线的凸度和坡度降低。

2.2 C60混凝土的工作性能

按照基准配合比，采用不同砂配制C60混凝土，通过调整减水剂掺量控制混凝土扩展度在（550±20）mm，不同砂配制混凝土的工作性能如表4所示。

表4 不同砂配制混凝土的工作性能

由表4可见，控制混凝土扩展度在（550±20）mm时，不同混合砂混凝土的倒筒时间均较天然砂混凝土延长，含气量均在（2.0±0.5）%。对比1#、2#、3#和4#混凝土可知，机制砂取代率越大，倒筒时间越长；对比4#、4-2#、和4-3#混凝土可知，相同取代率时，随着特细砂掺量的增加，混凝土的倒筒时间明显延长，特细砂掺量≤15%时，混凝土倒筒时间控制在10 s以内，工作性能尚可。

此外还可以看出，采用机制砂时减水剂掺量高于采用天然砂时，这是由于机制砂（LS和TS）的表面更加粗糙，天然砂表面较为光滑，同时TS石粉含量明显高于LS，因此需要更多的减水剂；采用TS配制的5#混凝土，增加减水剂掺量后可以保证混凝土的扩展度、倒筒时间和含气量与采用LS配制的混凝土相近。

2.3 流变特性分析

不同混合砂配制的砂浆流变特性如图4所示。

由图4可见，剪切应力随着剪切速率的增大而增大，黏度随着剪切速率的增大先迅速减小后缓慢增大；相同剪切速率下，LS和TS砂浆的剪切应力和黏度均明显高于QS砂浆，尤其是TQS的混入，TQS掺量越多，砂浆剪切应力和黏度均显著提高，4-2#和3-3#砂浆剪切应力和黏度与QS砂浆较为接近，而4-3#砂浆剪切应力和黏度明显高于QS砂浆；在扩展度相当的情况下，各种砂的砂浆剪切应力与黏度差别的主要原因：LS和TS的表面更粗糙，而QS和TQS的表面较为光滑，同时TS石粉含量明显高于LS；TQS虽然颗粒表面较为光滑，但由于细颗粒较多，增大了比表面积，内摩擦力增加，导致剪切应力与黏度的增大，因此TQS掺量不宜过高。控制TQS掺量≤15%对混凝土流变性能影响不大。

2.4 C60混凝土的力学性能

2.4.1 抗压和抗折强度（见表5）

表5 不同混合砂配制的混凝土的力学性能

由表5可见：

（1）随着机制砂取代率的增加，混凝土的早期抗压强度略有提高，到56 d时抗压强度较为接近；随着特细砂掺量的增加，抗压强度先提高后降低；砂岩机制砂混凝土的抗压强度高于河砂和石灰石机制砂。

（2）抗折强度与抗压强度有相同的规律，抗压强度越高则抗折强度越高。3-3#混凝土的抗压和抗折强度在LS、QS和TQS混凝土中最高，4-2#混凝土次之，70%LS+30%TQS体系（4-3#）抗压和抗折强度最低。TS混凝土的抗压和抗折强度高于LS、QS和TQS混凝土。TQS掺量≤15%时对混凝土抗压和抗折强度有提高，掺量过高时强度降低。

这是因为，与河砂相比，机制砂具有更多的角状和粗糙纹理，有利于提高水化产物与骨料的粘结强度，河砂与水化产物的粘结性较弱。此外机制砂通常含有一定量的石粉，LS中的CaCO3能在早期促进水泥水化，提高界面过渡区强度[1，12]。特细砂的加入改善了细骨料的级配，骨料骨架更加稳定，充填效果进一步提高，有利于强度发展。此外，虽然石粉通常被认为是惰性填料，但它可以促进新拌混凝土异相成核，从而间接改善水泥浆体的水化过程和微观结构[13]。而具有轻微火山灰活性的凝灰岩粉可提高水泥石与骨料[14]的粘结强度，从而提高抗压和抗折强度。

2.4.2 静力弹性模量

混凝土可以被模拟成三相材料，包括集料颗粒，界面过渡区，胶凝材料浆体。每个相的变化都会改变混凝土的静力弹性模量。由表5可见，掺加TQS的混凝土3-3#弹性模量比3#提高了10.7%，4-2#的弹性模量比4#提高了8.5%；TS混凝土（5#）的弹性模量高于QS（1#）、LS+QS（2#、3#）、LS（4#），略低于3-3#混凝土。

混凝土的弹性模量与混凝土的抗压强度、密实度和骨料体积密切相关[15]。掺加TQS改善细骨料级配，使得混凝土中骨料框架更加稳定，这将使3-3#、4-2#混凝土的变形比3#、4#混凝土减小，从而使混凝土的弹性模量更高。TS混凝土中抗压强度对弹性模量影响较大，其界面过渡区更致密、更稳定，增强了三相材料的最弱相，提高了TS混凝土的弹性模量。

2.4.3 堆积模型对力学性能的影响

混凝土的抗压强度、抗折强度和弹性模量与骨料填充骨架密切相关。在本研究中，LS（含石粉）和TQS（0.3、0.15mm颗粒）会对骨料颗粒填充产生影响，不同砂的堆积模型如图5所示。

由图5可见，河砂颗粒较圆润，表面较光滑；而机制砂表面较粗糙，棱角多，增加了料浆与骨料之间的耦合力；TQS+LS同时具备2个方面优点：机制砂高粗糙度，增加咬合力；同时细颗粒填充，提高密实度，在一定程度上可提高混凝土的力学性能。

2.5 C60混凝土的抗冻性

不同砂配制的混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数的变化如图6所示。

由图6可见，不同颗粒级配、不同岩性的QS、LS、QS+LS+TQS、LS+TQS和TS混凝土均表现出良好的抗冻性。经过400次冻融循环后，所有混凝土的相对动弹性模量均大于95%，也满足了抗冻等级大于F300的要求。经过300次冻融循环后，不同颗粒级配、不同岩性之间的相对动弹性模量最大差异为0.97个百分点，400次冻融循环后的最大差异为2.05个百分点。可以认为不同颗粒级配、不同岩性配制混凝土的抗冻等级相似。混凝土的抗冻性主要与混凝土微观结构中的气泡分布、均匀性有关[16]。因此，不同颗粒形貌、级配、岩性对混凝土抗冻性的影响较小。

2.6 C60混凝土的干燥收缩（见图7）

由图7可见，28 d前水泥水化和水分蒸发速度快，浆体的水分变化较大，混凝土的干燥收缩大。QS、QS+LS+TQS、LS、LS+TQS和TS混凝土28 d干燥收缩分别为296.6με、288.5 με、332.4με、308.6με、322.6με。QS+LS+TQS混凝土的干燥收缩比QS、LS和LS+TQS混凝土低，LS+TQS混凝土的干燥收缩比LS混凝土要略低，但总体QS、LS和TS混凝土的干燥收缩相近。这是由于将特细砂替代机制砂后，其级配得到改善，混凝土结构致密，从而提高了其抗收缩性。骨料粒度、水泥掺量、矿物掺合料、组分尺寸、养护条件等因素对混凝土干缩有显著影响[17]。在本实验中，上述影响干缩的因素基本保持不变，因此不同颗粒形貌、级配、岩性配制的混凝土干缩差异总体较小。

3 结论

（1）利用特细砂改性机制砂，取代天然砂，控制TQS掺量≤15%时，可以配制出C60高性能混凝土，由于纹理、形状、级配、石粉的组成不同，新拌混凝土扩展度、倒筒时间、含气量和流变特性有所不同，通过调整各种砂比例、级配和减水剂掺量后，均可满足C60高性能混凝土工作性能要求。

（2）TQS的加入提高了QS+LS+TQS颗粒堆积密实性，TQS掺量≤15%时混凝土抗压强度、抗折强度和弹性模量有提高，掺量过高时则降低。这是因为：机制砂粗糙的表面和多边有利于提高浆体与骨料之间的连接；掺加TQS改善细骨料级配，使得混凝土中骨料框架更加稳定；机制砂中的CaCO3能在早期促进水泥水化，提高界面过渡区强度。

（3）砂的颗粒形貌、级配、岩性对混凝土的抗冻性影响较小，抗冻等级均大于F400，满足高性能混凝土抗冻等级F300的要求；特细砂和机制砂部分替换天然后，级配得到改善，混凝土结构致密，提高其抗收缩性能，QS+LS+TQS混凝土的干燥收缩比QS、LS和TS混凝土要略低，但总体QS、LS和TS混凝土的干缩相近。