黑云母石英片岩机制砂的特性及混凝土配制研究*

董俭召，李北星，黄 安，吕敦祥

(1.中交路桥建设有限公司，北京 101121；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070)

0 引言

随着我国基础设施建设的快速发展，建设用砂需求量保持快速增长态势，多年的开采使一些江河水域河砂资源储量急剧下降。同时，受近年来生态保护及限采、禁采政策的制约，许多地区基本无砂可采，河砂质量日益下降，导致混凝土用砂供需矛盾突出。机制砂正在逐渐代替河砂成为建设用砂的主要来源。

十堰—巫溪高速公路项目地处鄂西北秦巴山脉东部，属于典型的山区高速公路，建设用砂来源依赖郧阳汉江河砂，不仅供应紧张，且受环水保影响，每年7—9月停采。另外，该汉江流域河砂以细砂为主，且质量波动大。为缓解十巫高速公路项目建设用砂，尤其是施工高峰期河砂资源严重短缺的问题，同时为资源化利用隧道开挖产生的大量洞渣，项目将隧道洞渣破碎加工成机制砂替代河砂用于混凝土工程。鄂西北秦巴山脉东部为国内典型的变质岩发育区，且变质岩岩性较弱、变质程度不一、岩石中矿物成分及含量不同[1]，项目沿线以黑云母石英片岩分布为主。

近年来，国内外围绕机制砂岩性对混凝土性能的影响进行了一定研究[2-6]，结果表明，不同岩性的机制砂对混凝土工作性能及减水剂的适应性影响较大，对混凝土强度和耐久性也有一定影响。虽然关于机制砂混凝土的研究较多，但多局限于石灰岩、花岗岩、玄武岩、石英岩等常见岩性机制砂，对石英片岩机制砂石骨料的研究较少。杜晓凡等[7]对黑云母石英片岩机制粗、细骨料的物理性能、碱活性、云母含量及混凝土力学性能进行了研究，认为黑云母石英片岩可作为混凝土骨料；董海英等[8]对比研究了石英片岩与花岗岩2种骨料混凝土性能，发现采用石英片岩骨料混凝土的弹性模量低于同强度等级的花岗岩骨料混凝土，但极限拉伸值高于花岗岩骨料混凝土。

为研究鄂西北秦巴山脉东部广泛分布的黑云母石英片岩加工的机制砂用于混凝土制备的可行性，本研究首先测定了该石英片岩机制砂的理化性能指标，研究了机制砂的亚甲蓝(MB)值、胶砂需水量比及强度与其石粉含量的关系，并将该机制砂与当地细河砂掺配成混合砂用于配制C20，C30，C40强度等级的混凝土，研究石英片岩机制砂的掺配合比例对混凝土强度和干缩性能的影响，以期为低品位石英片岩机制砂在混凝土中的应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1)水泥 采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，3，28d抗压强度分别为28.0，47.5MPa，3，28d抗折强度分别为5.4，7.3MPa。

2)粉煤灰 采用F类Ⅱ级粉煤灰，比表面积为467m2/kg，细度(45μm筛余)为22.4%，需水量比为100%，28d活性指数为89%。

3)碎石 采用5.0～31.5mm石灰岩碎石，由5～10mm，10～20mm和16～31.5mm 3个粒级级配组成，搭配比例为20%，50%，30%。碎石压碎值为18.9%，含泥量为0.6%，针片状颗粒含量为3%。

4)河砂 采用汉江河砂，细度模数为2.2，表观密度为2.700g/cm3，堆积密度为1.592g/cm3，空隙率为41.0%，含泥量为1.8%，碱活性为0.07%(快速碱-硅酸反应膨胀率)，级配曲线如图1a所示。该河砂属于细砂，3区级配。

图1 细骨料颗粒级配曲线

5)机制砂 十巫高速公路SWBY-2标项目采用砂石干法联产工艺生产的黑云母石英片岩机制砂，其细度模数为2.9，表观密度为2.514g/cm3，堆积密度为1.520g/cm3，空隙率为39.5%，压碎指标为31.5%，亚甲蓝MB值为3.85g/kg，石粉含量为12.1%，碱活性为0.08%，级配曲线如图1b所示。从细度模数和级配曲线来看，该机制砂属于中砂，其中2.36mm筛孔累计筛余为37.1%，超出2区砂累计筛余25%的上限范围，其他筛孔的累计筛余符合2区砂级配要求。

6)外加剂 采用聚羧酸高效减水剂，减水剂固含量为15.75%，减水率为21.5%。

1.2 混凝土配合比

考虑到石英片岩机制砂的压碎指标、MB值和石粉含量3个关键指标超标，且机制砂中2.36mm筛孔的累计筛余超标，本研究采用机制砂与细河砂掺配，探讨混合砂配制C20，C30，C40强度等级混凝土的可行性，混凝土配合比如表1所示。试验中，C20，C30混合砂混凝土中的机制砂与河砂掺配比例从40∶60逐步递增到70∶30，C40混合砂混凝土的机制砂与河砂掺配比例从30∶70逐步递增到60∶40。

表1 混合砂配制不同强度等级混凝土配合比

为了对比，进行1组纯河砂混凝土和2组不同石粉含量纯机制砂混凝土的配制。另外，为了凸显机制砂与河砂掺配比例、石粉含量对混凝土性能的影响，强度等级相同的混凝土试验组，其胶材组成与用量、砂率和水胶比等配合比参数相同，混合砂掺配比例和石粉含量变化引起的混凝土流动性变化通过减水剂用量调整，使所有混凝土流动性基本保持一致，即坍落度180～220mm、扩展度450～520mm。

1.3 试验方法

1)机制砂理化性能 依据GB/T 14684—2011《建设用砂》进行测定，其中制取不同石粉含量的机制砂时，将机制砂中的石粉用0.075mm方孔筛全部筛出，再以3%，5%，7%，10%的含量掺入机制砂中。

2)机制砂需水量比 依据DB36/T 1153—2019《公路水运工程混凝土用机制砂生产与应用技术规程》附录B机制砂需水量比试验方法进行，胶砂配合比如表2所示。机制砂需水量比计算如下：

(1)

式中：X为机制砂需水量比，精确至1%；Mw为试验胶砂流动度达到对比胶砂流动度L0±2mm时的加水量(g)；对比胶砂的加水量为225g。

3)机制砂胶砂强度 参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行。试验用胶砂配合比为：水泥∶机制砂∶水=1∶3∶0.5。当机制砂中石粉含量变化时，通过调整减水剂用量控制胶砂流动度基本相同((180±10)mm)。

表2 机制砂需水量比与试验配合比

4)混凝土抗压强度 参照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，试件尺寸为150mm×150mm×150mm。

5)混凝土干燥收缩 参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。试验采用接触法进行，试件尺寸为100mm×100mm×515mm，混凝土成型时预先在试件两端中心预埋测头。试件标准养护3d后开始干缩试验，干缩室温度为(20±2)℃，相对湿度为(60±5)%，干缩至90d龄期结束试验。

2 试验结果分析

2.1 机制砂的理化性能

黑云母石英片岩机制砂的化学成分为SiO260.98%，Al2O316.16%，Fe2O35.99%，CaO 3.85%，MgO 3.19%，TiO20.70%，Na2O 3.21%，K2O 3.0%，MnO 0.14%，P2O50.14%，SO30.11%，元素损失2.40%；主要成分为SiO2和Al2O3，二者含量之和超过75%。由岩相分析可知，该机制砂母岩呈鳞片变晶结构，片状构造，主要矿物组成为石英(含量约82%)、黑云母(约12%)、绿帘石(约5%)，其他不透明矿物等含量约1%，且不含碱活性矿物，典型岩相结构如图2所示。

图2 黑云母石英片岩碎石典型显微结构

黑云母石英片岩机制砂X-射线衍射(XRD)图谱如图3所示。由图3可知，黑云母石英片岩机制砂的主要矿相有石英、钠长石、黑云母、绿泥石。

图3 黑云母石英片岩机制砂XRD图谱

根据机制砂的主要物理力学性能指标，对照JTG/T 3650—2020《公路桥涵施工技术规范》中II，III类机制砂的技术要求，可发现该机制砂具有高压碎指标、高MB值和高石粉含量特性，其压碎指标为31.5%，略超过III类机制砂要求的30%；MB值远超1.4g/kg，且石粉含量为12.1%，远超III类机制砂要求的5%石粉含量限值(当MB值>1.4g/kg时)，因此可判定该机制砂属于不合格品，按现行规范要求不能用于混凝土。

2.2 石粉含量对机制砂吸附性能的影响

石粉含量对机制砂MB值的影响如图4所示。由图4可知，石粉含量为0%时，MB值为1.0g/kg，远大于其他作者测试的石灰岩、大理岩、花岗岩、片麻岩、玄武岩、石英岩、砂岩等岩性的机制砂本底MB值(0.15～0.42g/kg)[9]。分析原因可能是该石英片岩中含有绿泥石、黑云母和长石等层状铝硅酸盐矿物，尤其绿泥石是一种特殊的2∶1型含水层状铝硅酸盐矿物，其物理吸附和阳离子交换吸附较强[10-11]；另外，随着石粉含量的增多，机制砂MB值大幅度提高，石粉含量为3%，10%的MB值较石粉含量0%时增加了35%，220%，说明该石英片岩石粉含量变化对机制砂MB值影响较大，这与已有文献[10,12,13]关于纯净石粉对MB值贡献不大的结论相悖。为此，参照美国AASHTO T330—07标准[14]测定该石粉的亚甲蓝(MB)值为15g/kg，对照AASHTO T330—07[14]将石粉品质分为良好、勉强可接受、存在或可能存在问题、不合格4级要求，该石英片岩石粉可判定为存在或可能存在问题。上述结果表明，本研究的石英片岩机制砂不仅本底吸附性较高，且其石粉的吸附性也很高，属于高吸附性机制砂。根据图4中机制砂MB值与石粉含量的数学关系式可推测，当机制砂石粉含量为2.5%时，其MB值就达1.4g/kg。根据《建设用砂》要求，对于MB值大于1.4 g/kg的机制砂，其石粉含量应控制在3%(II类砂)、5%(III类砂)以内。

图4 石粉含量对机制砂MB值的影响

2.3 石粉含量对机制砂胶砂需水量比和强度的影响

机制砂的需水性能直接影响混凝土的流动性能，间接影响混凝土的强度和耐久性。机制砂的需水性与其岩性、吸水率、石粉含量、石粉吸附性、粒形、细度模数和颗粒级配等有关。本试验采用需水量比来表征机制砂的需水性能，石粉含量对机制砂胶砂需水量比的影响如图5所示。由图5可知，机制砂胶砂需水量比随石粉含量的增加呈线性增加趋势；石粉含量3%，10%时的需水量比分别为126.7%，151.1%，相比石粉含量0%时的需水量比分别增加了11.7%，36.1%，增长幅度较大。这是由于该石粉的MB值高达15g/kg，对水的吸附性很强，其胶砂达到相同流动度所需用水量自然就高。

图5 石粉含量对机制砂胶砂需水量比的影响

石粉含量对机制砂胶砂强度的影响如图6所示。由图6可知，随着机制砂中石粉含量的增加，胶砂3，28d的抗压、抗折强度均呈先增加后降低的趋势，当石粉含量超过最佳值3%后，则胶砂强度显著降低，机制砂石粉含量为5%时的胶砂28d抗压、抗折强度较石粉含量3%时分别降低12.0%，6.8%。机制砂中含有适量的石粉，可起到微细骨料填充作用，使胶砂的孔结构细化并改善界面过渡区，从而提高强度。但由于本研究的石粉岩性是黑云母石英片岩，矿物组成中含有较多黑云母、绿泥石等层状铝硅酸盐矿物，黑云母呈薄片状，其表面光滑，因此与水泥浆的黏结性差[15]；而绿泥石是一种黏土矿物，不仅自身强度较低、无水化活性，且能延缓水泥的水化，并通过包裹在骨料表面而妨碍骨料与水泥石间的黏结，形成软弱的界面过渡区[16]，上述两方面共同导致黑云母石英片岩石粉含量较高的机制砂胶砂强度降低，且其强度最佳的石粉含量也远低于常规的石灰岩、花岗岩机制砂砂浆强度10%左右的最佳石粉含量[17-19]。

图6 石粉含量对机制砂胶砂强度的影响

2.4 机制砂与河砂混合比例对混凝土工作性能能和强度的影响

本研究通过外加剂掺量高低间接反映混凝土的需水量大小或工作性能高低。由表1可知，随着混合砂中机制砂掺配比例的上升和石粉含量的增加，混凝土达到相同工作性能所需的减水剂掺量上升，尤其是机制砂掺配比例超过70%后，减水剂掺量大幅度增长。机制砂掺配比例为50%的C20，C30，C40混合砂混凝土(M50R50)减水剂掺量分别为1.6%，1.4%，1.36%，是对应河砂混凝土(M0R100)减水剂掺量的2.1倍、1.6倍和1.7倍，而C20，C30机制砂混凝土M100R0减水剂掺量分别达到了3.6%，3.4%，是相应河砂混凝土M0R100减水剂掺量的4.6倍、3.8倍。机制砂或混合砂混凝土较河砂混凝土的减水剂需求量增大较多主要与黑云母石英片岩机制砂的石粉含量大及吸附性高有关。具体而言，由于石粉比表面积远大于机制砂和河砂颗粒，随着机制砂掺配比例的增大，石粉含量增多，包裹其所需的用水量增多，且黑云母石英片岩石粉吸附性强，说明该石粉对减水剂和拌合水具有很高的吸附性，由此降低了减水剂和水对水泥的分散性，从而需要额外加入更多的减水剂。表1中石粉含量降为5%，3%配制的C20，C30改性机制砂混凝土MM100R0减水剂掺量是石粉含量12.1%的原状机制砂混凝土M100R0减水剂掺量的50%，62%，证明该石粉的高吸附性对机制砂混凝土工作性能有严重的有害影响。

机制砂和河砂掺配比例对不同强度等级混合砂混凝土强度的影响如图7所示。由图7可知，随着混合砂中机制砂比例的逐渐上升，3个强度等级的混凝土7，28d抗压强度均逐渐下降。C20，C30河砂混凝土M0R100 28d抗压强度分别为33.8，44.1MPa，而C20，C30机制砂混凝土M100R0 28d抗压强度仅为24.8，30.3MPa，分别降低26.6%，31.3%。考虑到上述M100R0机制砂石粉含量12.1%超标较多，将机制砂中的石粉含量筛至标准要求的5.0%，3.0%上限值，再分别配制C20，C30改性机制砂混凝土，可以看到：石粉含量降低后的C20，C30改性机制砂混凝土MM100R0 28d抗压强度增至28.8，36.8MPa，与M60R40混合砂混凝土的抗压强度基本相当，不过还是较C20，C30河砂混凝土M0R100 28d抗压强度降低14.8%，16.6%。对于C40混凝土而言，与河砂混凝土M0R100相比，M60R40混合砂混凝土28d抗压强度下降了21.6%，石粉含量降至3.0%后配制的改性机制砂混凝土MM100R0 28d抗压强度下降了24.5%。

图7 机制砂与河砂掺配比例对不同强度等级混合砂混凝土强度的影响

就C20，C30和C40混合砂混凝土28d抗压强度而言，当混合砂中机制砂的掺比为60%，50%和40%时，其28d抗压强度分别为28.3，38.8，48.9MPa，满足相应强度等级混凝土28d配制强度要求，即本试验条件下配制C20，C30和C40混合砂混凝土的机制砂掺配最大比例分别为60%，50%和40%，随着混凝土强度等级的提高，混合砂中机制砂掺配比例下降。

2.5 机制砂与河砂掺配比例对C30混凝土干缩的影响

机制砂掺配比例对C30混合砂混凝土干缩的影响如图8所示。由图8可知，6组混凝土的干缩率均随龄期的延长逐渐增大，尤其是在前14d龄期干缩率呈快速增长趋势，此后干缩增速有所减缓，当龄期达60d后，干缩率增长变得非常平缓。随着混合砂中机制砂掺配比例的增大，同龄期的混凝土干缩率逐渐增大。机制砂混凝土M100R0、混合砂混凝土M50R50的90d干缩率分别为797.6×10-6，634.8×10-6，较河砂混凝土M0R100分别增加84.6%，46.9%。机制砂混凝土干缩较河砂混凝土偏大的原因主要为：①机制砂颗粒的压碎指标偏高，表明该机制砂颗粒强度低，对浆体收缩的限制作用减弱；②机制砂中的石粉增大了混凝土中的浆体体积，同时本研究的石粉中含有绿泥石、黑云母等黏土或类黏土矿物，吸附性高，在混凝土拌合过程中这些黏土矿物先吸附大量自由水而体积膨胀，在干燥过程自由水蒸发后使混凝土体积收缩[20]。因此，该机制砂在使用时，应严格限制石粉含量。

3 结语

1)黑云母石英片岩机制砂不具有碱活性，但其压碎指标、MB值和石粉含量3个指标均超过标准要求。随着机制砂中石粉含量的增加，其MB值和胶砂需水量比显著增大，胶砂强度在石粉含量超过3%后逐步降低。该机制砂含有绿泥石和黑云母等黏土或类黏土层状铝硅酸盐矿物，是其具有高吸附性的主要原因。

2)黑云母石英片岩机制砂不应直接用于混凝土的配制。采用石粉含量12.1%的原状黑云母石英片岩机制砂配制的C20，C30混凝土减水剂掺量是河砂混凝土减水剂掺量的4.6倍和3.8倍，28d抗压强度降低26.6%，31.3%。石粉含量筛至标准要求的5%，3%上限值后，改性机制砂混凝土减水剂掺量显著降低，抗压强度也有不同程度增高。

3)采用黑云母石英片岩机制砂与河砂混合可配制出C20，C30，C40强度等级的混合砂混凝土。随着混合砂中机制砂掺配比例的增大，混凝土达到同等工作性能的减水剂掺量明显增大，混凝土7d和28d抗压强度逐渐下降，干缩显著增大。对于C20，C30，C40混凝土，机制砂在混合砂中所占比例应分别不超过60%，50%，40%。