岩性对机制砂特性及其混凝土性能的影响

0 引言 　　
随 着环境保护的加强和基础设施建设的迅速发展，河砂资源日益匮乏，价格上涨。同时砂作为大宗建筑材料，不适宜远距离运输，一般建筑施工均采取就地取材的方式 选取原材料。因此，各地在生产机制砂时，多选用当地产抗压强度较高、无碱活性的岩石作为制砂母岩。我国幅员辽阔，各种岩性岩石分布广泛，其中石灰岩矿分布 最为广泛，但有些地区还广泛的分布着其他岩性的岩石，例如我国东南和东北地区花岗岩广泛分布，而我国西南、内蒙和南京等地区又是以玄武岩分布为主 [1-3]。国内外学者对集料岩性对混凝土性能的影响做了大量的研究，多注重于粗集料影响混凝土性能的研究，且集中于碱一集料反应等耐久性方面，而机制砂 岩性对混凝土性能的影响研究相对较少[4]。因此，笔者从机制砂及其石粉特性着手，采用不同母岩岩性的机制砂代替河砂，研究岩性变化对混凝土性能和微结构 的影响。
1 材料与方法 　　
1.1 原料 　　
试 验用水泥为北川中联生产的P·O 42.5R级水泥，其密度为2.95g/cm3，比表面积为455m2/kg，主要性能指标见表1。峨眉山市某矿区玄武岩经破碎制得玄武岩机制砂；石英质 机制砂来自四川广安晟通公路检测公司(四川华蓥山市)；河砂取自绵阳涪江，经水洗晒干备用。

1.2 试验方法 　　
分 别按GB/T 14684-200l《建筑用砂》和JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》测定试验用砂的堆积密度、孔隙率、级配及细度模数；分别按GB/T 50080一2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和GB/T 5008l—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定混凝土的工作性能和力学性能．试摸尺寸为100mm×100mm×100mm,修正系数为 0.95。物相分析仪器为荷兰队PANaIycjcal公司X’Pert PR0型粉晶X射线衍射仪；SEM分析仪器为日本东芝公司TM-1000型扫描电子显微镜。
2 结果与讨论 　　
2.1 机制砂及石粉的性能与微结构 　　
2.1.1 机制砂与河砂的物理性质 　　
机 制砂在颗粒形貌、级配和石粉含量方面与天然河砂都存在着明显的差异，对混凝土性能的影响也大为不同[5]。试验测定的机制砂与河砂相关物性见表2，结果表 明：石英质机制砂的细度模数、堆积空隙率小于河砂，但石粉含量、表观密度和堆积密度均高于后者；而峨眉山玄武岩机制砂的上述指标均高于河砂。机制砂的这些 特点决定了其对混凝土的工作性和力学性能将产生不同的影响。

2.1.2 机制砂与河砂的级配对比 　　
由 于机制砂为机械破碎而成，不同的岩性决定了其在相同破碎条件下产生颗粒群分布的差异。峨眉山玄武岩主要含基性长石、辉石等矿相和一定量的玻璃质结构，其晶 质成分高，主要矿物硬度大(摩氏硬度大于6，接近石灰石的2倍)，结晶构造牢固，具有较高的表面硬度和机械强度。因此，其破碎较困难．同时，易产生细碎的 粉体颗粒，即石粉。故峨眉山玄武岩机制砂在O.6mm以上的颗粒比河砂多8％左右(如表3)，其级配曲线基本位于河砂上方，0.6mm以下则相反(如图 1)。石英质机制砂则整体位于河砂级配曲线的下方，其具有更优化的颗粒级配分布，孔隙率更低，有利于形成紧密堆积，增加密实度。

2.1.3 石粉的物性与微结构分析 　　
对各种岩性的石粉进行微观分析，通过XRD、SEM等测试方法对石粉的微结构进行表征，结果如表4，图2一4。

由表4可知：石英质机制砂石粉的粒径最小，其中0-40μm颗粒占84％，大于60μm的颗粒仅3％；河砂石粉的粒径最大，其中大于40μm的颗粒占总重的57％；玄武岩石粉的粒径位于两者之间，粒径分布主要集中在3-50μm。 　　
从 图2-4中的SEM和XRD分析可知，河砂石粉的颗粒棱角明显，由于长时间冲蚀作用，棱角钝圆，且表面光滑，组成矿物主要为石英，为惰性组分，在水泥水化 过程中仅起填充作用；石英质机制砂石粉颗粒尖锐有明显的棱角，表面光滑，附着了较多的石粉，含有钠长石(NaAlSi3O8)等杂质矿物；玄武岩石粉棱角 较多，且表面粗糙,裂缝多,主要含钠长石、透辉石、蛇纹石等硅酸盐矿物。对于机制砂而言，其颗粒形貌形状不规则、多梭角，因此石粉颗粒需要更多的包裹水。 这也是通常机制砂中含有大量石粉或掺加石粉时，混凝土的需水量大幅增加或混凝土的保水性明显提高的重要原因。
2.2 机制砂岩性对混凝土性能的影响 　　
为了验证机制砂岩性对混凝土性能的影响，在相同试验条件下，使用不同岩性的细集料配制了C50强度等级的混凝土试块，其工作性和力学性能测试结果见表5。

从 表5可以看出，机制砂较河砂而言，其工作性下降明显，玄武岩机制砂早期强度下降较多，但后期可以赶上甚至超过河砂和石英质机制砂配制的混凝土。在工作性方 面，石英质机制砂的坍落度和扩展度均下降，扩展度下降幅度更大，达70％；玄武岩机制砂坍落度和扩展度损失更多。这可能是由以下几个方面造成的：首先，玄 武岩机制砂石粉含量是石英质机制砂的两倍，在同水灰比条件下，石粉含量大，细颗粒多，需水量增大，故其坍落度下降。同时，较大的石粉含量导致玄武岩机制砂 颗粒级配不合理，最终使配制的混凝土和易性差，易离析，这可能是造成玄武岩机制砂扩展度较大的主要原因。其次，玄武岩机制砂颗粒表面粗糙，裂缝多，石粉中 较大颗粒多细颗粒的吸附现象更严重，这也是机制砂配制混凝土需水量增大的原因。在强度方面：石英质机制砂与河砂的成分基本相同，级配曲线差异较小是石英质 机制砂与河砂配制的混凝土的强度无明显变化的原因；玄武岩机制砂混凝土的早期强度明显较河砂混凝土的小，后期强度几乎相同，这是由于玄武岩机制砂的细度模 数大，需水量大，流动度小，导致密实较差，早期强度较低，级配不合理是造成玄武岩机制砂混凝土早期强度下降明显的主要原因；后期强度的增长可能是玄武岩中 包裹在玻璃体中的活性硅铝质氧化物的溶出，发生二次水化，优化了水泥石及界面过渡期的微结构，同时，在一定程度上加快了水泥水化造成的。
3 结论 　　
(1)采用相同破碎方式制备的机制砂在表观密度、堆积密度、细度模数、石粉含量等物性差异较大。表面硬度和机械强度较高的矿物经破碎得到的机制砂，其过粗颗粒含量和过细颗粒含量多于河砂，级配不合理，需要通过人工筛分的方法进行调整。 　　
(2) 河砂石粉的颗粒棱角明显钝化，表面光滑；石英质机制砂石粉颗粒尖锐，有明显的棱角，附着有较多的石粉，含有钠长石(NaAlSi3O8)等杂质矿物；玄武 岩石粉棱角较多，且表面粗糙，需水量大，主要含钠长石、透辉石、蛇纹石等硅酸盐矿物，并且含有一定量的玻璃体。 　　
(3)不同岩性机制砂 对C50混凝土的工作性影响不同，颗粒形貌的差异和石粉含量的变化是机制砂混凝土工作性下降的主要原因，石粉含量对玄武岩机制砂颗粒级配的影响更大；强度 方面，峨眉山玄武岩机制砂混凝土早期抗压强度具有较明显的变化，其3d抗压强度仅为河砂混凝土的61.3％，28d时可以赶上甚至超过河砂、石英质机制砂 配制的混凝土。 　　(4)河砂与石英质机制砂主要矿物均为石英，其结晶良好，其石粉为惰性填充料；玄武岩质机制砂，由于其玻璃体包裹的活性SiO2和活 性A12O3，可以溶出，并发生二次火山灰反应，消耗Ca(0H)2，加速水泥的水化速度，同时，生成的二次水化产物填充于C-S-H凝胶的孔隙中，有利 于基体强度的发展。因此，在配制机制砂混凝土时，具有一定活性的矿物经破碎制得的机制砂较惰性矿物更有利于混凝土的强度和耐久性。
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