機制砂片狀顆粒對砂漿和混凝土性能與微觀結構的影響

黃志剛，徐志華，李北星，呂敦祥，黃 安

(1.江西省交通工程集團有限公司，南昌 330000；2.江西省橋梁智能養護工程技術研究中心，南昌 330000; 3.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

0 引 言

近年來，隨著天然砂資源的日益短缺和生態約束的趨緊，機制砂正逐步替代天然砂成為混凝土用砂的主要來源。相比經流水長期沖刷而形成的表面光滑、粒形圓潤的天然砂，機制砂由機械破碎而成，其表面粗糙，顆粒具有形狀不規則、多棱角的特點，且片狀顆粒含量較高[1-2]。機制砂粒形與生產成型工藝及設備關系密切，生產過程中機制砂的整形對控制針片狀顆粒起到關鍵作用[3]。采用顆粒形貌差、棱角度高或針片狀顆粒含量較多的機制砂配制混凝土時，由于砂粒與漿體的接觸面增加,顆粒與顆粒之間的咬合力和摩阻力增大，混凝土的流動需要更多拌合水或膠漿[2,4-6]，且針片狀顆粒易引起混凝土泌水，使混凝土和易性和可泵性降低，直接或間接導致硬化混凝土的強度、變形性和耐久性能降低[7-8]。

周新文等[9]研究了機制砂顆粒形狀對砂漿流變性能的影響，發現形狀不規則的機制砂會增大砂漿流動阻力和表觀黏度。謝華兵[10]采用顆粒粒形綜合指數對機制砂顆粒形貌進行表征，并認為粒形綜合指數高的機制砂制備的砂漿其工作性和力學性能更優，干燥收縮更大。宋少民等[11]于2015年首次對機制砂片狀顆粒進行了定義，并開發了應用條形孔篩檢測機制砂片狀顆粒含量的方法。在此基礎上，宋少民等[12]研究了片狀顆粒含量對C30和C50機制砂混凝土流動性、強度和氯離子擴散系數的影響，建議機制砂的片狀顆粒含量不宜超過20%(質量分數)。熊珂等[13]研究了機制砂片狀顆粒含量對C30混凝土性能的影響，建議機制砂中片狀顆粒含量控制在12%(質量分數)以內。黃京勝[14]研究了片狀顆粒含量對C60～C80高強大流態混凝土和易性、抗壓強度和耐久性的影響，得出機制砂片狀顆粒含量不應大于20%(質量分數)。于本田等[15]研究了機制砂片狀顆粒含量與粒徑對水泥膠砂流動度和強度影響的敏感性，發現水泥膠砂性能與片狀顆粒含量最為關聯，其次是4.75～9.50 mm單粒徑片狀顆粒的含量。JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》[16]標準將碎石、人工砂片狀顆粒指標及檢測方法納入其中以對粗、細骨料的粒形進行表征，由此引導混凝土材料設計更加重視骨料粒形及骨料體系的優化。

上述針對機制砂粒形對水泥膠砂或混凝土性能的影響研究，大多集中在不規則顆?；蚱瑺铑w粒含量的影響方面，而機制砂中片狀顆粒粒徑大小的影響研究還很少[15]，且目前尚未從微觀層次上揭示機制砂片狀顆粒對混凝土宏觀性能影響的作用機制。為此，本研究以江西省宜春至遂川(宜遂)高速公路項目隧道片麻巖洞渣加工的機制砂為研究對象，利用條形孔篩篩分出1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm和4.75～9.50 mm三個不同粒級的片狀顆粒，機制砂顆粒級配固定不變，在不同粒級、粒形規則的機制砂中摻加片狀顆粒來調整片狀顆粒含量，研究了片狀顆粒粒徑和組合粒徑的片狀顆粒含量對機制砂砂漿流動度和強度的影響，以及片狀顆粒含量對機制砂混凝土工作性、強度和電通量的影響，并通過掃描電鏡(SEM)和壓汞法(MIP)分別對不同片狀顆粒含量的機制砂砂漿界面微結構和孔結構進行了測試。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)水泥：P·O 42.5水泥，3 d、28 d抗壓強度分別為27.4 MPa、48.1 MPa，3 d、28 d抗折強度分別為5.3 MPa、7.8 MPa。

(2)粉煤灰：F類Ⅱ級粉煤灰，細度(45 μm篩篩余)24.1%(質量分數)，需水量88%(質量分數)，28 d活性指數76%。

(3)碎石：5～31.5 mm連續級配片麻巖碎石，由粒徑5～10 mm小石、10～20 mm中石和16～31.5 mm大石按質量比2 ∶5 ∶3級配而成，主要物理力學性能見表1。

表1 片麻巖碎石與機制砂主要物理力學性能Table 1 Basic physical and mechanical properties of gneiss crushed stone and manufactured sand

(4)機制砂：江西省宜遂高速公路SSA標二分部機制砂場采用樓站式單獨干法制砂工藝生產的片麻巖機制砂，機制砂細度模數為2.92，級配區為2區，主要物理力學性能指標見表1。

(5)外加劑：聚羧酸高效減水劑，固含量為18.5%，減水率為20%。

1.2 試驗方案

(1)機制砂片狀顆粒篩選及其摻配

參照JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》，采用篩孔寬度分別為0.8 mm、1.6 mm、3.2 mm的條形孔篩，用于篩分出機制砂中1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.50 mm三個單粒級的片狀顆粒。圖1、圖2是篩分得到的各單粒級片狀顆粒和規則顆粒。

圖1 不同粒徑的機制砂片狀顆粒Fig.1 Flake particles of manufactured sand with different particle sizes

圖2 不同粒徑的機制砂規則顆粒Fig.2 Regular particles of manufactured sand with different particle sizes

表2為不同片狀顆粒含量的機制砂分計篩余及空隙率測定結果。按表2所示顆粒級配(分計篩余)要求進行摻配，在保持各機制砂試樣顆粒級配一致的前提下，配制不同單粒級片狀顆粒的機制砂和不同片狀顆粒含量的7個機制砂試樣，7個機制砂試樣的細度模數均為2.83。其中，MS1.18、MS2.36、MS4.75代表片狀顆粒含量均為10%(全文含量均為質量分數)，但片狀顆粒粒級分別分布在1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.50 mm的三種機制砂，MS0、MS10、MS20、MS30分別代表片狀顆粒含量為0%、10%、20%、30%的四種機制砂。由表2可以看出，當機制砂所含片狀顆粒粒徑逐漸增大，或片狀顆粒含量增加時，機制砂的堆積密度會隨之降低，空隙率則相應增加。

表2 不同片狀顆粒含量的機制砂分計篩余及空隙率測定結果Table 2 Packing void ratio results and particle size sieve residue of manufactured sand with different content of flake particles

續表

(2)機制砂砂漿配合比

表3為機制砂砂漿配合比及流動度。采用表2所示MS0、MS1.18、MS2.36、MS4.75、MS10、MS20、MS30不同單粒級片狀顆粒和不同片狀顆粒含量的機制砂，按表3所示配合比配制水泥砂漿，對應的砂漿編號分別為MSM0、MSM1.18、MSM2.36、MSM4.75、MSM10、MSM20、MSM30。

表3 機制砂砂漿配合比及流動度Table 3 Mix proportion and fluidity of manufactured sand mortar

(3)機制砂混凝土配合比

表4為機制砂混凝土配合比及工作性。采用表2所示片狀顆粒分別為0%、10%、20%、30%的機制砂MS0、MS10、MS20、MS30，按表4設計的配合比拌制4個C35強度混凝土，混凝土試樣對應編號為MSC0、MSC10、MSC20、MSC30。本試驗采用單因素變量，除了片狀顆粒含量變化外，其他原材料和配比參數不變。

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

1.3 試驗方法

(1)砂漿性能：依據GB/T 2419—2005測試砂漿流動度，按GB/T 17671—1999測定砂漿抗壓、抗折強度，強度齡期為7 d、28 d。

(2)混凝土性能：混凝土坍落度、擴展度試驗依據GB/T 50080—2016進行；抗壓強度依據GB/T 50081—2019進行試驗，試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，測試齡期為7 d和28 d；抗氯離子滲透性依據GB/T 50082—2009中的電通量法測定，試塊尺寸為φ100 mm×H50 mm圓柱體，測試齡期為84 d。

(3)砂漿微觀結構測試：上述砂漿試樣標準養護至28 d齡期時，使用無水乙醇終止水化，采用掃描電鏡和孔結構壓汞法測試樣品。掃描電鏡采用Quanta 450 FEG型場發射掃描電子顯微鏡，壓汞儀采用AutoPore IV 9510型高性能全自動壓汞儀。

2 結果與討論

2.1 片狀顆粒粒徑對砂漿性能的影響

由表3片狀顆粒粒徑不同的機制砂砂漿流動度結果可知，在片狀顆粒含量(10%)相同條件下，當機制砂所含片狀顆粒的粒徑增大時，砂漿流動度隨之減小。與不含片狀顆粒的MSM0砂漿相比，MSM1.18、MSM2.36、MSM4.75三組砂漿試樣的流動度分別下降了4.3%、9.1%和12.3%，片狀顆粒粒徑越大，砂漿流動度降低越多。這主要是因為片狀顆粒粒徑的增大引起了機制砂空隙率增大(見表2)，漿體數量一定時，包覆在機制砂表面的漿體潤滑層厚度減小，導致砂漿流動性降低。

圖3是機制砂片狀顆粒粒徑對砂漿抗壓、抗折強度的影響結果。從圖3可以發現，與MSM0砂漿相比，MSM1.18砂漿7 d、28 d抗壓強度降低1.2%、5.2%，抗折強度下降5.6%、7.1%，MSM2.36砂漿7 d、28 d抗壓強度降低4.3%、12.5%，抗折強度下降11.2%、10.6%，MSM4.75砂漿7 d、28 d抗壓強度降低6.2%、13.2%，抗折強度下降6.7%、11.8%。這些結果說明片狀顆粒含量相同但片狀顆粒粒徑不同的機制砂對砂漿強度影響程度不一，即機制砂所含片狀顆粒粒徑越大，砂漿強度越低，且抗折強度的降幅總體上高于抗壓強度。

圖3 不同粒徑片狀顆粒的機制砂砂漿強度Fig.3 Strength of manufactured sand mortar with different sizes of flake particles

2.2 片狀顆粒含量對砂漿性能的影響

由表3片狀顆粒含量不同的機制砂砂漿流動度結果可以看出，砂漿流動度隨著機制砂片狀顆粒含量的增加而逐步降低。MSM10、MSM20、MSM30砂漿流動度較MSM0分別下降6.9%、10.6%、17.6%，即當片狀顆粒含量為20%時，砂漿流動度降幅超過10%。這是因為片狀含量的增大，一方面增加了機制砂的空隙率(見表2)，另一方面機制砂總質量一定時，片狀顆粒含量越高，則砂粒數量越多，總比表面積越大[17]，二者共同導致流動度下降。

圖4是機制砂片狀顆粒含量對砂漿抗壓、抗折強度的影響結果。由圖4可知，與不含片狀顆粒的砂漿相比，片狀顆粒含量為10%、20%、30%的砂漿7 d抗壓強度齡期分別降低4.5%、12.3%、17%，抗折強度降低9.8%、15.3%、20.9%；28 d抗壓強度分別下降7.7%、13.2%、17.9%，抗折強度下降8.3%、14.2%、20%。由此可知，當片狀顆粒含量為10%時，對砂漿強度影響較小，但片狀顆粒含量大于20%時，砂漿強度降低較大，抗壓強度降幅為12.3%～13.2%，抗折強度降幅為14.2%～15.3%。

以上結果顯示，隨著機制砂片狀顆粒含量的增加，砂漿強度不斷降低。這是由于片狀顆粒易折斷，與正常粒形的砂顆粒相比，片狀顆粒自身壓碎指標較大[13]，承壓時抗壓碎能力較規則顆粒有所下降，并且在試件振搗成型過程中，片狀顆粒易發生水平定向排列[18]，造成片狀機制砂顆粒下方局部水灰比增大，使片狀機制砂顆粒下表面漿體孔隙率提高，孔結構粗大(結果詳見2.5節)，界面過渡區的缺陷也增多。值得注意的是，機制砂片狀顆粒含量對砂漿抗折強度的降低程度總體高于抗壓強度。這是因為含片狀顆粒的砂漿的界面存在孔隙和微裂縫等原生缺陷，當砂漿進行抗折試驗而受拉時，集料-水泥石界面過渡區的原生裂縫會隨著應力的增大而逐漸擴展，從而降低抗折強度，但是砂漿在承受壓力荷載時，當界面過渡區破壞失去抗力之后可以將外力進一步轉移至機制砂顆粒和水泥石上，因此抗壓強度降低不明顯[19]。

圖4 不同片狀顆粒含量的機制砂砂漿強度Fig.4 Strength of manufactured sand mortar with different content of flake particles

2.3 片狀顆粒含量對混凝土性能的影響

由表4片狀顆粒含量不同的機制砂C35混凝土工作性結果可知，機制砂片狀顆粒含量的增加降低了混凝土的坍落度與擴展度。不含片狀顆粒的機制砂混凝土MSC0坍落度為224 mm，擴展度為511 mm，當機制砂片狀顆粒含量為10%、20%、30%時，混凝土的坍落度分別下降4.0%、9.8%、16.5%，擴展度分別下降2.2%、4.3%、6.8%。因此，要維持混凝土良好的工作性，片狀顆粒含量不應超過20%。

圖5是片狀顆粒含量不同的機制砂C35混凝土抗壓強度與電通量測試結果。從圖5(a)可以發現，隨著機制砂片狀顆粒含量的增多，混凝土的抗壓強度漸降低。相較于片狀顆粒含量0%的機制砂混凝土，片狀顆粒含量10%、20%、30%的機制砂混凝土其7 d抗壓強度分別下降5.6%、12.1%、17%，28 d抗壓強度分別下降4.3%、11.5%、14.0%，即當機制砂片狀顆粒含量達20%時，混凝土7 d、28 d抗壓強度降低均超過10%。由圖5(b)可知，機制砂混凝土的電通量隨著片狀顆粒含量的增加而逐漸增大，片狀顆粒含量10%、20%、30%的混凝土較片狀顆粒含量0%的混凝土的84 d齡期電通量分別增加10.8%、28.0%、40.6%，說明機制砂片狀顆粒含量達20%時，電通量增加20%以上，對混凝土抗氯離子滲透性產生較為明顯的不利影響。片狀顆粒含量多的機制砂的空隙率高于粒形規則的機制砂，在混凝土配合比參數相同情況下，片狀顆粒含量多的機制砂配制的混凝土孔隙率高[12]，內部結構密實度下降，宏觀上表現為混凝土抗滲性下降，上述的電通量增大證實了這一分析。

圖5 不同片狀顆粒含量的機制砂混凝土性能Fig.5 Properties of manufactured sand concrete with different content of flake particles

2.4 片狀顆粒對砂漿界面微觀結構的影響

圖6和圖7分別是MSM0、MSM20、MSM30三個砂漿試樣28 d齡期不同放大倍數的SEM照片。由圖6(a)可見，不含片狀顆粒的MSM0砂漿中水泥漿體將機制砂顆粒包裹緊密，水化產物與機制砂顆粒界面結合的裂隙小。圖6(b)中含20%片狀顆粒的MSM20砂漿中水泥漿體和片狀機制砂顆粒間存在明顯的裂隙。而圖6(c)中含30%片狀顆粒的MSM30砂漿中漿體與片狀顆粒之間的裂隙更大，界面結合不緊密。

圖6 機制砂砂漿的28 d SEM照片Fig.6 SEM images of manufactured sand mortar at 28 d

從圖7(a)可以發現，不含片狀顆粒的MSM0砂漿的機制砂顆粒周圍僅有少量六方片狀Ca(OH)2晶體，而圖7(b)、(c)中MSM20、MSM30砂漿中的機制砂顆粒附近均存在明顯的疊片狀粗大Ca(OH)2晶體。這是因為機制砂片狀顆粒的水平定向排列會引起片狀機制砂顆粒下方水灰比增大，導致水泥漿體與砂粒的界面過渡區孔隙率高，孔隙粗大，Ca(OH)2晶體易于結晶生長，由此形成的薄弱界面過渡區影響了混凝土與砂漿的強度。

圖7 機制砂砂漿的28 d SEM照片Fig.7 SEM images of manufactured sand mortar at 28 d

2.5 片狀顆粒對砂漿孔結構的影響

圖8是采用壓汞法測定的不同片狀顆粒含量的機制砂砂漿孔徑分布曲線，表5是基于吳中偉等[20]對水泥基材料孔隙分類方法得到的孔隙結構分布結果。從圖8(a)孔徑分布積分曲線可知，隨著片狀顆粒含量的增加，砂漿試樣的累計進汞量逐漸增加，累計進汞量越大，則砂漿孔隙率越高。由表5可知，不含片狀顆粒的MSM0試樣的孔隙率為14.1%，平均孔徑為15.46 nm，含片狀顆粒10%、20%、30%的MSM10、MSM20、MSM30試樣的孔隙率分別為14.8%、15.1%和15.5%，平均孔徑分別為15.90 nm、16.07 nm、17.02 nm，隨著片狀顆粒含量的增大，砂漿的孔隙率與平均孔徑均略有增加。分析圖8(b)可以發現，四個砂漿試樣的微分曲線峰值所對應的孔徑，即最可幾孔徑在32.046～32.453 nm范圍變化，幾乎沒有差別。隨著片狀顆粒含量的增加，20 nm以下的無害孔和20～50 nm的少害孔數量之和呈減少趨勢，50～200 nm的有害孔數量呈先降后增趨勢，但差別不甚明顯，而大于200 nm的多害孔數量呈明顯的增加趨勢。從圖8(b)可以發現，三個含片狀顆粒的MSM10、MSM20、MSM30砂漿試樣在4 525.4 nm處均出現了第二最可幾孔徑，并且機制砂中片狀顆粒含量越高，第二最可幾孔徑的峰值越高，據此可以推測片狀顆粒主要導致了200 nm以上的多害孔數量增多，而對50 nm以下的無害或少害的微細孔的影響較小。以上結果說明片狀顆粒含量的增加，引起了砂漿孔隙分布中大尺寸多害孔的比例增多，導致砂漿孔徑和孔隙率增大，從而使混凝土的強度和抗滲性降低。

圖8 不同片狀顆粒含量的機制砂砂漿孔徑分布曲線Fig.8 Pore size distribution curves of manufactured sand mortar with different content of flake particles

表5 不同片狀顆粒含量的機制砂砂漿孔結構特征參數Table 5 Pore structure characteristic parameters of manufactured sand mortar with different content of flake particles

3 結 論

(1)在維持顆粒級配不變的情況下，隨著機制砂所含片狀顆粒粒徑的增大或片狀顆粒含量的增加，機制砂顆粒的堆積空隙率隨之增大，機制砂砂漿的流動度和強度逐漸降低，當片狀顆粒含量大于20%時，機制砂砂漿流動度和強度的降幅均超過10%，且片狀顆粒對砂漿抗折強度的影響程度高于抗壓強度。

(2)機制砂片狀顆粒含量的增加，降低了混凝土的工作性、強度和抗滲性等性能，當機制砂片狀顆粒含量達到20%時，混凝土不同齡期的抗壓強度降幅為12.3%～13.2%，抗折強度降幅為14.2%～15.3%，電通量增幅超過20%。

(3)機制砂中片狀顆粒含量的增加會增大砂漿的孔隙率，增加大尺寸多害孔的比例，并弱化水泥砂漿與機制砂顆粒的界面過渡區，從而導致砂漿和混凝土強度降低，抗滲性劣化。因此，應嚴格控制機制砂中片狀顆粒含量尤其是片狀粗砂顆粒的含量。