强风化岩粉对水泥砂浆性能影响的研究

卢普光 雷秀玲 李中田

某水电站大坝工程混凝土使用人工骨料，骨料加工场料区岩石为花岗岩，但在试生产期间出产的人工砂并非料区花岗岩特有的灰、红混合色，而是呈现出如泥土般的黄褐色，按照DL/T 5151—2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》中的试验方法对人工砂进行亚甲蓝MB 值试验，测得该人工砂的MB 值为1.53，按规范应判定该人工砂中微粒含量以泥为主，对料区进行踏勘后发现，料区的植被覆盖层早已剥离，料区不存在泥土层，但笔者在现场发现，部分料区岩体存在黄褐色的强风化岩石夹层，宽度在30～50 cm，夹层中的岩石极其破碎，几乎完全粉末化，分析认为，可能是生产过程中未分离的强风化岩粉造成了人工砂呈现黄褐色，并使人工砂吸附性增强，最终导致MB 值增大。

众所周知，如果砂中含有较多的强吸附性细颗粒（如黏土矿物），将增加混凝土中水和外加剂的用量，影响水泥浆与骨料之间的粘结性，进而对混凝土拌合物性能、硬化混凝土力学性能和耐久性等方面产生不利影响，因此，为确保工程质量，有必要开展强风化岩粉对人工砂使用性能的影响的研究，本文从水泥砂浆入手，为进一步开展混凝土的研究提供参考。

1 试验与分析

1.1 原材料

（1）水泥：亚泰鼎鹿牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

（2）成品人工砂：骨料场加工产出的人工砂，细度模数为2.85。

（3）洁净的人工砂（0.08～5.0 mm）：把人工砂水洗过5.0 mm 和0.08 mm 套筛，将两筛之间的颗粒烘干后密封备用。

（4）强风化岩粉：在料区随机选取3 条强风化岩石夹层，每条夹层中取一定量的样品，将其混合、烘干后过0.08 mm 筛，筛下颗粒存储备用（筛下颗粒呈黄褐色）。

（5）花岗岩粉：在料区选取洁净的花岗岩，烘干后破碎、粉磨，过0.08 mm 筛，取筛下的颗粒备用。

1.2 样品制备与试验方法

1.2.1 人工砂样品制备与试验

通常，人工砂中各级颗粒的矿物成分与母岩一致，花岗岩制得的人工砂MB 值很小，但如果混入其他颗粒较小、比表面积较大的泥质颗粒（尤其粒径小于0.08 mm 时）[1]，将造成人工砂吸附性增强，MB 值变大。

本试验通过水洗法测得人工砂中小于0.08 mm颗粒含量为11.20%，然后调整砂中小于0.08 mm 颗粒中强风化岩粉的比例，制备出不同强风化岩粉含量的人工砂样品，见表1，再按DL/T 5151—2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》中的方法，对各样品进行亚甲蓝MB 值试验，研究强风化岩粉对人工砂吸附性的影响。

表1 不同强风化岩粉含量的人工砂样品原材料用量

1.2.2 砂浆样品制备与试验

使用1.2.1 中制备出的人工砂样品制作水泥砂浆，各组样品的材料用量见表2，其中，1#样品为基准样品，不含强风化岩粉。

本试验首先按照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定各砂浆拌合物的流动性，再将砂浆制成40 mm×40 mm×160 mm 试件，标准养护到一定龄期后，分别按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验方法（IOS 法）》和DL/T 5151—2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》开展砂浆强度（3、7、28 d）试验和砂浆小试件抗冻试验（28 d，无引气剂），研究强风化岩粉对砂浆力学和耐久性的影响。

表2 水泥砂浆试件原材料用量

1.3 试验结果与分析

1.3.1 亚甲蓝MB值试验结果

砂中强风化岩粉含量与亚甲蓝MB 值的对应关系如图1 所示，从图中可以明显地看出，随着砂中强风化岩粉的增加，MB 值也随之增大，二者呈现出良好的线性关系，说明该成品人工砂的吸附性主要来自强风化岩粉。由此可以判断，骨料加工过程中未分离的强风化岩粉是导致该人工砂吸附性增强、MB 值变大的直接原因。

图1 砂中强风化岩粉含量-MB值对应关系

1.3.2 砂浆流动性试验结果

在砂浆拌合、成型过程中目测发现，砂浆拌合物流动性随砂中强风化岩粉含量的增加而逐渐变差，各样品拌合物流动性试验结果如图2 所示。从图中可以看出，随着砂中强风化岩粉的增加，拌合物流动性在逐渐变差。这说明，使用含强风化岩粉较多的砂来拌制砂浆，需要加入更多的水才能保证砂浆拌合物的流动性，这将降低硬化后砂浆的强度。

从图2 中还可以看出，与1#样品相比，少量的强风化岩粉对砂浆流动性的影响较小，但其在人工砂中含量超过6.72%时，砂浆的流动性将明显降低。

1.3.3 砂浆强度试验结果

各砂浆试件的抗折强度和抗压强度试验结果分别如图3、4 所示。从图中可以看出，各试件在同龄期的抗折强度随着砂中强风化岩粉的增加均有所降低，但整体变化不大。

图2 各组砂浆拌合物流动性试验结果

图3 各试件抗折强度

图4 各试件抗压强度

同时，各试件在同龄期的抗压强度也随着砂中强风化岩粉的增加而降低，其中，各试件3 d 和7 d的抗压强度变化较匀，但当砂中强风化岩粉含量大于6.72%时，砂浆的28 d 抗压强度出现了陡降的现象。另外，抗压强度的降幅较大，与1#样品相比，其他样品的3、7、28 d 抗压强度最大降幅分别达到4.6、7.9、10.5 MPa。

1.3.4 砂浆抗冻性试验结果

本试验设置200 次冻融循环，试验期间，当试件质量损失率达到5%时或相对动弹模量下降至初始值的60%时，认为该组试件已达破坏[2]，砂浆抗冻试验结果如图5、6 所示。

从图5、6 中可以看出，仅1#、2#、3#样品在经过200 次冻融循环后未破坏，但3 组样品的质量损失率也在逐渐变大，同样，相对动弹模量也越来越低；4#、5#、6#样品分别在经过175、125、125 次循环后破坏，此外，砂中强风化岩粉含量超过4.48%时，试件的质量损失曲线的斜率逐渐变大，试件的质量损失越来越大，说明在200 次冻融循环下，含少量强风化岩粉的人工砂（小于4.48%）制作的砂浆在不掺引气剂的情况下，抗冻性仍能满足要求，若再增大砂中强风化岩粉的含量，砂浆抗冻性将越来越差。

图5 各试件质量损失率

图6 各试件相对动弹模量

2 结论与展望

（1）验证了本工程骨料加工场料区夹层中的强风化岩粉具有较强的吸附性，人工砂MB 值较高的现象是由于人工砂在加工过程中未分离的强风化岩粉所致。

（2）强风化岩粉会降低砂浆流动性，其在砂中的含量超过6.72%时，砂浆的流动性会明显降低。

（3）强风化岩粉对砂浆抗折强度和抗压强度均有不利影响，尤其对抗压强度的影响更明显，当其在砂中含量大于6.72%时，砂浆28 d 抗压强度将大幅下降。

（4）强风化岩粉对砂浆的抗冻性有不利影响，在不掺引气剂的情况下，当其在人工砂中的含量超过4.48%，砂浆的抗冻性将越来越差。

（5）本文仅开展了强风化岩粉对砂浆性能影响的宏观试验，其微观分析、作用机理和对混凝土影响的研究有待开展，尤其是混凝土性能受其影响的研究更具工程实用价值。