天然砂中粒径在0.075mm以下细粉多为泥粉, 泥粉对混凝土有害, 泥粉包裹在骨料外部产生虚弱黏结区, 减弱骨料与水泥石的黏结, 降低其强度^[1,2]。机制砂中黏土矿物的膨胀会增加混凝土收缩^[3,4]。机制砂生产同样会产生一定量粒径在0.075mm以下细粉, 这部分细粉可能主要是与机制砂生产原料相同的石粉。

机制砂中的细粉主要由石粉和少部分取材过程中掺杂地表土及岩层间夹杂的少量黏土构成^[5]。岩性变化会影响MB值表征黏土含量的准确性^[6]。MB值与泥粉含量成线性关系, 且与泥粉液塑限指数有关^[7]。机制砂中石粉掺入混凝土后, 对混凝土性能产生影响但无明显危害^[[8,9]。美国和欧洲标准规范^[10,11]编入亚甲蓝吸附试验测试骨料细粉中是否含黏土矿物。

GB/T14684—2011《建设用砂》规定用亚甲蓝 (MB) 值作为判定机制砂中粒径<0.075mm颗粒吸附性能指标^[12]。传统观念没有把石粉和泥粉区分, 以致在实际应用中不接受MB值较高, 但含泥量较少且使用性能仍满足要求的机制砂, 对机制砂推广应用造成阻碍^[13]。因此, 本研究通过对不同类型石粉和泥粉比表面积、矿物特性、表观结构等进行比较分析, 探讨这些因素对MB值的影响规律, 以推动和促进各类机制砂的应用。

选取花岗岩、铁尾矿、石灰石和再生骨料4类机制砂, 经筛分得到粒径在0.075～2.36mm机制砂, 然后用清水洗净, 放入烘箱 (105℃) 内烘干至恒重, 冷却至室温后备用。将洁净的花岗岩、铁尾矿和石灰石机制砂分别放入制样磨中研磨制备试验用细粉。再生骨料机制砂 (由16%砖块和84%砂浆块组成) 中细粉多为砖粉、砂浆粉, 因此, 研磨前人工选出机制砂中的砖块和砂浆块, 分别进行粉磨制备砖粉和砂浆粉。再生骨料粉直接由再生骨料机制砂粉磨制备, 为砖粉和砂浆粉的混合物。

通过控制粉磨时间, 制备勃氏比表面积分别约为300, 350, 400, 450, 500m²/kg的细粉, 且每种比表面积变化幅度为±20m²/kg。泥粉为西安当地黄土经烘干后研钵研磨通过0.075mm方孔筛筛分所得, 测得勃氏比表面积约为400m²/kg (液限W_L=39%, 塑限W_P=20%, 塑性指数I_P=19)

采用HYA-2010B1静态容量法 (氮吸附法) 比表面积测试仪, 测试勃氏比表面积约为400m²/kg花岗岩粉、铁尾矿粉、石灰石粉、砖粉、砂浆粉及泥粉的BET比表面积:花岗岩粉为4 618m²/kg, 铁尾矿粉为4 025m²/kg, 石灰石粉为4 705m²/kg, 砖粉为4 000m²/kg, 砂浆粉为3 887m²/kg, 泥粉为26 922m²/kg。BET比表面积包含粉体表面开口孔内部的面积, 因此测得数值相对较大。泥粉细度高出其他粉体一个数量级, 其表面结构酥松, 导致其吸附性能可能显著高于其他粉体。

次甲基蓝 (C₁₆H₁₈CLN₃S·3H₂O) 含量≥96%。

采用Brucker X射线荧光分析仪 (设备型号为S₄SPIONEER) 对上述5种粉体进行化学成分, 分析结果如表1所示。采用D/max-2500型X射线衍射仪对5种细粉进行矿物组分测定, 5种细粉XRD图如图1所示 (1为SiO₂ (石英) ;2为Na (Al Si₃O₈) (钠长石) ;3为CaCO₃ (方解石) ;4为Na_4.72K_7.28 (Al₁₂Si₂₀O₆₄) (十字沸石) ;5为KAl₃Si₃O₁₀ (OH) ₂ (白云母) ;6为Ca_1.97Al_3.8Si_8.2O₂₄ (CO) _1.83 (钙柱石) ;7为Mg₃ (Mg₂Al) ( (Si₃Al) O₁₀) (OH) ₂O₃ (斜绿泥石) ;8为K (Al, Fe) ₂Al Si₃O₁₀ (OH) ₂ (针叶云母) ;9为CaMg (CO₃) ₂ (碳酸钙镁石) ) 。

由表1可知, 4种细粉含有大量Si成分, 约占19%～23%, 显著高于石灰石粉, 其中花岗岩粉中Si含量最多, 约占24.3%。铁尾矿粉中富含Fe, Al, 其中Fe约占7%, Al约占11.5%, 显著高于花岗岩粉、再生骨料粉 (砂浆粉与砖粉混合物) ;再生骨料粉富含Ca, 约为11.7%。

由图1 XRD图谱分析可知 (半定量分析) , 铁尾矿粉、花岗岩粉、再生骨料粉 (砖粉和砂浆粉混合物) 、泥粉中均含有大量石英, 其中再生骨料粉中石英约占50%, 主要为砂浆中的天然砂;泥粉中石英约占48%;铁尾矿粉中石英约占46%;花岗岩粉中石英约占27%。不同之处在于, 花岗岩粉和再生骨料粉中含有大量钠长石, 其中花岗岩粉中钠长石约占60%, 再生骨料粉中有约42%钠长石及7%方解石。铁尾矿粉中存在45%白云母, 泥粉中存在20%白云母及11%方解石。

采用ZEISSStemi 508型体视显微镜观察各粉体颗粒形貌。选取75～150μm颗粒观察。不同粉体颗粒有不同颗粒形貌, 形貌不同可能会影响粉体部分基本性质如图2所示。

由图2可知, 不同粉体颗粒形貌有所差异, 铁尾矿粉和花岗岩粉颗粒形貌相近, 颗粒表面光滑, 粉体颗粒圆润饱满;石灰石粉颗粒颜色较深, 但颗粒表面也相对较光滑, 颗粒相对较圆润, 没有明显孔隙;由图2d分析可得, 再生骨料粉与其他3种粉体区别明显, 再生骨料粉颗粒表面凹凸不平, 粉体颗粒形状也不同, 大致有3种类型的颗粒形貌。颗粒形貌及表面孔隙将对细粉的亚甲蓝吸附性能产生影响。

按《建设用砂》规定的机制砂亚甲蓝试验方法, 测定MB值。为排除其他杂质影响, 通过定量添加纯净石粉或泥粉调整机制砂中细粉含量, 进行亚甲蓝吸附测定。为提高测试精度, 将规范中亚甲蓝溶液滴加单位由5mL改为1mL, 经5次试验求平均值, 以减小误差。

由于机制砂中可能同时存在石粉、泥粉, 因此, 需分析2种细粉在混合作用下对MB值的影响规律。向洁净的机制砂内掺10%的细粉, 其中细粉为花岗岩粉和再生骨料粉分别与泥粉按一定比例混合所得 (勃氏比表面积约为400m²/kg) , 测定混合细粉作用对MB值的影响。然后与两种细粉在单独作用下对MB值的影响进行比较。

对不同比表面积的铁尾矿粉、花岗岩粉、石灰石粉、砂浆粉和砖粉 (再生骨料粉) , 进行亚甲蓝的吸附性测试, 结果如图3所示。

由图3可知, 花岗岩粉、铁尾矿粉和石灰石粉的MB值, 在近似比表面积条件下, 显著高于砖粉和砂浆粉。再生骨料机制砂的砖粉和砂浆粉随细度增加, MB值较小且总体变化不大, 说明砖粉和砂浆粉对亚甲蓝吸附能力较弱, 即使提高其粉体细度, 对亚甲蓝的吸附能力仍无明显改善。砖块属于烧土制品, 而砂浆块多属于水泥水化产物与天然河砂的混合物, 这2类材料对亚甲蓝吸附能力不强。花岗岩粉、铁尾矿粉和石灰石粉随比表面积增大, MB测试值的变化幅度显著超过再生骨料机制砂细粉, 呈典型的线性增加趋势。说明花岗岩粉、铁尾矿粉和石灰石粉对亚甲蓝有一定的吸附能力, 其中铁尾矿粉较强而石灰石粉最弱。综上, 再生骨料机制砂 (含砖粉和砂浆粉) 的细粉对亚甲蓝测试不敏感。当再生骨料机制砂中细粉含量一定时, 细粉细度变化对MB值影响不大。铁尾矿粉和花岗岩粉则相反, 当所含石粉含量不变、细度提高后, MB值的测试结果均会增加, 其中铁尾矿类机制砂的增加值更高。

由4种细粉的XRD矿相分析结果可知, 再生骨料粉含石英、钠长石及少量石灰石, 其他种类细粉同样含上述3种矿物。细粉吸附性提高除因为细粉自身结构致密性存在差异外, 可能云母类矿物, 如KAl₃Si₃O₁₀ (OH) ₂ (白云母) , K (Al, Fe) ₂Al Si₃O₁₀ (O H) ₂ (针叶云母) 等是导致亚甲蓝吸附性增加的主要原因。

机制砂中石粉与机制砂材质近似, 故将比表面积约为400m²/kg花岗岩粉、铁尾矿粉、石灰石粉、砖粉和砂浆粉采用内掺法, 以不同掺量分别掺入对应材质的机制砂中 (砖粉和砂浆粉掺入再生骨料机制砂) , 研究石粉含量对机制砂MB值的影响, 结果如图4所示。

由图4可知, 增加石粉含量, 各类机制砂MB测试值均呈增大趋势, 但程度有所不同。对于再生骨料机制砂, 由于对亚甲蓝吸附能力较弱 (即使砖粉和砂浆粉含量达100%, MB值也仅为0.75左右) , 所以相同石粉含量时MB值测试结果显著低于花岗岩和铁尾矿机制砂。但随掺量增加, 仍然呈一定增长趋势。

将石粉含量与MB值进行线性回归分析, 回归公式如式 (1) 所示, 参数如表2所示。

式中:y₁为MB值;x₁为石粉含量 (%)

《建设用砂》中MB值以1.4为参考, 规定I, II, III类机制砂中石粉含量限值, 由拟合公式 (1) 可知, 当MB值为1.4时, 花岗岩、铁尾矿和石灰石类机制砂中石粉含量分别为59%, 47%, 89%, 均超过规范中石粉含量限值要求。因此, 对于洁净的这3类机制砂MB值均适用于≤1.4的情况。在机制砂实际生产过程中, 经历了初期剥离山皮过程后, 机制砂生产用的母岩通常不再含泥粉。利用公式 (1) , 测试铁尾矿和花岗岩机制砂MB值后, 可直接推测出这3类机制砂中石粉含量, 为生产质量控制提供参考。GB/T25176—2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》同样以MB值为1.4划分了I, II, III类再生细骨料。因再生骨料的砖粉或砂浆粉MB值显著低于1.4, 因此, 再生骨料中砖粉和砂浆粉体含量对MB值测试结果影响有限, 原混凝土中不同品种的粗骨料破碎后产生的粉体影响则可能更显著。若再生骨料机制砂生产环节中, 能够做到粗骨料与其余成分分离, 并掌握砖块和砂浆块的大致比例, 则同样可依据公式 (1) 大致估算石粉含量。

对于花岗岩、铁尾矿和石灰石机制砂, 增加石粉含量对MB值测试结果影响显著。这表明, 测试铁尾矿、石灰石和花岗岩类机制砂的MB值, 相比再生骨料机制砂, 更能敏感地反映机制砂中粉体含量变化情况。

将比表面积约为400m²/kg的泥粉, 以不同掺量分别掺入花岗岩、铁尾矿、石灰石和再生骨料机制砂中, 测试各类机制砂MB值, 结果如图5所示。

由图5可知, 随泥粉含量增加, 各类机制砂MB值增长迅速, 且增长趋势相似。将泥粉含量与MB值进行线性回归分析, 回归公式如式 (2) 所示, 参数如表3所示。

式中:y₂为MB值;x₂为泥粉含量 (%) 。

如泥粉混入上述花岗岩、铁尾矿、石灰石和再生细骨料机制砂中, MB值达1.4时, 所对应的泥粉含量分别为4.65%, 4%, 5.45%, 4.49%, 为4%～6%。由此可知, 泥粉含量少许变化将对MB值测试结果产生显著影响, 明显超过机制砂因材质变化所引起的吸附能力的改变, 但泥粉对MB值的影响能力与机制砂岩性特征存在一定关联性。

机制砂的细粉可能是石粉与泥粉的混合物, 其协同作用对MB值的影响, 也应重点考察。通过向洁净机制砂内掺10%混合细粉 (石粉和泥粉) , 测定石粉与泥粉混合状态MB值, 然后与拟合公式 (1) , (2) 计算得到的MB值进行比较, 确定石粉、泥粉在混合与单独2种作用下对MB值的影响规律。MB值测定结果如图6所示。

由图6可知, 2种细粉混合后, 对MB值的影响相互独立、互不干扰, 可近似认为其对亚甲蓝吸附能力为叠加关系。由此可知, 石粉、泥粉对机制砂MB值的影响, 泥粉影响最显著。当机制砂中细粉含量经筛分确定后, 如含量为10%时, 通过测定其MB值, 可计算出机制砂中石粉、泥粉含量。如上所述, 通过建立不同细粉含量 (通常现有机制砂的细粉含量在5%～20%) 不同石粉、泥粉比例与MB值的关系, 可鉴别细粉中泥粉含量, 为石粉含量较高但使用性能仍满足要求的机制砂推广提供一定的技术支撑。

1) 机制砂中细粉材质不同对MB值产生不同程度的影响。再生骨料机制砂中砖粉和砂浆粉对亚甲蓝测试不敏感, 细粉细度变化对MB测试值影响不大。而石灰石粉、铁尾矿粉和花岗岩粉的MB测试值则随细度提高呈线性增加。

2) 增加各类石粉含量, 各类机制砂MB测试值均呈线性增大趋势, 相同石粉含量时, MB值由高至低的顺序依此为铁尾矿、花岗岩、石灰石、再生骨料。

3) 影响机制砂MB值高低的关键在于控制泥粉含量。若机制砂中, 泥粉含量>4%时, MB值可能达到或超过1.4。

4) 石粉、泥粉在混合作用时相互独立、互不干扰, 对MB值的影响存在叠加关系。当机制砂中细粉含量经筛分确定后, 通过测定其MB值, 可计算出机制砂中石粉、泥粉含量。