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摘要：采用包括峨眉山玄武岩在内的不同岩性机制砂代替河沙制备了机制砂混凝土，研究机制砂岩性变化及石粉含量对混凝土性能和微结构的影响。结果表明，采用相同粉磨方式制备的机制砂在表观密度、堆积密度、细度模数、石粉含量及微观结构等物性差异较大。不同岩性机制砂对C50混凝土的工作性影响不大；但对早期抗压强度具有较明显的影响，峨眉山玄武岩机制砂混凝土的3d抗压强度仅为河砂混凝土的61.3％，但28d龄期时两者接近相同，河砂、石英质机制砂及峨眉山玄武岩机制砂混凝土28d抗压强度分别为59.2MPa、58.5MPa和60.8MPa。
关键词：机制砂； 混凝土； 特性； 石粉
1 引言
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。我国河砂资源日益匮乏，价格上涨。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。而我国幅员辽阔，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 [l-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，且多集中于碱-集料反应等耐久性方面，而对机制砂岩性对混凝土性能的影响的研究相对较少[4]。因此，本文作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。
2 材料与方法
2.1 原料
实验用水泥为北川中联生产的P·O42.5R级水泥，其密度为2.95kg/m3, 比表面积为455m2/kg，主要性能指标见表2-1。石粉是将不同岩性机制砂磨细而得。采用峨眉山玄武岩破碎制备玄武岩机制砂，来自四川峨胜水泥股份有限公司；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。
表2.1实验用水泥的主要性能指标
2.2 实验方法
分别按《建筑用砂》（GB/T14684-2001）和《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006）测定实验用砂的堆积密度和空隙率和级配与细度模数；分别按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2002）和《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）测定混凝土的工作性能和力学性能，试模尺寸为100mm×100mm×100mm，修正系数为0.95。物相分析在荷兰PANalytical公司X' Pert PRO型粉晶X射线衍射仪上完成；SEM分析在日本东芝公司TM-1000型扫描电子显微镜上完成。
3 结果与讨论
3.1 机制砂及石粉的性能与微结构
3.1.1 机制砂与河砂的物理性质
机制砂在颗粒形貌、级配和75um以下粒级含量方面与天然河砂都存在着明显的差异，在对混凝土性能的影响也大为不同[5]。实验测定的机制砂与河砂相关物性见表3-1，结果表明：采用相同粉磨方式制备的机制砂物性差异较大，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或力学性能产生显著不同的影响。
表3-1 机制砂与河砂的物理性质
3.2.2 机制砂与河砂的级配曲线
与河砂相比，由于机制砂为机械破碎而成，其颗粒多棱角，级配分布不均（如图3-1），不利于細集料形成紧密堆积的效果，如峨眉山玄武岩机制砂在0.6mm以上的颗粒比河砂多出了约8％，而0.6mm以下的细颗粒含量比河砂少（如表3-2）。
图3-1 细集料的级配曲线
表3-2 细集料筛分析级配
3.2.3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3-3，图3-2~3-4。
表3-3 石粉粒度分析（质量含量/%）
由表3-3可知：石英质机制砂石粉的粒径最小，其中0～40um颗粒占84%，大于60um的颗粒仅3%；河砂石粉的粒径最大，其中大于40um的颗粒占总量的57%，粒径分布中占90%所对应的粒径为85.35um；玄武岩石粉的粒径位于两者之间，粒径分布主要集中在3～50um。
从图3-2、3-3、3-4中的SEM和XRD分析可知，河砂石粉的颗粒大、棱角小，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。因为机制砂是由机械破碎、筛分制成的，在生产过程中不可避免的会有过粉磨现象发生，因此石粉含量较高，而河砂经河水的长期冲刷，棱角较少，小于75um的颗粒也少。对于机制砂而言，其颗粒形貌形状不规则、多棱角，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。
图3-2 河砂石粉
图3-3 石英机制砂石粉
图3-4 峨眉山玄武岩机制砂石粉
3.3 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，采取配合比其他参数不变，仅调整细集料种类配制了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3-4。
表3-4 机制砂岩性对混凝土性能的影响
从表3-4可以看出，岩性对混凝土工作性的影响中，相比于河砂混凝土，石英质机制砂的坍落度和扩展度均下降，由于石英质机制砂颗粒表面粗糙，细颗粒多，颗粒间摩擦力大，使其吸水量增加，相同用水量时流动度降低，粘聚性增加；玄武岩质机制砂的坍落度和扩展度有显著降低，这是因为玄武岩机制砂细度模数大，颗粒较粗，表面粗糙，需要更多的浆体来包裹，在相同配比时其流动性较低。岩性对混凝土强度的影响：石英质机制砂与河砂混凝土的强度相比，强度无明显变化，因为石英质机制砂与河砂的成分基本相同，级配相近；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；后期由于玄武岩机制砂的颗粒表面粗糙度高，内摩擦力大，使其强度较高。
4 结论
1）采用相同粉磨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。
2）河砂石粉的颗粒大、棱角小，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。
3）不同岩性机制砂对C50混凝土的工作性影响不大；但对早期抗压强度具有较明显的影响，峨眉山玄武岩机制砂混凝土的3d抗压强度仅为河砂混凝土的61.3％，28d时相近河砂，河砂、石英质机制砂及峨眉山玄武岩机制砂混凝土分别为59.2MPa、58.5MPa和60.8MPa。
参 考 文 献
[1] 刘崇熙等.混凝土骨料性能和制造工艺[M].广州：华南理工大学出版社，1999.。
[2] Anne-Mieke PoPPe, Geert De Sehutter. Cement hydration in the Presence of high filler contents[J]. Cement and Concrete Research，2005，35:2290-2299.
[3] G.Kakali，s.Tsivilis，E.Aggeli，M.Bati，Hydration products of C3A，C3S and Portland cement in the Presence of CaCO3[J]. cement and concrete research，2000，(30):1073-1077.
[4] 李兴贵.高石粉含量人工砂在混凝土中的应用研究[J1.建筑材料学报，2004，7(l):66-71.
[5] D.S.Prakash Rao and Giridhar Kumar.Investigations on Conerete with Stone Crushed Dust As Fine Aggregate[J].The lndian Conerete Joumal，2004，(6):45-50.
关键词：机制砂； 混凝土； 特性； 石粉
1 引言
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。我国河砂资源日益匮乏，价格上涨。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。而我国幅员辽阔，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 [l-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，且多集中于碱-集料反应等耐久性方面，而对机制砂岩性对混凝土性能的影响的研究相对较少[4]。因此，本文作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。
2 材料与方法
2.1 原料
实验用水泥为北川中联生产的P·O42.5R级水泥，其密度为2.95kg/m3, 比表面积为455m2/kg，主要性能指标见表2-1。石粉是将不同岩性机制砂磨细而得。采用峨眉山玄武岩破碎制备玄武岩机制砂，来自四川峨胜水泥股份有限公司；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。
表2.1实验用水泥的主要性能指标
2.2 实验方法
分别按《建筑用砂》（GB/T14684-2001）和《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006）测定实验用砂的堆积密度和空隙率和级配与细度模数；分别按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2002）和《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）测定混凝土的工作性能和力学性能，试模尺寸为100mm×100mm×100mm，修正系数为0.95。物相分析在荷兰PANalytical公司X' Pert PRO型粉晶X射线衍射仪上完成；SEM分析在日本东芝公司TM-1000型扫描电子显微镜上完成。
3 结果与讨论
3.1 机制砂及石粉的性能与微结构
3.1.1 机制砂与河砂的物理性质
机制砂在颗粒形貌、级配和75um以下粒级含量方面与天然河砂都存在着明显的差异，在对混凝土性能的影响也大为不同[5]。实验测定的机制砂与河砂相关物性见表3-1，结果表明：采用相同粉磨方式制备的机制砂物性差异较大，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或力学性能产生显著不同的影响。
表3-1 机制砂与河砂的物理性质
3.2.2 机制砂与河砂的级配曲线
与河砂相比，由于机制砂为机械破碎而成，其颗粒多棱角，级配分布不均（如图3-1），不利于細集料形成紧密堆积的效果，如峨眉山玄武岩机制砂在0.6mm以上的颗粒比河砂多出了约8％，而0.6mm以下的细颗粒含量比河砂少（如表3-2）。
图3-1 细集料的级配曲线
表3-2 细集料筛分析级配
3.2.3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3-3，图3-2~3-4。
表3-3 石粉粒度分析（质量含量/%）
由表3-3可知：石英质机制砂石粉的粒径最小，其中0～40um颗粒占84%，大于60um的颗粒仅3%；河砂石粉的粒径最大，其中大于40um的颗粒占总量的57%，粒径分布中占90%所对应的粒径为85.35um；玄武岩石粉的粒径位于两者之间，粒径分布主要集中在3～50um。
从图3-2、3-3、3-4中的SEM和XRD分析可知，河砂石粉的颗粒大、棱角小，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。因为机制砂是由机械破碎、筛分制成的，在生产过程中不可避免的会有过粉磨现象发生，因此石粉含量较高，而河砂经河水的长期冲刷，棱角较少，小于75um的颗粒也少。对于机制砂而言，其颗粒形貌形状不规则、多棱角，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。
图3-2 河砂石粉
图3-3 石英机制砂石粉
图3-4 峨眉山玄武岩机制砂石粉
3.3 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，采取配合比其他参数不变，仅调整细集料种类配制了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3-4。
表3-4 机制砂岩性对混凝土性能的影响
从表3-4可以看出，岩性对混凝土工作性的影响中，相比于河砂混凝土，石英质机制砂的坍落度和扩展度均下降，由于石英质机制砂颗粒表面粗糙，细颗粒多，颗粒间摩擦力大，使其吸水量增加，相同用水量时流动度降低，粘聚性增加；玄武岩质机制砂的坍落度和扩展度有显著降低，这是因为玄武岩机制砂细度模数大，颗粒较粗，表面粗糙，需要更多的浆体来包裹，在相同配比时其流动性较低。岩性对混凝土强度的影响：石英质机制砂与河砂混凝土的强度相比，强度无明显变化，因为石英质机制砂与河砂的成分基本相同，级配相近；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；后期由于玄武岩机制砂的颗粒表面粗糙度高，内摩擦力大，使其强度较高。
4 结论
1）采用相同粉磨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。
2）河砂石粉的颗粒大、棱角小，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。
3）不同岩性机制砂对C50混凝土的工作性影响不大；但对早期抗压强度具有较明显的影响，峨眉山玄武岩机制砂混凝土的3d抗压强度仅为河砂混凝土的61.3％，28d时相近河砂，河砂、石英质机制砂及峨眉山玄武岩机制砂混凝土分别为59.2MPa、58.5MPa和60.8MPa。
参 考 文 献
[1] 刘崇熙等.混凝土骨料性能和制造工艺[M].广州：华南理工大学出版社，1999.。
[2] Anne-Mieke PoPPe, Geert De Sehutter. Cement hydration in the Presence of high filler contents[J]. Cement and Concrete Research，2005，35:2290-2299.
[3] G.Kakali，s.Tsivilis，E.Aggeli，M.Bati，Hydration products of C3A，C3S and Portland cement in the Presence of CaCO3[J]. cement and concrete research，2000，(30):1073-1077.
[4] 李兴贵.高石粉含量人工砂在混凝土中的应用研究[J1.建筑材料学报，2004，7(l):66-71.
[5] D.S.Prakash Rao and Giridhar Kumar.Investigations on Conerete with Stone Crushed Dust As Fine Aggregate[J].The lndian Conerete Joumal，2004，(6):45-50.