1 .引言

亚甲蓝染料吸附试验方法在欧、美国家被普遍用于检测集料中的细粉是以粘土还是以石粉为主，但国外相关集料标准并未对判定机制砂中的细粉主要是粘土还是石粉的亚甲蓝 (MB) 临界值进行规定。我国在 GB/T14684 — 2001 《建筑用砂》中引入了亚甲蓝试验方法，并规定 MB 值 <1.4 的机制砂，石粉含量按混凝土强度等级大于 C60 、 C60 ～ C30 、小于 C30 分别限定为 3% 、 5% 、 7% ， MB 值≥ 1.4 的机制砂，石粉含量分别限定为 1% 、 3% 、 5%( 与天然砂含泥量相同 ) ，但该标准中并未对 MB 临界值作任何解释。

本文通过采用外掺粘土调整机制砂 MB 值，重点研究了机制砂 MB 值变化对混凝土工作性、力学性能、收缩开裂以及耐久性的影响，以期为机制砂 MB 值的控制提供参考。

2. 试验材料与方法

2.1 试验原材料

水泥为 42.5 普通硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰；粗集料为 5 ～ 25mm 连续级配石灰岩碎石；细集料为石灰岩机制砂，细度模数 3.1 ，原砂石粉含量为 4.3% 。石粉为石灰岩机制砂经粉磨并通过 75 μ m 筛制成。

泥粉选取 3 种不同液塑限指数的粘土，烘干后过 75 μ m 筛，其中 : 粘土 A 的液限 WL=28% 、塑限 Wp=18% 、塑性指数 Ip=10% ；粘土 B 的 WL=42% 、 Wp=23% 、 Ip=19% ；粘土 C 的 WL=55% 、 Wp=34% 、 Ip=21% 。外加剂为 JK-180 聚羧酸盐高效减水剂，固含量 40% ，减水率 35% 。

2.2 混凝土配合比

试验用混凝土基准配合比为 : 水泥 430kg/m ³ ，粉煤灰 70kg/m ³ ，机制砂 760kg/m ³ ，碎石 1110kg/m ³ ，外加剂掺量以水泥和粉煤灰质量之和计为 0.45% 。

实验用机制砂中粒径小于 75 μ m 的颗粒含量固定为 7%( 即石粉和粘土含量之和 ) ，机制砂 MB 值的变化通过改变机制砂中石粉含量和含泥量的质量比例达到，即采用人工筛出机制砂中石粉的同时添加等质量的泥粉可增加 MB 值。

2.3 试验方法

机制砂亚甲蓝 MB 值按 JTGE42 — 2005 《公路工程集料试验规程》规定的方法进行。

混凝土拌和物性能按 GB/T50080 — 2002 《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行测试。混凝土力学性能依据 GB/T50081 — 2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定。

混凝土塑性收缩开裂试验采用日本笠井芳夫教授平板试件约束抗裂性试验方法，试件尺寸为 600mm600mm × 63mm ，用于浇筑试件的钢制模具、试验方法及开裂参数计算公式详见 CECS01-2004 《混凝土结构耐久性设计与施工指南》附录 A2 。

混凝土干燥试件尺寸为 100mm × 100mm × 515mm ，试件两端预埋铜测头。试件成型后用湿布覆盖 1d 拆模，随后置于 (20 ± 2) ℃，相对湿度为 (60 ± 5)% 的干燥养护室中，分别测定试件在 1 ， 3 ， 7 ， 14 ， 28 ， 60 ， 90 ， 180d 龄期时的干燥收缩值。

混凝土氯离子扩散系数测试依据 CECS01-2004 《混凝土结构耐久性设计与施工指南》附录 B2 的氯离子扩散系数快速检测的 NEL 法。混凝土抗冻性试验按 DL/T5150 — 2001 《水工混凝土试验规程》的快冻法进行。

3. 试验结果与分析

3.1 机制砂 MB 值与石粉、粘土含量的关系

从图 1 所示石粉含量对机制砂 MB 值的影响结果可以看出，随石粉含量增大， MB 值逐渐增加，但增加幅度很小，即石粉含量每增加 5% ，其 MB 值增加幅度不超过 0.05 ，即石粉对亚甲蓝的吸附量较小。

图 2 为 3 种不同土质特性的粘土对机制砂 MB 值的影响。结果显示，粘土对亚甲蓝的吸附性很强，随机制砂中粘土含量的增加， MB 值迅速增大， MB 值与粘土含量呈线性相关。进一步分析发现，当机制砂中粘土含量相等时， MB 值均随液限 WL 、塑限 WP 以及塑性指数 IP 的增大而增大 ( 文中省略了等粘土含量下机制砂 MB 值分别与 WL 、 WP 以及 IP 的关系图 ) ，其中 MB 值与 WL 的相关性最大，基本成正比关系。

因此，可以认为， MB 值除受机制砂中粘土含量影响外，还与粘土特性有关， MB 值对机制砂中石粉含量的变化并不敏感。含不同粘土的机制砂 MB 值的差异，反映了机制砂中所含粘土的矿物特性、比表面积和阳离子交换能力的差别，而不同粘土矿物对混凝土性能的影响是不一致的。因此，即使机制砂的粘土含量相同，但由于 MB 值的差异，对混凝土性能的影响应是不同的，即 MB 值更能准确反映粘土对混凝土性能的影响程度。

3.2 机制砂 MB 值对混凝土工作性和力学性能的影响

从机制砂 MB 值对混凝土工作性和力学性能影响的试验结果可知，同水胶比条件下，随 MB 值增加，混凝土坍落度和扩展度下降，当 MB 值 >1.45 后，混凝土工作性急剧下降，已由原来的流动性变为塑性。

从混凝土力学性能来看，机制砂 MB 值的增加，降低了混凝土 7d 抗压强度，降低幅度最大为 14% ，而对 28d 抗压强度没有明显的影响，同时显著降低了抗折强度，抗折强度最高降低约 15% 。当 MB 值≤ 1.8 时，随 MB 值的增大，混凝土的弹性模量几乎没有变化，但当 MB 值达到 2.15 时，混凝土的弹性模量开始降低。一般来说，集料中大量粘土的存在理应阻碍水泥水化，降低水泥石的强度，并妨碍水泥石与集料的界面粘结，从而降低混凝土的强度，尤其是早期强度。混凝土后期抗压强度受 MB 值变化不明显，这与粘土有类似粉煤灰的微集料填充效应有关，使机制砂混凝土的孔结构得到一定程度的细化，密实度增加。

3.3 机制砂 MB 值对混凝土塑性开裂和干燥收缩的影响

由新拌混凝土 24h 内的塑性收缩开裂试验统计结果可知，随着 MB 值的增加，出现塑性裂缝的时间逐渐缩短，当 MB 值 >1.45 时，出现塑性裂缝的时间骤然缩短。同时， MB 值的增大降低了混凝土的抗裂性等级，当 MB 值≤ 1.45 时， MB 值变化对抗裂性影响不甚明显，但当 MB 值≥ 1.8 时，裂缝宽度开始变粗，裂缝的平均裂开面积与单位面积上的总裂开面积迅速增加。

塑性裂缝产生是由于混凝土表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率，导致毛细管中产生负压，使浆体产生塑性收缩，进而形成裂缝。由于粘土为疏松多孔型结构，吸水率较高，提高了新拌混凝土的保水性，降低了混凝土内部水分向表面迁移的速率，致使混凝土表面塑性收缩增大，从而更易产生塑性裂缝。 MB 值对混凝土干缩影响的试验结果见图 3 。

结果显示，随着 MB 的增大，特别是在 MB 值≥ 1.45 后，混凝土的干缩率无论是早期还是后期有明显增加。究其原因，主要是粘土颗粒本身属于疏松多孔层状结构，分散于混凝土中后吸附大量拌和水而肿胀，一旦混凝土处于干燥环境，随着表面水分的不断挥发损失，混凝土内部水向外迁移，内部相对湿度降低，原来吸附于粘土颗粒空隙中的水由于扩散作用被释放出来；另外，由于粘土比表面积大，存在于机制砂中，一定程度上也增大了浆体的体积含量，这两方面的作用均加大了混凝土干燥收缩的程度。

3.4 机制砂 MB 值对混凝土抗氯离子渗透性和抗冻性的影响

氯离子扩散系数试验结果表明，随机制砂 MB 值的增大，混凝土氯离子扩散系数 (DNEL) 表现出增加的趋势，但增加幅度较小，因此 MB 值的增大对混凝土的抗氯离子渗透性并没有造成明显有害的影响。主要由于该混凝土水胶比较小，混凝土结构密实，粘土含量对渗透性的作用不甚明显。

抗冻性试验结果显示， MB 值为 0.35 和 0.7 的混凝土的动弹性模量经 250 次冻融循环后几乎没有下降，可以推测该两组混凝土的抗冻性等级超过了 F250 。当 MB 值≥ 1.1 时，除 MB 值为 2.5 的试样外，其他试样的动弹性模量在前 150 次冻融循环下降也不甚明显，但在冻融循环达到 200 次后均出现了动弹性模量陡降，其中 MB 值最大的两组试样的相对动弹性模量降到了 60% 以下，产生冻融破坏。由此可见，机制砂 MB 值的增加，加剧了混凝土的冻融破坏，混凝土抗冻等级降低。初步分析认为，疏松多孔的粘土吸纳了大量的毛细水，其毛细管壁的强度要低于正常的水泥石毛细管壁，在经过多次冻融循环之后将很快遭受破坏，导致混凝土动弹性模量下降。

4. 结论

(1) 机制砂 MB 值与石粉含量关系不大，而与粘土含量成线性正比关系，同时发现 MB 值还与砂中所含粘土的特性有很大相关性。在采用机制砂配制混凝土时，采用 MB 值指标对机制砂的含泥量进行控制更为科学合理。

(2) 机制砂 MB 值的增大，显著降低了新拌混凝土的工作性，增大了早期塑性开裂程度，对硬化混凝土的抗折强度与 7d 抗压强度有明显降低作用，但对 28d 抗压强度影响不大，增加了混凝土各龄期收缩值，轻微降低了混凝土的抗氯离子渗透性，显著加快了混凝土的冻融破坏，不利于混凝土的高性能化。对混凝土性能不产生明显劣化的机制砂 MB 临界值约为 1.4 。