高云母含量人工砂混凝土耐久性提升的关键技术研究

摘要：随着全球天然砂资源的日益枯竭，人工砂已成为混凝土制备的重要替代材料。然而，由于岩性的差异，部分人工砂中云母含量较高，影响混凝土的耐久性和力学性能。本研究通过系统的实验设计，探讨了高云母含量人工砂（特别是花岗岩机制砂）对混凝土耐久性的影响，并通过引入防水剂对混凝土进行改性，以提高其耐久性能。实验结果表明，适量的防水剂可以有效改善因高云母含量而降低的混凝土力学性能和耐久性，其中包括抗压强度、干缩性能、电通量及抗硫酸盐侵蚀性能的提升。研究不仅为高云母含量人工砂混凝土的应用提供了科学依据，也为相关技术的发展提供了新的思路。

关键词：人工砂；云母；耐久性；混凝土；技术改善

在当今建筑材料领域，随着自然砂资源的急剧减少及环境保护法规的日益严格，人工砂的应用逐渐增多。尤其是花岗岩机制砂因其丰富的储量和较低的生产成本，在许多国家被广泛用于混凝土的生产。然而，这类砂石中的高云母含量常常成为影响混凝土结构耐久性的隐患。云母颗粒的片状和光滑特性会削弱砂与水泥浆的黏结力，从而影响混凝土的力学强度及耐腐蚀性能。面对这一挑战，本研究致力于通过科学实验探索高云母含量人工砂混凝土的性能表现，并尝试通过添加特定防水剂来优化其耐久性。这不仅有助于推动可持续建材的开发，也对减少建筑废物、保护自然砂资源具有重要意义。

一、研究方法

1.1 实验材料

为确保实验结果的准确性和可靠性，本研究选择了具有代表性的高云母含量的花岗岩机制砂作为主要试验材料。此外，采用常规的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，以及标准合格的细骨料和清水。

1.2 实验设计

实验的设计包括制备不同云母含量的混凝土试样，以评估云母含量对混凝土性能的具体影响。云母含量的设定分别为0%、6%、11.8%，以及两种特殊配比，其中一种在云母含量为11.8%的基础上添加了防水剂[1]。每种配比制备三组试样，以保证数据的可重复性和统计意义。试验中云母含量的控制通过物理筛选和部分替换实现，确保每种配比的云母含量精确且一致。

1.3 测试方法

混凝土的基本物理和力学性能通过一系列标准化测试获得。这包括：

（1）抗压强度测试：根据GB/T 50081-2019进行，评估不同龄期（7天、28天）的混凝土抗压性能。

（2）干缩性能测试：依据GB/T 50082-2009标准，通过测定不同时间点的干缩率来评估混凝土的体积稳定性。

（3）电通量测试：使用电通量测定法评价混凝土的抗氯离子渗透能力，这是判断混凝土耐久性的关键指标之一。

（4）抗硫酸盐侵蚀测试：通过长期的硫酸盐浸泡试验，分析云母含量对混凝土在恶劣环境下的耐腐蚀能力的影响。

二、实验结果

2.1 力学性能分析

实验结果显示，云母含量的增加对混凝土的抗压强度产生了显著的负面影响。具体而言，未掺云母的混凝土样本（H0）在7天和28天的抗压强度分别最高，而云母含量为11.8%的样本（H2）在相同龄期的抗压强度下降了约18.2%和19.9%。然而，当加入防水剂的混凝土样本（H3）表现出了较好的力学性能，抗压强度较H2样本显著提高，几乎接近未掺云母样本的水平[2]。这表明防水剂的加入有效填补了由于云母引起的力学性能缺失。

2.2 干缩性能研究

混凝土的干缩性能随云母含量的增加而轻微增大，但整体变化幅度不大。从长期跟踪数据来看，所有混凝土样本的干缩变形均呈现出先加速后减缓的趋势，随着龄期的增长，变形趋于稳定。在添加防水剂的样本中，干缩率表现出与未掺云母样本相似的趋势，说明防水剂能够有效地控制高云母含量混凝土的干缩问题。

2.3 电通量与耐久性

电通量测试结果揭示了一个重要现象：随着云母含量的增加，混凝土的电通量显著增加，表明其抗氯离子渗透能力降低。具体而言，云母含量为11.8%的样本（H2）的电通量最高，而添加防水剂后的样本（H3）的电通量显著降低，接近无云母掺杂的控制样本（H0）。这一结果证明了防水剂在提高高云母含量混凝土的防渗性能方面的有效性。

2.4 抗硫酸盐侵蚀性能

在硫酸盐环境中，混凝土样本表现出不同程度的质量损失和抗压耐腐蚀系数的降低。随着云母含量的增加，这种质量损失和耐腐蚀能力下降更为显著。然而，当混凝土中掺入防水剂（H3样本），其在硫酸盐侵蚀测试中的表现明显改善，相对于高云母含量样本（H2），其耐腐蚀系数显著提高。这进一步证实了防水剂对提升高云母含量混凝土耐久性的积极作用。

三、讨论

3.1 结果的比较与解释

本研究的结果与现有的文献记录相吻合，证实了云母含量对混凝土性能有显著的负面影响[3]。尤其是在没有采用任何改性措施的情况下，云母的片状和光滑特性显著削弱了混凝土的抗压强度和耐久性。然而，本研究中引入的防水剂显著提升了这些性能指标，尤其是在抗压强度和电通量测试中的表现。

此外，防水剂的使用减少了混凝土中的大孔，从而减少了水和氯离子的渗透，这解释了在电通量测试中观察到的改善效果。在抗硫酸盐侵蚀性能方面，防水剂可能通过形成更致密的水泥浆体来阻碍硫酸盐离子的进一步渗透和反应[4]。

3.2 技术改进的可能性

尽管本研究取得了积极的成果，但在高云母含量人工砂混凝土的应用和改性研究中仍有改进空间。例如，进一步优化防水剂的配方和添加比例，可能会获得更佳的性能改善效果。未来研究可以探索不同类型的纳米材料和生态友好型添加剂，以寻找更有效、成本更低且对环境影响更小的混凝土改性方案。

同时，对于实际应用场景中遇到的具体问题，如极端气候条件下的混凝土性能，以及不同级别的云母含量对混凝土性能的影响，都需要进行更详细的研究。此外，混凝土的老化行为和长期性能评估也是未来研究的重要方向，这将有助于评估改性混凝土在实际工程中的应用前景。

总结：本研究通过系统的实验探索了高云母含量人工砂混凝土的改性策略，证实了通过特定防水剂的添加能显著提升混凝土的力学性能和耐久性。这项研究不仅揭示了云母对混凝土性能的影响机制，也展示了如何通过科学方法有效克服这一挑战。通过改善混凝土的微观结构和减少不利影响，我们为建筑材料的可持续发展提供了新的视角和技术路径。这些成果强调了材料科学在应对资源短缺和环境保护方面的重要作用，为未来混凝土材料的创新和应用开辟了新的方向。此外，这一研究的成果也为建筑业提供了更为经济和环保的材料选择，有助于推动建筑材料技术的进步和建筑行业的可持续发展。

参考文献

[1]吴文博，贺晶晶，王海婷，等. 人工砂游离云母含量对混凝土性能的影响 [J]. 长江科学院院报， 2024， 41 （03）： 148-152.

[2]覃茂挺. 花岗岩机制砂混凝土的制备及性能研究[D]. 桂林理工大学， 2023. DOI：10.27050/d.cnki.gglgc.2023.000144.

[3]杨造仁. 人工砂高云母含量对衬砌混凝土性能影响研究 [J]. 东北水利水电， 2022， 40 （11）： 46-48+72. DOI：10.14124/j.cnki.dbslsd22-1097.2022.11.010.

[4]张弯，韩超，段耀鹏，等. 内掺水泥基防水剂的防水混凝土配合比设计与研究 [J]. 建筑技术， 2022， 53 （10）： 1301-1304.