云母含量对混凝土冻融循环破坏机制的分析

引言

在寒冷地区，混凝土结构长期经历 “冻结 - 融化” 循环，内部孔隙水结冰体积膨胀（约 9% ）产生内应力，反复作用下易引发微观裂缝，进而导致宏观强度下降、表面剥落，缩短结构服役寿命。例如东北某桥梁墩柱，服役 10 年后因冻融破坏出现表面露骨、钢筋锈蚀，需耗资数百万维修。混凝土抗冻性能与骨料性能密切相关，而天然骨料中常伴生云母（一种层状硅酸盐矿物），其薄片结构、低硬度及弱粘结性，可能成为混凝土抗冻性能的 “薄弱点”。

早期研究多聚焦骨料强度、级配对混凝土抗冻性的影响，对云母含量的关注不足。实际工程中，部分地区因优质骨料匮乏，不得不使用云母含量较高的骨料（如某些花岗岩骨料云母含量达 5%-10% ），导致混凝土冻融破坏风险升高。因此，系统分析云母含量对混凝土冻融循环破坏机制的影响，明确其作用路径，对保障寒冷地区混凝土结构安全具有重要工程价值。

一、云母的特性及其在混凝土中的作用形式

（一）云母的核心特性

云母为层状晶体结构，主要成分为钾铝硅酸盐（KAl2 （AlSi3O10）（OH） 2），具有三大特性：

物理结构薄弱：层间以弱范德华力结合，易沿层理面剥离成薄片（厚度可至微米级），硬度低（莫氏硬度 2.5-3），在外力作用下易破碎；

界面粘结性差：云母表面光滑、化学惰性强，与水泥浆体中的水化产物（如C-S-H 凝胶）粘结力弱，易在界面形成缝隙；

吸水膨胀性：云母层间可吸附水分，冻融循环中吸水后体积略有膨胀，进一步加剧界面应力。

（二）云母在混凝土中的存在形式

云母多以杂质形式存在于天然骨料（如花岗岩、片麻岩）中，主要分布在两个区域：

骨料内部：作为骨料的组成部分，云母薄片随机分布，削弱骨料自身强度，冻融时骨料易沿云母层理面开裂；

界面过渡区（ITZ）：骨料破碎过程中，部分云母薄片脱落并富集于骨料与水泥浆体界面，形成 “云母富集层”，破坏 ITZ 的致密性，成为冻融内应力的集中区。

二、不同云母含量混凝土的冻融循环试验设计

为量化分析云母含量的影响，设计对比试验如下：

（一）试验材料与配合比

水泥：P· O 42.5 水泥，初凝时间 150min ；

骨料：采用花岗岩骨料（粒径 5.20mm ），通过人工掺入纯净云母粉（粒径<0.15mm ），配制云母含量为 0% （对照组）、 2%. 、 5% 、 8% 的 4 组骨料；

配合比：水灰比 0.45，砂率 35% ，每立方米混凝土水泥用量 320kg ，各组配合比仅骨料云母含量不同。

（二）试验方法与检测指标

冻融循环试验：参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009 ），采用快速冻融法，将 100mm×100mm×400mm 试件置于 -18℃～5℃环境中循环，每 25 次循环检测一次指标；

宏观指标：抗压强度损失率（Δf）、相对动弹性模量（RME）、质量损失率（Δm），其中 RME <60% 或质量损失率 >5% 时停止试验；

三、云母含量对混凝土冻融破坏机制的影响分析

（一）宏观性能衰减规律

抗压强度损失：冻融 50 次后，云母含量 0% 的混凝土 Δf 为 8.2% ，，2% 时增至 12.5% ， 5% 时达 23.7% ， 8% 时飙升至 38.1% ；当冻融 100 次时， 8% 组Δf 超 50% ，而 0% 组仅 15.3% ，表明云母含量越高，强度衰减越快。

相对动弹性模量： 0% 组冻融 150 次后 RME 仍保持 65% ，而 8% 组冻融 75 次后 RME 即降至 58% （达到破坏标准），说明云母含量升高显著缩短混凝土抗冻寿命。

质量损失：冻融初期（ ≤50 次）各组质量损失均 <1% ，但 5% 、 8% 组冻融 100 次后，表面因云母剥离出现明显剥落， Δm 分别达 3.2% 、 4.8% ，而 0%组仅 1.5‰

（二）微观破坏机制解析

通过微观检测发现，云母含量主要通过以下路径加剧冻融破坏：

加剧 ITZ 缺陷：SEM 观察显示， 0% 组混凝土 ITZ 厚度约 10-15μm ，结构致密； 2% 组 ITZ 出现微小缝隙； 5%. 、 8% 组 ITZ 厚度增至 25AA-35μm ，且存在大量云母薄片，与水泥浆体界面出现明显分离缝 —— 这是因为云母与C-S-H 凝胶粘结弱，冻融时孔隙水结冰膨胀，首先在 ITZ 引发应力集中，导致缝隙扩展。

增加有害孔隙：MIP 测试表明，冻融前 8% 组混凝土有害孔隙率（ >50nm ）为 12.3% ，是 0% 组（ 6.8% ）的 1.8 倍；冻融 100 次后， 8% 组有害孔隙率升至 21.5% ，而 0% 组仅 10.2‰ 。云母的层状结构易形成 “连通孔隙通道”，加速水分迁移与结冰膨胀，进一步扩大孔隙。

削弱骨料完整性：云母含量高的骨料，冻融时易沿云母层理面开裂，骨料破碎后产生的细料随水分迁移堵塞部分孔隙，但同时也破坏了混凝土骨架结构，导致强度下降 ——SEM 图像中 8% 组骨料出现明显裂纹，而 0% 组骨料基本完整。

四、工程应用建议与改进方向

（一）骨料云母含量控制标准

基于试验结果，结合寒冷地区工程需求，提出以下控制建议：

严寒地区（最冷月平均气温 <-10^∘C ）：骨料云母含量应 ≤2% ，且优先选用云母含量 <1% 的骨料；

寒冷地区（ -10^∘C ≤最冷月平均气温 <0^∘C ）：云母含量可放宽至 55% ，但需掺入引气剂（如松香类引气剂），引入 3%-5% 的封闭孔隙抵消结冰膨胀应力；

温和地区（最冷月平均气温 Ω|≥0^∘C ）：云母含量 leq8% 时可使用，但需加强混凝土密实度（如降低水灰比至 0.4 以下）.6

（二）改进措施

骨料预处理：对云母含量较高的骨料，采用磁选或水洗法去除部分云母薄片，减少有害杂质；

添加改性剂：掺入硅灰（掺量 5%-8% ）或纳米 SiO2（掺量 1%-2% ），改善 ITZ 结构，增强云母与水泥浆体的粘结力；

优化配合比：采用低水灰比（引气剂组合，减少初始孔隙，抑制冻融过程中水分迁移与结冰膨胀。

（三）现存问题与研究方向

当前研究仍存在不足：一是未考虑云母粒径对破坏机制的影响（如细云母与粗云母的作用差异）；二是缺乏长期野外暴露试验数据（室内快速冻融与实际环境存在差异）。未来需开展不同粒径云母的对比试验，并结合工程现场监测，进一步完善破坏机制模型。

五、结语

云母含量对混凝土冻融循环破坏具有显著影响，其核心机制在于：云母的层状结构与弱粘结性加剧界面过渡区缺陷，增加有害孔隙，削弱骨料完整性，使冻融过程中孔隙水结冰产生的内应力更易集中，加速裂缝萌生与扩展，最终导致宏观性能衰减。试验表明，骨料云母含量超过 5% 时，混凝土抗冻寿命会大幅缩短，寒冷地区工程需严格控制云母含量。

在工程实践中，应根据区域气候条件制定云母含量控制标准，结合骨料预处理、添加改性剂等措施优化混凝土性能。未来研究需进一步细化云母特性（粒径、形态）对冻融破坏的影响，为寒冷地区混凝土结构设计与施工提供更精准的技术支撑，保障混凝土结构的长期安全与耐久性。

参考文献

[1]张志坚，吴文博，贺晶晶. 高云母含量机制砂混凝土力学性能试验研究[J].建筑材料学报， 2024， 27（2）： 123-129.

[2]邢界泉，李新宇，王芳. 人工砂石粉中游离云母对砂浆和混凝土性能的影响[J]. 长江科学院院报， 2024， 41（5）： 1-6.

[3]钟贻辉，刘伟，孙丽娜. 机制砂云母含量对混凝土抗冻性能的影响研究[J].混凝土， 2025， 412（4）： 56-60.