徐 飛

（葫蘆島市水利事務服務中心，遼寧 葫蘆島 125000）

近年來，為滿足水利工程快速建設與發(fā)展需求，人們開采利用砂石資源所引起的“生態(tài)破壞”問題日趨突出，其中最典型的破壞形式就是河砂的過度浪費和無限開采。為限制河砂的過度開發(fā)，各地政府相繼出臺了一系列的限采、禁采有關規(guī)定[1]。因此，機制砂的興起既有效緩解了河砂嚴重短缺矛盾，還具有較高的生態(tài)和經濟效益，并逐漸成為經濟綠色替代品被廣泛應用于混凝土行業(yè)[2-4]。隨著水利事業(yè)的快速發(fā)展，市場對機制砂的需求量迅速增加，研究應用機制砂水工混凝土性能已成為領域內學者關注的焦點。例如，有學者提出一定量的石粉能夠改善混凝土的和易性及機制砂堆積性，而石粉含量過高則不利于拌合物和易性；有學者認為石粉發(fā)揮著孔隙填充效應，有利于提高微觀界面強度；也有研究表明，一定量的石粉可以改善混凝土抗?jié)B性、保水性和粘聚性，而混凝土強度等級與石粉的最佳含量有關，強度等級越低其最佳含量應越小[5-7]?？傮w而言，一定量的石粉可以改善水工混凝土耐久性和力學性能，而過量的石粉會帶來不利影響。

目前，關于最佳石粉含量的相關研究主要集中于C90、C80、C60等高強度等級混凝土，對其作用機理和影響規(guī)律的研究不夠深入，并且較少考慮對低強度等級混凝土的影響。此外，現(xiàn)有研究僅局限于砂漿和混凝土的部分耐久性、工作性和力學性能，仍需進一步探討石粉對微觀結構的影響機理[10]。因此，本文選用0%、10%、20%、30%四種不同石粉含量的機制砂配制C35低強度等級水工混凝土，通過室內試驗探討了水工混凝土的抗氯離子滲透性、抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗裂性能及其和易性，并利用NMR核磁共振揭示了微觀孔結構特征，旨在為研究低強度等級機制砂水工混凝土受不同石粉含量的影響規(guī)律提供一定支持[8-10]。

1 試驗研究

1.1 原材料準備

水泥選用禹州P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，經檢測水泥樣品的各性能指標均符合現(xiàn)行規(guī)范要求，如表1。細骨料選用花崗巖機制砂，細度模數(shù)2.6，MB值1.0，經顆粒級配調整，試驗用機制砂符合Ⅱ區(qū)中砂要求；粗骨料選用天然碎石，粒徑連續(xù)級配5～30mm，密度2.68g/cm3；外加劑選用XK-540P型聚羧酸高效減水劑，減水率達到28%；拌合水選用當?shù)刈詠硭?/p>

表1 水泥的性能指標

1.2 配合比設計

機制砂中的石粉含量利用添加石粉和清洗原狀機制砂的方式合理控制，制作0%、10%、20%、30%四種不同石粉含量的機制砂制備水工混凝土。設計C35低強度等級混凝土，控制減水劑用量維持拌合物坍落度處于(200±20)mm之間，配合比設計如表2所示。

表2 水工混凝土配合比 單位kg/m3

1.3 試驗方法

1）工作性能試驗。依據(jù)拌合物性能試驗方法測試水工混凝土的擴展度和坍落度，拌合過程中及時觀測和記錄拌合物的保水性、粘聚性和流動性。

2）平板開裂試驗。采用規(guī)范推薦的平板法測試水工混凝土的早期抗裂性能，平板試驗主要測試混凝土裂縫寬度、長度和裂縫數(shù)量等指標，計算單位面積上的開裂面積、開裂條數(shù)和平均開裂面積[11-12]。

3）力學性能試驗。水工混凝土的7d、28d劈裂抗拉強度和抗壓強度嚴格執(zhí)行《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試。

4）抗氯離子滲透試驗。水工混凝土的抗氯離子滲透性能利用規(guī)范推薦的電通量法測試，通過測定28d電通量值反映不同石粉含量機制砂混凝土的抗氯離子滲透性。

5）微觀孔結構試驗。水工混凝土的微觀孔結構利用NMR多功能成像分析系統(tǒng)來測試，通過測定28d的T2譜分布反映內部孔結構特征。

2 結果與分析

2.1 工作性能

經試驗檢測，水工混凝土的工作性能如表3。由表3可知，對于坍落度要求相近的水工混凝土，隨機制砂中石粉含量的增加混凝土所用減水劑用量逐漸增多。試驗表明，在坍落度調整相差不大的條件下，石粉含量不超過10%時拌合物出現(xiàn)明顯離析泌水現(xiàn)象，雖然具有較好的流動性，但機制砂混凝土的粘聚性和保水性較差。石粉含量超過10%時，機制砂混凝土具有良好的工作性。

表3 水工混凝土工作性能

總體而言，適量的石粉可以改善水工混凝土工作性能，而過量的石粉會增大減水劑用量。究其原因，機制砂中石粉含量越高則混凝土體系中的細微顆粒越多，隨石粉含量增加細骨料的總比表面積逐漸增大，從而提高了水與骨料的接觸面積，在一定程度上優(yōu)化了混凝土泌水現(xiàn)象，并且石粉能夠填充粗、細骨料之間的孔隙，優(yōu)化內部顆粒級配，從而有效改善拌合物的粘聚性；此外，混凝土拌合物需水量會隨著機制砂總比表面積的增加而增大，并致使石粉含量越高則減水劑用量越多。

2.2 開裂性能

經試驗檢測，水工混凝土的開裂性能如表4所示。

表4 水工混凝土開裂性能

由表4可知，A組水工混凝土單位面積的開裂面積、開裂條數(shù)和總開裂面積均最高，較其它組而言其抗裂性能最差。究其原因，A組拌合物和易性較差致使平板成型時骨料下沉、漿體上浮，早期抗拉強度較低極易引起開裂。B、C、D組具有相同的裂縫數(shù)目，隨石粉含量的增加裂縫寬度不斷增大，即石粉含量越達則混凝土總開裂面積越高。

綜上分析，少量石粉對混凝土和易性具有改善作用，能夠有效防止混凝土成型時的泌水、離析現(xiàn)象，有利于改善混凝土密實度和顆粒級配，降低早期開裂風險。此外，混凝土的塑性收縮性能隨石粉含量的增加而增大，當石粉含量超過某一界限值時就會對抗裂性能造成不利影響，如D組試件的抗裂性能最差。

對于坍落度要求相近的水工混凝土，隨機制砂中石粉含量的增加混凝土所用減水劑用量逐漸增多。試驗表明，在坍落度調整相差不大的條件下，石粉含量不超過10%時拌合物出現(xiàn)明顯離析泌水現(xiàn)象，雖然具有較好的流動性，但機制砂混凝土的粘聚性和保水性較差。石粉含量超過10%時，機制砂混凝土具有良好的工作性。

2.3 力學性能

經試驗檢測，水工混凝土的7d、28d劈裂抗拉強度和抗壓強度如圖1所示。

從圖1可以看出，10%、20%、30%石粉含量組的7d劈裂抗拉強度較0%基準對照組提高了3.8%、10.5%、10.5%，28d劈裂抗拉強度較10%基準對照組提高了16.0%、24.1%、14.8%；10%、20%、30%石粉含量組的7d抗壓強度較0%基準對照組提高了14.0%、18.1%、11.2%，28d抗壓強度較10%基準對照組提高了10.0%、23.2%、5.5%。因此，水工混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度均隨著石粉含量的增加呈先上升后下降的變化趨勢，20%石粉含量組的力學性能最優(yōu)。

總體而言，水工混凝土力學性能隨石粉含量的增加表現(xiàn)出先上升后下降的變化特征。究其原因，石粉含量≤20%時，加入的石粉有利于改善機制砂級配的缺陷和混凝土內部孔隙，從而提高了其力學性能；石粉含量大于20%時，機制砂體系中的石粉含量占比較高，而顆粒含量占比減小，機制砂的骨料填充效應下降，從而降低了混凝土劈裂抗拉強度和抗壓強度，所以過高的石粉含量會降低混凝土力學性能。

2.4 電通量

經試驗檢測，水工混凝土的28d電通量值如圖2所示。從圖1可以看出，0%、10%、20%、30%石粉含量組的28d電通量依次為1850C、1546C、1365C、1340C。石粉含量≤20%時，混凝土電通量隨石粉含量的增加而減小，相應的抗氯離子滲透性能越好；石粉含量＞20%時，隨石粉含量的增加電通量趨于穩(wěn)定，表明石粉對改善機制砂級配的作用達到飽和，繼續(xù)增大石粉含量對改善混凝土抗氯離子滲透性能的作用減弱。

圖2 水工混凝土電通量

2.5 微觀孔結構

NMR核磁共振是一種發(fā)生于角動量原子核和磁矩系統(tǒng)中的現(xiàn)象，在熱運動和其它核相互作用下激勵磁性核可以釋放、吸收能量[13-14]。隨著時間常數(shù)指數(shù)的衰減是與能量釋放有關的磁信號，沿外加磁場方向整個系統(tǒng)的磁化強度衰減與這些時間常數(shù)有關，故本文利用下式表示孔隙水的橫向弛豫時間t2，即：

式中：V、S代表孔隙的體積和表面積。

經試驗檢測，水工混凝土的T2譜分布如圖3所示，計算確定總峰面積和不同特征峰峰面積如表5所示。

表5 特征峰峰面積

圖3 T2譜分布

結果表明，各組混凝土的第一、第二、第三峰值弛豫時間相差不大，但各峰值面積具有明顯差異。B、C、D組的第一峰面積較A組依次減小了28.3%、57.5%、55.8%，第二峰面積較A組依次減小了24.3%、54.4%、61.7%，第三峰面積較A組依次減小了9.0%、58.5%、67.6%，總峰面積依次減小了24.8%、53.6%、54.9%。

總體而言，水工混凝土T2譜特征峰總峰面積隨石粉含量的增加不斷減小，石粉含量越高則拌合物中的自由水越少，內部孔隙率也就越低[15-16]。

3 結 論

1）機制砂水工混凝土保水性、粘聚性和需水量水石粉含量的增加而增大，相應的減水劑用量也就越高。

2）適量石粉可以改善混凝土的顆粒級配、和易性以及密實度，對有效控制早期開裂風險具有積極作用，而過高的石粉含量不利于抗裂性能的提升。混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度均隨著石粉含量的增加表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，20%石粉含量組的力學性能最好。

3）隨石粉含量增加混凝土孔隙率逐漸減小，當達到一定值后期改善孔隙結構的作用趨于平穩(wěn)，混凝土抗氯離子滲透性能隨石粉含量的不斷增加先增大后趨于穩(wěn)定。在低強度等級混凝土配制時控制機制砂石粉含量不宜超過20%。