王曉海, 詹奇淇, 陳 慧, 張?jiān)? 章家海

(1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,安徽 合肥 230031; 2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站,安徽 合肥 230031; 3.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)

隨著工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大以及天然砂的限采、禁采,現(xiàn)階段各地市場普遍出現(xiàn)用砂成本高、缺口大等問題。機(jī)制砂替代天然砂的方式也因此受到廣泛關(guān)注,其應(yīng)用可有效緩解市場用砂日益突出的供需矛盾和資源短缺現(xiàn)狀。

機(jī)制砂為粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒,與天然砂的主要區(qū)別在于其生產(chǎn)過程中會附帶產(chǎn)生部分石粉。石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)與混凝土工作性、力學(xué)性能以及長期性能均存在較強(qiáng)的相關(guān)性[1],而且石粉中還常摻雜少量泥粉,易對混凝土各項(xiàng)性能產(chǎn)生損害,因此國內(nèi)有關(guān)機(jī)制砂的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都對石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)作出嚴(yán)格限定。由于工程技術(shù)人員普遍認(rèn)為石粉在混凝土中的作用弊大于利,工程中也嚴(yán)禁機(jī)制砂混凝土在道路、橋梁及水壩等長期易受外界因素?fù)p害的工程中應(yīng)用。這些問題較大地限制了機(jī)制砂產(chǎn)品的推廣。

石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)是機(jī)制砂特有的技術(shù)指標(biāo),目前針對石粉在混凝土中的應(yīng)用研究已有一些成果。文獻(xiàn)[2]研究表明隨著機(jī)制砂石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,混凝土坍落度減小,坍落度經(jīng)時(shí)損失增大,在適量石粉范圍內(nèi),混凝土的強(qiáng)度變化不大;文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)石粉的存在有利于完善機(jī)制砂的級配、增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性,進(jìn)而改善混凝土的力學(xué)性能和耐久性;文獻(xiàn)[4]探討石粉在混凝土內(nèi)部界面間的作用,發(fā)現(xiàn)適量石粉使得水泥石結(jié)構(gòu)和界面間結(jié)合得更加致密,減少了硬化混凝土內(nèi)滲透通道的數(shù)量,可有效提高混凝土的密實(shí)性;文獻(xiàn)[5]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)適量石粉可以改善混凝土的力學(xué)性能和抗凍性,母巖類型對混凝土的性能沒有明顯影響;文獻(xiàn)[6]結(jié)果表明機(jī)制砂0.075 mm以下顆粒中石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,其危害性有限,而泥粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖然較低,但危害性較大。

因此,為更深入挖掘石粉在機(jī)制砂混凝土中的作用及機(jī)理,擴(kuò)大機(jī)制砂在工程中的應(yīng)用范圍,同時(shí)為安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)制砂應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的編制工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐,本文制定石粉等量取代機(jī)制砂的試驗(yàn)方案,在控制混凝土坍落度的條件下研究石粉對混凝土力學(xué)性能和抗凍性能的影響規(guī)律,并采用壓汞試驗(yàn)測定機(jī)制砂混凝土的孔結(jié)構(gòu)變化,使用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀測機(jī)制砂混凝土界面過渡區(qū)及硬化水泥石的微觀結(jié)構(gòu),系統(tǒng)地研究石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度和抗凍性能的影響。

1 原材料及試驗(yàn)

1.1 原材料

(1) 水泥。試驗(yàn)所用的水泥為巢湖海螺42.5級普通硅酸鹽水泥,其物理、力學(xué)性能指標(biāo)見表1所列。

表1 硅酸鹽水泥的物理、力學(xué)性能指標(biāo)

(2) 機(jī)制砂。機(jī)制砂由中國電力建設(shè)集團(tuán)安徽長九新材料股份有限公司提供,主要成分為石灰?guī)r,其細(xì)度模數(shù)為3.1,Ⅱ區(qū)級配砂,堆積密度為1 463 kg/m3,緊密密度為1 720 kg/m3,表觀密度為2 720 kg/m3,石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.2%,泥塊質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.2%,吸水率為0.8%,含水率為0.5%,壓碎值指標(biāo)為23.4%,亞甲藍(lán)(methylene blue,MB)值為0.7。

(3) 石粉原料。將機(jī)制砂置于孔徑為0.075 mm的圓形篩上,通過振動(dòng)篩除粒級大于0.075 mm的顆粒,剩余過篩顆粒即為試驗(yàn)用石粉原料。

(4) 粉煤灰。粉煤灰取自合肥東凱新型建材有限公司,為Ⅱ級粉煤灰,需水量比為104%,細(xì)度為24.6%,含水量為0.1%,燒失量為2.1%。

(5) 石子。石子由合肥東凱新型建材有限公司提供,其粒徑范圍為5.0～31.5 mm連續(xù)級配。

(6) 減水劑。減水劑由合肥東凱新型建材有限公司提供,為聚羧酸高性能減水劑,含固量為14.6%,減水率為30.0%。

(7) 拌合用水為實(shí)驗(yàn)室自來水。

1.2 試驗(yàn)配合比

本文基礎(chǔ)配合比選用工程中較為常用的C40混凝土,研究石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性的影響規(guī)律。試驗(yàn)配合比見表2所列。

表2 C40機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)配合比 單位:kg

人為淘洗去除粒徑小于等于0.075 mm的石粉,再在C40配合比的基礎(chǔ)上,石粉等量取代機(jī)制砂,研究不同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0%、3%、5%、10%、15%、20%)對機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和耐久性的影響規(guī)律。維持水膠比不變,使用減水劑調(diào)節(jié)混凝土拌合物性能,坍落度控制在(180±20) mm內(nèi)。

1.3 試驗(yàn)方法

(1) 機(jī)制砂石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和MB值參照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行測定。

(2) 混凝土坍落度按文獻(xiàn)[8]進(jìn)行測試,不同齡期抗壓強(qiáng)度按文獻(xiàn)[9]進(jìn)行測試,依據(jù)文獻(xiàn)[10]中的快凍法測定混凝土試件的凍融循環(huán)次數(shù)、相對動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率。

(3) 壓汞試驗(yàn)。將養(yǎng)護(hù)至28 d的混凝土試塊劈裂,并在試塊中心部位截取直徑5 mm且不含粗骨料的混凝土試樣,在105 ℃下烘干至恒定質(zhì)量;然后,將制好的試樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn),使用壓汞儀測定機(jī)制砂混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布情況。

(4) SEM分析。本文采用SEM分析手段,對不同石粉摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下機(jī)制砂混凝土的形貌、微觀結(jié)構(gòu)和各種水化產(chǎn)物進(jìn)行觀察和分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對抗壓強(qiáng)度的影響

不同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下試件的抗壓強(qiáng)度如圖1所示。C40機(jī)制砂混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度隨石粉摻量增加而逐漸提升,但石粉摻量對混凝土7 d抗壓強(qiáng)度影響的顯著性明顯小于28 d。當(dāng)石粉摻量為15%時(shí),混凝土試樣28 d抗壓強(qiáng)度相較于基準(zhǔn)組提高53.1%,7 d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高21.4%;石粉摻量繼續(xù)增加5%,7 d及28 d抗壓強(qiáng)度反而下降,說明過量的石粉不利于維持混凝土的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)隨著石粉在漿體中質(zhì)量占比的提高,新拌混凝土的黏度增強(qiáng),和易性大幅下降;不摻石粉時(shí),混凝土拌合物離析、泌水。因此,適宜摻量石粉有利于維持機(jī)制砂混凝土的工作性和力學(xué)性能。

圖1 石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對抗凍性能的影響

2.2.1 對凍融循環(huán)相對動(dòng)彈性模量的影響

C40機(jī)制砂混凝土在不同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和凍融循環(huán)次數(shù)下的相對動(dòng)彈性模量變化規(guī)律如圖2所示。同一石粉摻量下,隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,動(dòng)彈性模量逐漸降低;前100次凍融循環(huán)時(shí),各石粉摻量試樣的相對動(dòng)彈性模量均高于60%,呈現(xiàn)出良好的抗凍性。但在100次凍融循環(huán)后,不同石粉摻量試樣的動(dòng)彈性模量變化規(guī)律差異性較大,其中5%石粉摻量試樣的動(dòng)彈性模量降幅最小,175次凍融循環(huán)后為89.2%;15%石粉摻量試樣的動(dòng)彈性模量降低幅度最大,175次凍融循環(huán)后為24.2%。

在同一凍融循環(huán)次數(shù)下,0～5%石粉摻量范圍內(nèi),機(jī)制砂混凝土的相對動(dòng)彈性模量有較小幅度提升,并于5%石粉摻量時(shí)出現(xiàn)最大值;繼續(xù)將石粉摻量提高至5%以上時(shí),機(jī)制砂混凝土的動(dòng)彈性模量損失較為顯著,并于15%石粉摻量時(shí)出現(xiàn)相對動(dòng)彈性模量最小值,需注意的是,石粉摻量不高于10%時(shí),試件相對動(dòng)彈性模量均未低于60%。

圖2 石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對相對動(dòng)彈性模量的影響

2.2.2 對凍融循環(huán)質(zhì)量損失率的影響

石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對凍融機(jī)制砂混凝土質(zhì)量損失率的影響如圖3所示。同一石粉摻量下,25、50、75次凍融后不同石粉摻量機(jī)制砂混凝土有一定的質(zhì)量損失,但幅度不是很大,這是由于在凍融前期,試樣內(nèi)部會產(chǎn)生微裂縫,使得試樣從外部吸水,從而造成吸水量和剝落量基本相等,試樣質(zhì)量變化不大[11]。而達(dá)到100次凍融后,不同石粉摻量機(jī)制砂混凝土質(zhì)量損失率增幅較大,說明混凝土凍融循環(huán)時(shí)的剝落量明顯高于吸水量,質(zhì)量損失率開始上升。在同一凍融循環(huán)次數(shù)下,隨著石粉摻量提高,機(jī)制砂混凝土質(zhì)量損失率先降低后上升,并于3%石粉摻量時(shí)出現(xiàn)最小值,說明適量的石粉可降低混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率,不摻石粉或者摻加過量石粉均不利于保證機(jī)制砂混凝土具有足夠好的抗凍性能。

圖3 石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對質(zhì)量損失率的影響

0、3%、15%石粉摻量下,機(jī)制砂混凝土試件在175次凍融循環(huán)后的破壞情況如圖4所示。

圖4 175次凍融循環(huán)后混凝土試件破壞情況

0、15%石粉摻量機(jī)制砂混凝土呈外表整體脫落,質(zhì)量損失率較大,而3%石粉摻量試件的表面破壞形式為局部剝落。由此可見,適宜石粉摻量下的機(jī)制砂混凝土抗凍性有較大程度提升,3%石粉摻量的機(jī)制砂混凝土抗凍次數(shù)甚至可達(dá)到300次,而且質(zhì)量損失率仍然小于5%。

2.3 壓汞法測定機(jī)制砂混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d的不同石粉摻量混凝土試樣分別進(jìn)行壓汞測試,結(jié)果如圖5所示。6組試樣內(nèi)部累計(jì)孔體積從大到小按石粉摻量排序依次為10%、5%、3%、20%、0、15%,隨著石粉摻量提高,機(jī)制砂混凝土試樣內(nèi)部累計(jì)孔體積先降低后上升,10%石粉摻量時(shí),試樣內(nèi)部出現(xiàn)最小累計(jì)孔體積,0～20%石粉摻量對應(yīng)內(nèi)部累計(jì)孔體積分別為9.88%、8.44%、5.03%、4.37%、11.59%、8.03%。

圖5 單位質(zhì)量試樣壓汞累計(jì)孔體積曲線

除內(nèi)部累計(jì)孔體積,混凝土的性能還與孔徑分布密切相關(guān),有研究表明混凝土孔分為無害孔(≤20 nm)、少害孔(20～100 nm)、有害孔(100～200 nm)、多害孔(≥200 nm)4種[12],本文采用此分類方法對壓汞法測得的孔結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6所示,見表3所列。

圖6 28 d混凝土壓汞試樣的孔徑分布

圖6中,D孔隙、V孔隙分別為壓汞試樣內(nèi)部孔直徑和孔體積。

表3 不同石粉摻量下20 nm和20～200 nm孔體積占比

不同石粉摻量機(jī)制砂混凝土試樣的孔隙直徑主要集中在200 nm以下,200 nm以上的多害孔體積占比較小。結(jié)合表3分析可得,當(dāng)石粉摻量不高于10%時(shí),隨著石粉摻量提高,試樣20～200 nm直徑的孔隙逐漸減少,而20 nm直徑的孔隙相應(yīng)卻得到增加,在宏觀上表現(xiàn)為機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度增加,抗凍性能也得到不同程度提高,這是由于直徑小于20 nm的孔隙屬于凝膠內(nèi)孔和凝膠微晶間孔,其體積大小與混凝土強(qiáng)度和抗凍性成正比,而20～200 nm孔隙多為過渡孔,其體積大小與混凝土強(qiáng)度和抗凍性成反比,但影響的顯著性程度較小[13]。繼續(xù)提高石粉摻量至15%及以上,試樣在孔徑分布上主要增加20～200 nm的孔,在宏觀性能上表現(xiàn)為抗凍性下降,抗壓強(qiáng)度

增長幅度減小。

這說明,適量石粉可降低機(jī)制砂混凝土內(nèi)部過渡孔和有害孔的體積占比,提高混凝土強(qiáng)度和抗凍性,充分發(fā)揮石粉的充填效應(yīng)。但是隨著石粉摻量進(jìn)一步增加,試件內(nèi)部的孔隙率降低,石粉的充填效應(yīng)減弱,過量石粉的摻入產(chǎn)生了對混凝土不利的稀釋效應(yīng);而且石粉水化活性較低,參與水泥水化反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物較少,同時(shí)大摻量的石粉也間接地造成混凝土需水量增加,拌合物性能降低,形成的C—S—H凝膠難以形成較為密實(shí)的水化結(jié)構(gòu),過渡孔和有害孔體積較適宜石粉摻量組明顯增大[14]。

2.4 不同石粉摻量試件的SEM分析

不同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下機(jī)制砂混凝土試樣的微觀形貌如圖7、圖8所示。

圖7 不摻石粉機(jī)制砂混凝土試樣的微觀形貌

圖8 不同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下機(jī)制砂混凝土試樣的微觀形貌

不摻石粉試件的水化產(chǎn)物主要是針棒狀鈣礬石和呈團(tuán)簇狀的C—S—H凝膠,特別在界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)中有較多的針棒狀鈣礬石晶體,使水泥石與集料界面之間結(jié)構(gòu)劣化,整體水化結(jié)構(gòu)呈多孔狀,較為疏松,因此試件強(qiáng)度和抗凍性不高;3%和10%石粉摻量時(shí),石粉與水泥、粉煤灰顆粒形成緊密堆積結(jié)構(gòu),有效地細(xì)化了水化體系內(nèi)的孔隙,這說明適量石粉在硬化漿體中起到的填充作用在很大程度上增強(qiáng)了水化結(jié)構(gòu)體系的密實(shí)性,也進(jìn)一步證實(shí)適量石粉下機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度高、抗凍性強(qiáng)的原因;而繼續(xù)提高石粉摻量至15%時(shí),試樣微觀結(jié)構(gòu)的孔隙與適量石粉組相比明顯增多,石粉顆粒周圍明顯成為有害孔聚集的地方,這與宏觀上機(jī)制砂混凝土抗凍性增長幅度和強(qiáng)度下降表現(xiàn)一致。

3 結(jié) 論

(1) 石粉對機(jī)制砂混凝土7 d抗壓強(qiáng)度的影響顯著性明顯小于28 d,適宜石粉摻量可提高機(jī)制砂混凝土的工作性和力學(xué)性能。

(2) 對于抗凍性,最適宜石粉摻量為3%～5%。石粉摻量不高于10%時(shí),175次凍融循環(huán)后機(jī)制砂混凝土的相對動(dòng)彈性模量仍高于60%,質(zhì)量損失率小于5%。

(3) 適量石粉可有效降低機(jī)制砂混凝土內(nèi)部過渡孔和有害孔的體積占比,提高混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性;大摻量石粉下,機(jī)制砂混凝土有害孔體積占比明顯增加。對于試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,最適宜石粉摻量為10%。

(4) 不摻石粉時(shí),機(jī)制砂混凝土水泥石與集料界面之間結(jié)構(gòu)劣化,整體水化結(jié)構(gòu)呈多孔疏松狀,試件強(qiáng)度和抗凍性不高;摻加適量石粉可有效提高水化結(jié)構(gòu)體系的密實(shí)性,試件強(qiáng)度和抗凍性增強(qiáng);摻加過量石粉時(shí),試樣微觀結(jié)構(gòu)孔隙明顯增多,有害孔在石粉顆粒周邊聚集,試件強(qiáng)度增幅放緩、抗凍性下降。