張淑云， 陳猛， 楊旭龍， 劉建波， 代慧娟

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 西安 710054)

隨著天然河砂的短缺和國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，機(jī)制砂(manufactured sand, MS)已應(yīng)用到許多實(shí)際工程中，如東海大橋、三峽大壩、汕揭高速公路等，成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。延永東等[2]針對(duì)機(jī)制砂特性，對(duì)機(jī)制砂混凝土配合比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉慈軍等[3]研究表明，采用機(jī)制砂可以配制出工作性能和力學(xué)性能良好的混凝土。張淑云等[4]研究了孔隙特征對(duì)機(jī)制砂自密實(shí)輕骨料混凝土(manufactured sand self-compacting lightweight aggregate concrete, MS-SCLC)力學(xué)性能的影響規(guī)律。已有研究主要集中在機(jī)制砂類(lèi)混凝土配合比設(shè)計(jì)、工作性能和力學(xué)性能等方面。而大氣環(huán)境中的二氧化碳容易引起混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生碳化反應(yīng)，降低材料堿度，破壞鋼筋表面的氧化膜，引起鋼筋銹蝕膨脹，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂，降低結(jié)構(gòu)的承載力和使用壽命，影響人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[5-7]。因此，研究機(jī)制砂類(lèi)混凝土的碳化性能，對(duì)于提升混凝土工程可靠性[8]和延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命具有重要意義。

自密實(shí)輕骨料混凝土(self-compacting light-aggregate concrete, SCLC)是一種兼具自密實(shí)混凝土(self-compacting concrete, SCC)和輕骨料混凝土(lightweight aggregate concrete, LWC)特點(diǎn)的高性能混凝土，具有免振搗特性，可大大提高施工速度和混凝土質(zhì)量，并能減輕構(gòu)件自重，降低結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)，提高抗凍性和抗?jié)B性，具有良好的保溫隔熱及耐久性能[9]。目前，許多學(xué)者對(duì)SCLC的碳化性能進(jìn)行了研究，張向?qū)萚10]對(duì)不同齡期砂輕、石輕與混輕自密實(shí)混凝土碳化深度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)混凝土碳化深度主要取決于其骨料和密實(shí)度。馬馨鑫等[11]對(duì)自密實(shí)混合骨料混凝土碳化性能進(jìn)行了研究。董健苗等[12]研究了纖維種類(lèi)對(duì)SCLC碳化性能的影響，發(fā)現(xiàn)在相同的碳化時(shí)間內(nèi)，摻入聚丙烯纖維和劍麻纖維試樣的抗碳化性能更好。目前將機(jī)制砂應(yīng)用于SCLC碳化性能的研究并不多見(jiàn)，且大多集中碳化深度的測(cè)試，對(duì)混凝土碳化后微觀的研究較少。

現(xiàn)將機(jī)制砂應(yīng)用于SCLC中，通過(guò)制備機(jī)制砂摻量為0、30%、60%、80%、100%的SCLC并且設(shè)定機(jī)制砂摻量為0、100%的SCC。分別測(cè)試經(jīng)歷3、7、14、28 d碳化齡期后各組混凝土的碳化深度，并且通過(guò)掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)揭示碳化反應(yīng)機(jī)理，最后建立MS-SCLC碳化深度預(yù)測(cè)模型，以期為相關(guān)研究與工程實(shí)踐提供借鑒。

1 試驗(yàn)原材料及配合比

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為218 min和284 min。其中3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為27.8 MPa和49.8 MPa，3 d和28 d的抗折強(qiáng)度分別為5.82 MPa和9.35 MPa；粉煤灰采用Ⅰ級(jí)粉煤灰，可提升工作性能和后期強(qiáng)度[13]；硅灰采用高活性微硅粉；頁(yè)巖陶粒采用碎石型頁(yè)巖陶粒，各項(xiàng)物理力學(xué)性能如表1所示；機(jī)制砂由花崗巖破碎而成，且粒徑小于4.75 mm，各項(xiàng)物理力學(xué)性能如表2所示；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率達(dá)28%。

表1 頁(yè)巖陶粒的基本物理力學(xué)性能Table 1 Basic physical and mechanical properties of shale ceramsite

表2 機(jī)制砂的物理和力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of manufactured sand

1.2 配合比設(shè)計(jì)

在固定砂石體積法和改進(jìn)的全計(jì)算方法基礎(chǔ)上提出全參數(shù)的機(jī)制砂自密實(shí)輕骨料混凝土(MS-SCLC)配合比計(jì)算公式[14]。經(jīng)過(guò)多次試配，水膠比為0.37，粗骨料用量系數(shù)為0.51，砂用量系數(shù)為0.41，粉煤灰和硅灰用量分別占膠凝材料的20%和4%。共設(shè)計(jì)7組混凝土，5組機(jī)制砂摻量為0、30%、60%、80%、100%的SCLC，2組機(jī)制砂摻量為0、100%的SCC。配合比如表3所示。

表3 機(jī)制砂自密實(shí)混凝土配合比Table 3 Mix proportion of self compacting concrete with manufactured sand

2 機(jī)制砂自密實(shí)輕骨料混凝土基本性能、碳化性能及微觀結(jié)構(gòu)分析

2.1 機(jī)制砂自密實(shí)輕骨料混凝土基本性能分析

拌制試塊前對(duì)頁(yè)巖陶粒進(jìn)行預(yù)濕處理，加入粗骨料、細(xì)骨料、水和減水劑進(jìn)行攪拌，然后進(jìn)行J環(huán)試驗(yàn)和V形漏斗試驗(yàn)，再次攪拌澆筑，養(yǎng)護(hù)成型后烘干測(cè)試混凝土的干表觀密度，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)測(cè)試立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 混凝土基本性能測(cè)試結(jié)果Table 4 Basic performance test results of concrete

由表4可知，隨著機(jī)制砂摻量的增加，SCLC的坍落擴(kuò)展度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)機(jī)制砂摻量為0時(shí)為747 mm，機(jī)制砂摻量100%時(shí)為642 mm，坍落擴(kuò)展度下降了14.1%；T500逐漸增大，當(dāng)機(jī)制砂摻量為0%時(shí)T500=4 s，機(jī)制砂摻量30%時(shí)沒(méi)有變化，機(jī)制砂摻量100%時(shí)T500=8 s，增大了一倍；J環(huán)試驗(yàn)PA隨著機(jī)制砂摻量增加也逐漸增大，最大增幅達(dá)到129%；對(duì)照組與試驗(yàn)組表現(xiàn)出相同的規(guī)律，隨著機(jī)制砂摻量增加，工作性能變差，與SCC相比，MS-SCC-100坍落擴(kuò)展度減小了13.5%，T500和J環(huán)試驗(yàn)PA分別增加了120.0%和75%。這主要是因?yàn)闄C(jī)制砂表面粗糙，棱角尖銳，且含有石粉，因此吸水率比天然河砂高，導(dǎo)致混凝土工作性能變差[15]。

對(duì)于干表觀密度，隨著機(jī)制砂摻量的增加，SCLC的干表觀密度呈上升趨勢(shì)，最大增幅達(dá)4.0%，這主要是因?yàn)闄C(jī)制砂表觀密度較河砂大，取代了部分河砂導(dǎo)致混凝土干表觀密度增加，但都小于1 950 kg/m3，滿足輕骨料混凝土的要求，對(duì)照組因?yàn)椴捎盟槭鳛榇止橇希杀碛^密度分別達(dá)到了2 275.9 kg/m3和2 350 kg/m3。

對(duì)于抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，隨著機(jī)制砂摻量的增加，SCLC的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均逐漸提高，相較機(jī)制砂摻量為0的SCLC，機(jī)制砂摻量100%的SCLC抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別增加6.1%和6.0%，這主要是因?yàn)殡S著機(jī)制砂摻量的增加，石粉含量也相應(yīng)增加，填充了混凝土中的孔隙，密實(shí)度提高[16]；其次，所采用的機(jī)制砂較為粗糙，具有棱角尖銳、片狀多等特點(diǎn)，與水泥凝膠之間能夠產(chǎn)生較大的機(jī)械咬合力，提高了骨料與漿體的黏結(jié)性能，所以宏觀強(qiáng)度提高。對(duì)照組中MS-SCC-100的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為46.4 MPa和4.18 MPa，相比SCC分別增加了3.6%和4.2%。但是SCC、MS-SCC-100的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于SCLC、MS-SCLC-100，主要是因?yàn)镾CC和MS-SCC-100粗骨料采用碎石，而碎石的筒壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于頁(yè)巖陶粒。

2.2 機(jī)制砂自密實(shí)輕骨料混凝土碳化性能分析

2.2.1 混凝土快速碳化試驗(yàn)方法

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)。試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，共7組配合比，每組12個(gè)試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)26 d后置于60 ℃烘箱內(nèi)48 h，保留成型時(shí)相對(duì)表面，其余表面封蠟，并按照10 mm的間距定碳化的測(cè)量點(diǎn)。然后放入溫度(20±2) ℃，CO2濃度20%±3%、濕度70%±5%的碳化箱內(nèi)，試塊間距最小50 mm?；炷粮鼾g期碳化深度計(jì)算公式為

(1)

綜上所述，七氟烷聯(lián)合丙泊酚麻醉對(duì)機(jī)體呼吸力學(xué)影響小，并能有效抑制患者術(shù)后炎性反應(yīng)的發(fā)生，控制CRP水平，進(jìn)而調(diào)節(jié)術(shù)后機(jī)體補(bǔ)體水平，且不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度的應(yīng)激反應(yīng)，值得臨床推廣應(yīng)用。

2.2.2 碳化時(shí)間對(duì)碳化深度的影響分析

不同機(jī)制砂摻量下，各組混凝土碳化深度隨碳化時(shí)間的變化情況如圖1所示。

圖1 混凝土碳化深度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.1 Variation law of concrete carbonation depth with time

根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn)，不同機(jī)制砂摻量下，隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土碳化深度不斷增加。分析原因可知，CO2在混凝土中的擴(kuò)散是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，隨著齡期的增長(zhǎng)，擴(kuò)散至混凝土內(nèi)部的CO2不斷增加，碳化深度不斷加深。但各組混凝土碳化速率在0～3 d最快，在3～14 d相對(duì)較小，在14～28 d較為平緩，原因是隨著齡期的延長(zhǎng)，水泥不斷發(fā)生水化反應(yīng)，孔隙率降低，結(jié)構(gòu)密實(shí)度增加，一定程度避免了CO2滲入混凝土；此外，隨著碳化齡期增長(zhǎng)，混凝土中CO2與Ca(OH)2和水化硅酸鈣反應(yīng)形成CaCO3的體積大于反應(yīng)物，堵塞了更多的孔隙，阻礙了CO2的擴(kuò)散。因此，碳化反應(yīng)速率隨著時(shí)間的增加而逐漸降低[17]。

2.2.3 機(jī)制砂摻量對(duì)碳化深度的影響分析

不同齡期下，各組混凝土碳化深度隨機(jī)制砂摻量的變化情況如圖2所示。

圖2 混凝土碳化深度隨機(jī)制砂摻量的變化規(guī)律Fig.2 Variation law of random sand content in concrete carbonation depth

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，在不同的碳化齡期下，自密實(shí)輕骨料混凝土的碳化深度均隨著機(jī)制砂摻量的增加而降低。28 d試驗(yàn)齡期時(shí)，機(jī)制砂摻量為0、30%、60%、80%、100%的SCLC碳化深度分別達(dá)到10.06、9.33、8.76、8.57、8.03 mm，相較于機(jī)制砂摻量為0，摻量為30%、60%、80%、100%的SCLC碳化深度分別減小了7.3%、12.9%、14.8%、20.02%。分析原因認(rèn)為，使用的水洗機(jī)制砂石粉含量為3.3%，石粉含量適中且沒(méi)有表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)，隨著機(jī)制砂摻量增大，石粉含量相應(yīng)增加，它的物理填充效應(yīng)可提高混凝土的密實(shí)度，增加毛細(xì)孔的彎曲度，細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，提高硬化漿體和骨料過(guò)渡界面區(qū)的密實(shí)度，削弱CO2在混凝土孔隙中的滲透性[16]，增強(qiáng)混凝土的碳化性能。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

混凝土中水泥石與骨料之間的界面是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)重要的組成部分，水泥漿在形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面發(fā)生重大變化，使該界面成為混凝土的薄弱區(qū)域，引起CO2在混凝土內(nèi)部更容易擴(kuò)散，對(duì)混凝土的碳化性能有很大的影響。因此，選取SCLC和MS-SCLC-100試樣進(jìn)行SEM電鏡掃描，試塊經(jīng)抗壓后選擇表面平整的薄片制成5 mm×5 mm的掃描試樣，進(jìn)行干燥噴金處理，觀察28 d碳化前后過(guò)渡界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，揭示碳化反應(yīng)的機(jī)理。微觀形貌如圖3、圖4所示。

圖3 SCLC試樣微觀形貌Fig.3 Micro-structure of SCLC

圖4 MS-SCLC-100試樣微觀形貌Fig.4 Micro-structure of MS-SCLC-100

圖3(a)、圖4(a)分別為碳化前SCLC和MS-SCLC-100砂漿-骨料過(guò)渡界面區(qū)在電子顯微鏡下放大2 000倍的微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)SCLC砂漿和骨料之間的縫隙明顯大于MS-SCLC-100，這說(shuō)明SCLC存在更多薄弱的通道，CO2更容易侵入，進(jìn)一步證實(shí)了含機(jī)制砂的SCLC土碳化性能更佳，原因是其含有的石粉提高了混凝土的密實(shí)性，改善了硬化漿體和界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)度。

圖3(b)、圖4(b)分別為28 d碳化后SCLC和MS-SCLC-100砂漿-骨料過(guò)渡界面區(qū)在電子顯微鏡下放大2000倍的微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)，28 d碳化后，SCLC和MS-SCLC-100中都有結(jié)晶物生成，砂漿和骨料咬合更好，使得混凝土孔隙減少，裂縫變窄，逐漸減少，趨于密實(shí)。究其原因是CO2擴(kuò)散至混凝土內(nèi)部，與Ca(OH)2以及水泥熟料中C3S﹑C2S等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量CaCO3，填充并細(xì)化了大量孔隙，所以CO2的擴(kuò)散速率減慢[7]，材料密實(shí)度增加，宏觀層面上表現(xiàn)為材料抗壓強(qiáng)度的提高，與文獻(xiàn)[21]研究結(jié)論一致。

3 機(jī)制砂自密實(shí)輕骨料碳化模型

3.1 碳化模型的建立

目前，大量試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土的碳化深度和碳化齡期的平方根呈正比，即

(2)

式(2)中：X為混凝土的碳化深度，mm；k為碳化系數(shù)；t為碳化時(shí)間，d。

采用二參數(shù)擬合的方法，建立關(guān)于機(jī)制砂摻量的SCLC的碳化深度模型。因?yàn)橄嚓P(guān)研究研究很少，對(duì)0、3、14、28 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，用7 d的數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型有效性。因此，碳化齡期為7 d，機(jī)制砂摻量為0、30%、60%、80%、100%的碳化深度值不參與擬合，擬合結(jié)果如表5所示。根據(jù)擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)制砂摻量的增加，SCLC的碳化系數(shù)k逐漸減小，說(shuō)明其碳化性能逐漸提升，對(duì)照組中碳化系數(shù)均大于試驗(yàn)組，說(shuō)明SCLC的碳化性能優(yōu)于SCC。將表5中碳化系數(shù)與機(jī)制砂摻量進(jìn)行擬合，得到MS-SCLC碳化深度預(yù)測(cè)公式，見(jiàn)式(3)。擬合函數(shù)圖像如圖5所示。

(3)

式(3)中：p為機(jī)制砂摻量。

表5 各組碳化深度關(guān)于碳化時(shí)間的擬合函數(shù)Table 5 Fitting function of carbonization depth with respect to carbonization time

圖5 碳化系數(shù)關(guān)于機(jī)制砂摻量的擬合函數(shù)Fig.5 Fitting function of carbonation coefficient with respect to the content of manufactured sand

3.2 碳化模型的驗(yàn)證

目前，對(duì)于MS-SCLC碳化性能的研究并不多見(jiàn)，因此采用7 d的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，如表6所示?？梢钥闯?，7 d的碳化深度與模型計(jì)算的碳化深度最大偏差為13.7%，平均偏差為8%，究其原因是影響混凝土碳化性能的因素有很多，同時(shí)混凝土在澆筑、養(yǎng)護(hù)和測(cè)量過(guò)程中也會(huì)存在誤差，這些都會(huì)帶來(lái)一定的影響。整體來(lái)看，兩者比較接近，保證了該模型的有效性。

表6 碳化7 d混凝土試驗(yàn)值與計(jì)算值的比較Table 6 Comparison between test value and calculated value of carbonated 7 d concrete

4 結(jié)論

(1)隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土的碳化深度不斷增加，但前期碳化速率較大，后期相對(duì)較?。煌g期條件下，混凝土碳化深度與機(jī)制砂摻量呈反比，28 d碳化齡期時(shí)，MS-SCLC-100的碳化深度比SCLC減小了20.02%。

(2)通過(guò)SEM電鏡掃描，觀察了28 d碳化前后SCLC和MS-SCLC-100過(guò)渡界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明MS-SCLC-100的縫隙明顯小于SCLC，證明了機(jī)制砂中的石粉可以改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高硬化漿體和界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)度，削弱CO2在混凝土孔隙中的滲透性，提高混凝土的抗碳化能力；碳化后混凝土的密實(shí)度提高。

(3)與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組采用的輕骨料在混凝土養(yǎng)護(hù)中具有的吸水返水特性能促進(jìn)礦物摻和料二次水化反應(yīng)，改善骨料水泥石過(guò)渡區(qū)界面結(jié)構(gòu)，形成內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)制，抑制CO2的擴(kuò)散，延緩碳化反應(yīng)速率。

(4)建立了關(guān)于機(jī)制砂摻量的SCLC碳化深度模型，該模型與試驗(yàn)值較吻合，可為相關(guān)工程提供借鑒。但該模型認(rèn)為碳化各影響因素之間相互獨(dú)立，故機(jī)制砂摻量對(duì)SCLC碳化深度的影響還需要進(jìn)一步研究。