混合砂對C60海工混凝土耐久性的影響及機(jī)理分析

柴瑞，黎鵬平，熊建波，王勝年

（1.港珠澳大橋管理局，廣東 珠海 519015；2.水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通運(yùn)輸部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230）

0 引言

目前我國大規(guī)模建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施的主要形式還是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，作為混凝土細(xì)集料的河砂資源日益短缺，已逐漸成為制約部分工程進(jìn)展的重要因素，而機(jī)制砂的生產(chǎn)及在混凝土中的應(yīng)用可以很好地緩解河砂資源不足而出現(xiàn)的問題。

目前部分產(chǎn)能較低的機(jī)制砂生產(chǎn)設(shè)備所制備的機(jī)制砂質(zhì)量不合格，限制了機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用和推廣。以往研究人員對混合砂混凝土的研究主要為混合砂對中低強(qiáng)度混凝土工作性和力學(xué)性能的影響，隨著研究的發(fā)展，研究人員也逐漸開展了混合砂在中高強(qiáng)混凝土中的研究，但混合砂在C60海工混凝土中的研究和應(yīng)用還鮮有報(bào)道，同時，混合砂混凝土的耐久性也是決定其是否用于海工領(lǐng)域的關(guān)鍵因素之一，因此本研究開展機(jī)制砂取代部分河砂后，不同比例組成的混合砂對混凝土耐久性的影響及機(jī)理分析，為機(jī)制砂混凝土在海工領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料和方案

1.1 原材料

所用水泥為珠江水泥廠生產(chǎn)的粵秀牌P.Ⅱ42.5R型硅酸鹽水泥；粉煤灰符合Ⅱ級粉煤灰的要求，密度為2 140 kg/m3；磨細(xì)礦渣粉為廣東韶鋼嘉羊礦渣粉S95，密度為2 900 kg/m3，膠凝材料的化學(xué)成分見表1。廣西南寧金陵產(chǎn)河沙，表觀密度為2 640 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.7，Ⅱ區(qū)級配，云南省廣南縣創(chuàng)鑫石場的水洗機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.0，石粉含量5%，機(jī)制砂的級配不合格。粗骨料為最大粒徑20 mm的復(fù)合級配碎石，表觀密度2 660 kg/m3。拌和用水為自來水。外加劑用廣州四航材料公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑。

表1 原材料的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方案

由于機(jī)制砂的級配不合格，所以需要與河砂按一定的比例混合成混合砂后，才可用于高性能海工混凝土結(jié)構(gòu)。河砂、機(jī)制砂，以及按不同比例混合成的混合砂的級配見表2所示。

表2 河砂、機(jī)制砂和混合砂的級配 %

由表2，河砂與機(jī)制砂的混合比例在4∶1～1∶4的范圍內(nèi)，混合砂的級配均符合要求。通常在細(xì)度模數(shù)相同時機(jī)制混凝土的砂率要略高于河砂混凝土的砂率，所以本研究中混凝土的砂率選擇為42%，同時由于海工高性能混凝土的耐久性要求，所以膠凝材料采用粉煤灰和礦粉復(fù)摻的方式。混凝土配合比參數(shù)見表3所示。

由前研究可知[1]，機(jī)制砂中石粉的主要成分為石灰石粉，河砂的主要成分為SiO2。利用200目的石灰石粉和同樣細(xì)度的惰性石英粉分別取代部分膠凝材料成型凈漿試件，凈漿試件的水膠比為0.32，石粉和惰性石英粉的摻量分別為3%、7%、10%和13%，至規(guī)定齡期時測試硬化漿體的抗壓強(qiáng)度、化學(xué)結(jié)合水量和Ca（OH）2含量。

表3 混凝土配合比參數(shù)

1.3 試驗(yàn)測試方法

1）XRD測試所用儀器為日本理學(xué)公司的D/max-ⅢA型X射線衍射儀，測試電壓為40 kV，電流30 mA，掃描范圍為5°～80°，Cu靶。

2）混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)測試采用快速氯離子遷移系數(shù)試驗(yàn)方法（RCM方法）測定[2]。

3）抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)按照規(guī)范[2]要求進(jìn)行。

4）膠凝材料的水化程度采用測定漿體的化學(xué)結(jié)合水方法和選擇性溶解法進(jìn)行表征，具體的測試方法和測試過程可參考文獻(xiàn) [3-4]。

5）硬化漿體的微觀形貌采用日本電子公司的JSM6490型掃描電鏡進(jìn)行觀察。

6） 硬化漿體的 Ca（OH）2含量采用 Perkin-Elmer公司的熱重分析儀（TGA）進(jìn)行測試，最高溫度為600℃，升溫速率為10℃/min。

7）混凝土的孔隙率可通過飽水混凝土試件在特定條件下的失水率間接求得，即“可蒸發(fā)水含量法”，具體的試驗(yàn)過程見參考文獻(xiàn) [5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 混合砂對混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

不同比例組成的混合砂混凝土和純河砂混凝土28 d齡期時試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)見圖1。

由圖1可見，28 d齡期時混合砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)要低于純河砂混凝土試件，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的總體變化趨勢是隨混合砂中機(jī)制砂比例的提高而降低。其原因可能是機(jī)制砂的表面粗糙，提高機(jī)制砂的比例可提高漿體與集料的界面黏結(jié)力，從而提高混凝土的密實(shí)度，通常混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)是混凝土致密度的一個反映，試件越致密則氯離子擴(kuò)散系數(shù)越低。

圖1 28 d齡期時河砂與混合砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

2.2 混合砂對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響

不同比例組成的混合砂對混凝土28 d齡期時試件的抗硫酸鹽侵蝕性能的影響見圖2所示。

圖2 28 d齡期時河砂與混合砂混凝土的抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)

由圖2可見，混凝土試件的耐蝕系數(shù)均隨混合砂中機(jī)制砂比例的提高而降低，機(jī)制砂比例最高的試件的耐蝕系數(shù)高于0.99。國內(nèi)外學(xué)者對引起試件抗壓強(qiáng)度變化的原因主要存在三種觀點(diǎn)，部分認(rèn)為是侵蝕液中的SO42-與膠凝材料水化產(chǎn)物中的C3AH6和AFm反應(yīng)生成滯后AFt，適量的滯后AFt會增加水泥石的致密性，引起抗壓強(qiáng)度比提高，但過量的滯后AFt會導(dǎo)致水泥石的膨脹，引起抗壓強(qiáng)度比降低；部分認(rèn)為抗壓強(qiáng)度比的變化是由于SO42-滲透會與膠凝材料水化產(chǎn)物反應(yīng)生成石膏，從而使混凝土劣化；但同時也有觀點(diǎn)認(rèn)為，CaCO3會與水泥中的C3A和C3S等組分反應(yīng)生成碳鋁酸鹽和碳硅酸鹽，這些產(chǎn)物并不穩(wěn)定，在SO42-滲透下會產(chǎn)生TSA破壞，使混凝土劣化[6]。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，提高機(jī)制砂的比例會提高混凝土的密實(shí)度，從而降低SO42-在混凝土中的滲透，所以混凝土的抗壓強(qiáng)度比變化不大，而河砂混凝土試件的密實(shí)度相對較低，SO42-在混凝土中的滲透已與混凝土中的膠凝材料或水化產(chǎn)物反應(yīng)，提高了混凝土的密實(shí)度導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度比的提高。

2.3 混合砂對混凝土耐久性的影響分析

引起混凝土強(qiáng)度和耐久性的變化因素主要包括：膠凝材料的組成和含量的變化引起混凝土性能的變化；混凝土骨料的變化引起混凝土性能的變化。以下從這兩方面來分析混合砂的組成變化對混凝土力學(xué)性能和耐久性的影響。

2.3.1 硬化漿體的抗壓強(qiáng)度

不同石粉含量和石英粉含量28 d齡期時凈漿試件的抗壓強(qiáng)度見圖3所示。

圖3 28 d齡期時不同石粉含量和石英粉含量凈漿試件的抗壓強(qiáng)度

由圖3可見，在相同摻量的情況下，石粉凈漿試件的抗壓強(qiáng)度要高于石英粉凈漿試件的抗壓強(qiáng)度，其原因可能是早齡期時少量的石粉能夠與水泥中的C3A和C3S組分反應(yīng)，導(dǎo)致石粉試件的抗壓強(qiáng)度要高于石英粉試件的抗壓強(qiáng)度。

2.3.2 膠凝材料的水化性能

不同石粉含量和石英粉含量28 d齡期時硬化漿體的化學(xué)結(jié)合水量見圖4所示。

圖4 28 d齡期時硬化漿體的化學(xué)結(jié)合水量

由圖4可見，在相同摻量的情況下，石粉凈漿試件的化學(xué)結(jié)合水量要高于石英粉凈漿試件的化學(xué)結(jié)合水量，且當(dāng)石粉含量低于7%時石粉凈漿試件的化學(xué)結(jié)合水量高于純水泥試件。通常用硬化漿體的化學(xué)結(jié)合水量來表征膠凝材料的水化程度，故可以認(rèn)為28 d齡期時石粉凈漿試件的水化程度要高于石英粉凈漿試件。

取28 d齡期的硬化漿體破型，石粉和石英粉摻量為10%的硬化漿體的SEM見圖5。

圖5 28 d齡期時硬化漿體的SEM

從圖5可見，石英粉和石灰石粉的表面都覆蓋了水泥的主要水化產(chǎn)物C-S-H，同時石灰石粉周圍的C-S-H數(shù)量要明顯高于石英粉周圍的CS-H數(shù)量，其主要原因可能是石灰石粉可與水泥中的部分組分發(fā)生水化反應(yīng)，生成相應(yīng)的水化產(chǎn)物，與石英粉相比，可促進(jìn)水泥的水化進(jìn)程。

2.3.3 細(xì)集料對膠凝材料水化產(chǎn)物中Ca（OH）2含量的影響

通常，可采用TGA測試方法來精確測試計(jì)算膠凝材料水化產(chǎn)物中的Ca（OH）2含量，以表征膠凝材料的水化程度。28 d齡期時石粉含量和石英粉含量均為10%的硬化漿體的熱重曲線圖見圖6。

圖6 28 d齡期時不同硬化漿體樣品的熱重曲線圖

由圖6可見，在溫度升至450～500℃時，各樣品都有明顯的質(zhì)量損失，此部分質(zhì)量損失是由Ca（OH）2的分解所致，純水泥試件的 Ca（OH）2含量最高，而石英粉試件的Ca（OH）2含量最低。因此可以表明石灰石粉可以少量參與水泥的水化反應(yīng)。

2.3.4 細(xì)集料對混凝土孔隙率的影響

不同比例組成的混合砂混凝土28 d齡期時試件的總孔隙率見圖7所示。

由圖7可見，混凝土孔隙率變化的總體趨勢是隨混合砂中機(jī)制砂比例的提高而逐漸降低。將混凝土孔隙率變化圖與混凝土抗壓強(qiáng)度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化曲線圖對比可見，混凝土孔隙率的降低會引起混凝土抗壓強(qiáng)度的升高，并引起混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的降低。

通常引起混凝土孔隙率變化的主要因素包括膠凝材料體系和骨料體系，混合砂的級配會隨河砂與機(jī)制砂的比例變化而變化，同時混合砂中的少量石粉也參與了膠凝材料的水化，所以不同比例組成的混合砂對混凝土耐久性的影響體現(xiàn)在兩個方面：混合砂改變了細(xì)集料的級配，同時混合砂中的石粉改變了膠凝材料體系的水化程度。

圖7 不同比例組成混合砂混凝土28 d齡期時的孔隙率

3 結(jié)語

1）28 d齡期時混合砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)要低于純河砂混凝土；混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化趨勢是在所設(shè)定的范圍內(nèi)隨混合砂中機(jī)制砂比例的提高而降低。

2）混凝土試件的抗硫酸鹽耐蝕系數(shù)在所設(shè)定的范圍內(nèi)隨混合砂中機(jī)制砂比例的提高而降低，但混合砂混凝土試件的耐蝕系數(shù)仍高于0.99。

3）不同比例組成的混合砂級配不同，混合砂中的石粉可參與膠凝材料的水化進(jìn)程，混合砂對海工混凝土耐久性的影響是這兩因素的綜合體現(xiàn)。

[1] 黎鵬平，范志宏，熊建波.石粉對膠凝材料水化性能及路面混凝土力學(xué)性能的影響[J].混凝土，2012（2）：69-71.

[2]GB/T 50082—2009，普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 石明霞，謝友均，劉寶舉.水泥-粉煤灰復(fù)合膠凝材料的水化性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2002，5（2）：114-119.

[4] 張?jiān)粕瑢O偉，鄭克仁，等.水泥-粉煤灰漿體的水化反應(yīng)進(jìn)程[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，36（1）：118-123.

[5] 劉偉，邢鋒，謝友均.水灰比、礦物摻合料對混凝土孔隙率的影響[J].低溫建筑技術(shù)，2006（1）：9-11.

[6] 黎鵬平，蘇達(dá)根，王勝年.水泥中S/Al和外滲硫酸鹽對氯離子臨界濃度的影響[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38（9）：80-84.