機制砂中綠泥巖粉含量對混凝土力學性能及耐久性的影響

張鵬舉，張興軍，宋尚霖，欒紀昊，南雪麗，韓 博

(1.甘肅省公路發展集團有限公司，蘭州 730050；2.甘肅恒路交通勘察設計院有限公司，蘭州 730050； 3.甘肅省高等級公路養護工程研究中心，蘭州 730050；4.蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用 國家重點實驗室，蘭州 730050；5.蘭州理工大學材料科學與工程學院，蘭州 730050)

0 引 言

細集料是混凝土中的重要組成材料，以往在混凝土中使用的細集料主要為天然砂，但我國天然砂資源地域分布不均，且天然砂開采受季節限制。隨著各地環保政策的相繼實施，致使有些地區甚至出現無砂可用的狀況，所以機制砂代替天然砂已勢在必行[1]。

機制砂在生產過程中不可避免會產生一定量的與母巖巖性相同的石粉，其粒徑小于75 μm。相關技術標準對于機制砂中石粉含量都提出了限定，但不同標準關于石粉含量要求的限值不同[2]，國標GB/T 14684—2011要求最高含量為10%。然而，在未經處理的機制砂中，石粉的實際含量總是超過標準的要求值。使得機制砂在使用前需要去除多余的石粉，進而出現資源浪費和環境污染等問題[3]。目前，關于機制砂中石粉含量對混凝土性能的影響，科研工作者已經進行了較為系統的研究，并得到了一系列成果[3-4]。但大多研究主要集中在石灰石粉和花崗巖粉對機制砂混凝土性能影響方面[5-7]，對于綠泥巖機制砂混凝土性能的相關研究鮮有報道。

本工作以綠泥巖機制砂為研究對象，通過混凝土早期收縮試驗、混凝土力學試驗、電通量試驗以及鹽凍試驗，系統地研究了機制砂中綠泥巖粉含量對混凝土性能的影響，以期為混凝土工程中推廣使用綠泥巖機制砂提供理論基礎和技術依據。

1 實 驗

1.1 原材料

本研究中水泥為祁連山P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗集料為5～20 mm連續級配石灰巖碎石，表觀密度為2700 kg/m3；細集料為甘肅建投生產的綠泥巖機制砂，細度模數2.77，石粉含量1.19%，亞甲藍值1.25 g/kg，級配區間為Ⅱ區，表觀密度、堆積密度、泥含量等均滿足《建設用砂》(GB/T 14684—2011)的要求；石粉為磨細的機制砂細粉，其制備方式為：利用實驗室球磨機將甘肅建投生產的機制砂進行球磨，然后將得到的細粉過0.075 mm篩，篩下部分即為本研究所用石粉。石粉的XRD圖譜如圖1所示，從圖中可知石粉中主要成分為斜綠泥石、石英以及碳酸鈣，還含有少部分鈉長石。石粉的粒度分布見圖2，D10、D50、D90分別為5.92 μm、45.6 μm、98.1 μm，D10(D50或D90)代表顆粒的累計粒度分布數達到10%(50%或90%)時所對應的粒徑；減水劑為蘇博特聚羧酸高效減水劑，減水率為30%。

圖1 石粉的XRD圖譜
Fig.1 XRD pattern of stone powder

圖2 石粉的粒度分布
Fig.2 Size distribution of stone powder

1.2 配合比設計

本研究采用的混凝土強度等級為C50，水灰比為0.36，各組混凝土中機制砂總量固定為730 kg/m3。采用甘肅建投生產的機制砂(石粉含量為1.19%)配制的混凝土為基準混凝土，記為JF0。為了得到不同石粉含量的機制砂，首先將機制砂中小于0.075 mm以下的顆粒篩除，然后將磨制好的石粉按規定摻量添加到已篩除細粉的機制砂中，石粉的添加量分別為機制砂總質量的5%和10%，進而得到JF5和JF10組機制砂混凝土。通過調整減水劑的用量，將坍落度控制在(220±10) mm，混凝土配合比設計見表1。

表1 不同類型機制砂混凝土配合比Table 1 Mix ratio of different types of mechanical sand concrete

1.3 試驗方法

1.3.1 混凝土早期自收縮試驗

本文采用波紋管試驗對混凝土自收縮性進行測試，試驗方法參照ASTM C1698標準，試驗儀器為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的SBT-AS100型混凝土自收縮應變測試儀?；炷磷允湛s模具長度為(420±2) mm、內徑為(58.5±1) mm的聚乙烯波紋管。每組配方做2根，收縮率取2根試件的平均值?；炷磷允湛s計算公式為：

εa(t)=ξ(t)-ξ(0)

(1)

式中：εa(t)為混凝土試件在t時刻的自收縮應變，ξ(t)為混凝土試件在t時刻的實測線性應變，ξ(0)為混凝土試件在0時刻的實測線性應變。

1.3.2 電通量試驗

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)中的電通量法對混凝土抗氯離子滲透性進行測試。所用儀器為北京耐爾得儀器設備有限公司生產的NEL-PEU型混凝土電通量測定儀。試件尺寸為φ100 mm×50 mm，實驗槽陽極為0.3 mol/L NaOH溶液，陰極為3%NaCl溶液，施加60 V的電壓，試驗持續時間為6 h。各組混凝土試件的電通量測試齡期為28 d，每組混凝土測試3個試件，最后取平均值。

1.3.3 鹽凍試驗

鹽凍試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)中的單面凍融法。采用北京耐爾德儀器設備有限公司生產的NELD-FS810型單面凍融試驗機進行試驗。鹽凍試驗試件尺寸為150 mm×110 mm×70 mm，鹽溶液為3%NaCl溶液，試樣測試原理圖詳見圖3，凍融循環制度如圖4所示。由于當混凝土表面剝蝕明顯時，混凝土表面會變得凹凸不平，使得相對動彈模量測定較為困難，測定值離散程度也變得較大[8]。本研究僅以鹽凍試驗結束后的試件累計剝落量作為混凝土抗鹽凍性能的評價指標[9]。試驗結束條件為以下兩種條件中的任一情況：(1)凍融循環次數達到28次；(2)試件單位表面面積剝落物總質量大于1500 g/m2。每4次凍融循環后收集鹽凍剝蝕物，并更換鹽溶液以及照相機記錄試件表面形貌。

圖3 樣品測試示意圖
Fig.3 Schematic diagram of sample test

圖4 凍融試驗升降溫曲線
Fig.4 Temperature rise curve of freeze-thaw test

2 結果與討論

2.1 石粉含量對混凝土自收縮性能的影響

圖5 機制砂中石粉含量對混凝土自收縮性能的影響Fig.5 Effect of stone powder content in manufactured sand on self-shrinkage of concrete

通常，混凝土自收縮在混凝土硬化前的塑性階段表現的更為明顯，為此本文主要觀察混凝土前72 h的形變。圖5為機制砂中石粉含量對混凝土自收縮性能的影響，從圖中可以看出，隨著石粉含量的增加混凝土自收縮也隨之增加，且JF0、JF5、JF10組在測試72 h后，總收縮量分別達到-437.333 με、-532.393 με、-662.393 με。其中JF5組和JF10組混凝土試件的72 h總收縮量，相對于JF0組分別增加21.7%和51.5%。另外，對照組機制砂混凝土本身就存在著明顯的早期自收縮，其影響因素是多方面的，如顆粒表面粗糙度、體積彈性模量、石粉含量等因素。本文的試驗組混凝土相對于對照組增加的收縮量，主要為石粉含量的影響，說明機制砂中石粉含量對混凝土自收縮的影響較為明顯。石粉對混凝土自收縮影響主要因為石粉顆粒粒徑較小，存在于混凝土基體中會對孔隙液產生較大的吸附作用，使得混凝土內部相對濕度降低，進而增加了混凝土毛細管壓力，最終導致混凝土自收縮增大。機制砂中石粉含量越多，上述現象會變得越發顯著，但相對于機制砂中石粉對混凝土其他性能的改善作用，混凝土自收縮所帶來的影響應予以正確權衡對待。

2.2 石粉含量對混凝土抗壓強度的影響

圖6為石粉含量對機制砂混凝土抗壓強度的影響，從圖6(a)中可知，隨著機制砂中石粉含量的增加，對應混凝土各齡期的抗壓強度都有增加趨勢。這主要是由于機制砂中含有一定量的石粉在混凝土中可以起到填充密實作用，使得混凝土結構變得更加致密，水泥水化產物對基體顆粒間的連接效果變得更好，從而增加了混凝土的抗壓強度。本研究的抗壓強度和齡期的對數之間存在線性相關關系，對各組數據進行擬合，且相關性都在0.919以上，線性回歸方程的斜率代表強度隨齡期的增長速率，各組機制砂混凝土強度隨齡期對數的變化如圖6(b)所示。從圖中可以發現各組線性方程的斜率有所不同，說明各組混凝土抗壓強度的增長速率存在差異，表現為JF5>JF0>JF10。上述結果說明，當機制砂中含有適量的石粉，其對混凝土的發展有促進作用，但機制砂中含有過多的石粉會降低混凝土抗壓強度的增長速率，這主要是由于，石粉對混凝土體系內水分有吸附作用，過多的石粉含量會產生很大程度的水分吸收，相應水泥顆粒分得的水分就會明顯減少，進而影響水泥顆粒的正常水化，使得混凝土水化速率降低，從而降低了混凝土抗壓強度增加速率。

圖6 石粉含量對機制砂混凝土抗壓強度影響
Fig.6 Effect of stone powder content on the compressive strength of manufactured sand concrete

2.3 石粉含量對混凝土抗氯離子滲透性的影響

圖7 石粉含量對機制砂混凝土抗氯離子滲透性的影響Fig.7 Effect of stone powder content on chloride resistance of manufactured sand concrete

圖7為混凝土電通量隨機制砂中石粉含量的變化規律的試驗研究結果，其中橫坐標JF0、JF5、JF10三組混凝土主要反映的是機制砂中石粉含量對混凝土抗氯離子滲透性影響。從圖中可以看出，隨著石粉含量的增加，混凝土的6 h電通量值也隨之增大。參照ASTM C 1202標準[10]，JF0組的28 d電通量處于滲透能力低水平，而JF5和JF10組的28 d電通量則位于滲透能力中等水平，這說明未額外添加石粉的機制砂混凝土的抗氯離子滲透性能更高，而摻加石粉的機制砂混凝土的抗氯離子滲透性能變差。上述結果感覺有些出乎意料，但其實是正?，F象，因為，混凝土配合比中機制砂總量是一定的，如果機制砂中石粉的含量增加，就意味著粒徑更大機制砂顆粒會相對減少，雖然石粉顆粒在混凝土中有微集料填充效應，而且還可以促進其周圍水泥顆粒進一步水化，從而使得混凝土結構更加密實，但石粉含量的增多同時也增加了顆粒與顆粒之間存在的界面數量。所以機制砂中大顆粒對氯離子的阻擋能力，要好于石粉顆粒的微集料填充效應對氯離子的阻擋所用，且隨著機制砂中石粉含量增多，混凝土抗氯離子滲透性逐漸減小。

2.4 石粉含量對混凝土抗鹽凍性能的影響

鹽凍剝蝕破壞比普通水凍損壞更為嚴重[11-12]，其破壞形式主要發生在膠凝材料表面。已有研究表明，處于凍結狀態的預飽和水泥基膠凝材料，當溫度降低至過冷結束后，冰會優先在基體中的較粗毛細孔或氣孔中瞬間成核，導致毛細孔中出現瞬態非飽和孔隙條件。此外，由于基體表面液體中鹽的存在，提供了未凍結的水分。上述條件使得孔隙結構啟動低溫吸力，開始從鄰近的孔隙和表面的鹽溶液中吸取液體，進而促進孔隙結構中冰核的長大。而且，隨著冰的生長又增加了額外的非飽和孔隙空間，從而進一步增強了吸力，最終導致冰的持續生長。這就導致了表面區域受結冰膨脹作用，但這一區域會受到剩余體積混凝土的約束，而垂直于表面方向的約束可能不足，受泊松效應的影響將使拉應力增大。這種應力狀態容易產生與混凝土表面平行的裂縫，最終導致表面局部膨脹和剝落[13-15]，機理示意圖見圖8。

圖8 混凝土試件受鹽凍破壞作用機理示意圖
Fig.8 Schematic diagram of failure mechanism of concrete specimen by salt-frost

2.4.1 累計剝落量

圖9 石粉含量對混凝土抗鹽凍剝蝕性的影響Fig.9 Effect of stone powder content on salt-frost erosion resistance of concrete

單位面積的剝蝕量是評價混凝土抗鹽凍能力的重要指標。圖9為經28次凍融循環的各組混凝土試件單位測試表面面積剝落物的總質量，從圖中可以看出，JF0、JF5、JF10三組的試件單位測試表面面積剝落物的總質量存在著明顯的差異，其中，JF5組相對于對照組JF0有所減少，減少量為18.0%，而JF10組相對于對照組卻明顯增加，增加量為43.2%。因此，機制砂中石粉對混凝土的抗鹽凍性能影響存在最佳含量。機制砂中含有適量的石粉，可以在混凝土中填充顆粒與顆粒間的空隙，并均勻分散在大顆粒周圍，使得水泥水化產物能充分覆蓋各顆粒表面，同時也使大顆粒與水泥石間界面更加致密，進而增加了混凝土中顆粒間的粘結力，最終減緩了試件表面受冰結晶壓力作用發生破壞剝落。如果機制砂中石粉含量過多，石粉會搶奪原本水泥顆粒占有的水分，導致連接顆粒與顆粒間的水泥水化產物量相對減少，進而使得顆粒間的粘結力下降，所以試件表面容易受冰結晶壓力作用而發生剝落，也就出現JF10略大于JF0組的情況。

2.4.2 表面剝蝕形貌

圖10是經28次凍融循環試驗后各組混凝土試件的表面形貌圖。從圖中可以看出，雖然各組混凝土試件表面都出現了不同程度的局部剝落現象，但試件表面并未發現有骨料露出的嚴重剝落狀態，而且各組混凝土試件表面形貌差別肉眼區分不明顯，以上現象可說明機制砂中石粉含量不會對混凝土抗鹽凍能力造成嚴重影響。

為了客觀準確有效的評價各組混凝土的外觀質量，本研究采用計算機圖像處理手段[16]，將混凝土試件表面的缺陷進行量化，以二值化面積比例作為外觀質量評定標準。首先獲取圖像，即使用照相機在保證相同條件下對經28次凍融循環試驗后各組混凝土試件表面的形貌進行拍照，如圖10所示。然后，進行像素分離，選取合適的閾值對圖像進行二值化，圖11為各組混凝土試件表面形貌的二值化之后圖形。最后，求缺陷面積與圖像總面積的百分比W，即黑色像素點占所有像素點的比例，各組混凝土的外觀質量測評結果見表2。從表中可看出混凝土外觀質量好壞順序為JF5>JF0>JF10，該結果與混凝土累計剝落量結果相同，這也再次證明機制砂中石粉存在最佳含量，在最佳含量以內時，石粉對混凝土抗鹽凍能力起增強作用。

圖10 28次凍融循環后的各組混凝土試件外觀質量原始圖
Fig.10 Original figure of appearance quality of each concrete specimen after 28 freeze-thaw cycles

圖11 各組混凝土試件表面形貌的二值化之后圖形
Fig.11 Graph after binarization of surface morphology of each concrete specimen

表2 各組混凝土外觀質量測評結果(二值化)
Table 2 Evaluation results of concrete appearance quality of each group (binarization)

項目結果JF0JF5JF10所有像素點總數712374556819黑色像素點120311591386W/%16.915.520.3

3 結 論

(1)機制砂中石粉會增加C50混凝土的早期自收縮，且隨著石粉含量的增加混凝土自收縮逐漸增大。

(2)機制砂中石粉含量小于5%時，石粉能夠促進C50混凝土抗壓強度的發展，且隨著石粉含量的增加混凝土抗壓強度逐漸增大。當石粉含量達到10%時，雖然不會降低混凝土抗壓強度，但石粉減緩了混凝土抗壓強度的發展速率。

(3)機制砂中隨石粉含量的增加對混凝土氯離子滲透性有降低作用。石粉對C50混凝土抗鹽凍性能影響存在最佳含量，在最佳含量以內時，石粉能夠提高混凝土的抗鹽凍能力，反之，將對混凝土抗鹽凍能力有降低作用。