大理巖含石粉人工砂與混凝土耦合作用機制研究

談 安 健

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

混凝土是目前土木、水利水電工程建設中的重要建筑材料之一，在大量的基礎設施建設中起著至關重要的作用。“砂是混凝土的主要骨架，由于天然砂分布不均衡、儲量有限、不可再生等特點，人工砂代替天然砂成為了建筑行業的一種重要趨勢”[1，2]?！半m然我國對人工砂進行了大量的研究，并取得了一定的成果，但目前關于人工砂特性及其對拌和混凝土性能影響的認識仍存在明顯的不足”[3，4]。因此，開展不同巖性人工砂對水工混凝土的影響研究，對提高人工砂利用率與保證混凝土性能都具有重要的意義。闡述了通過力學特性試驗、XRD圖譜分析和SEM電鏡掃描的方法比較了某水電站施工采用的混凝土原料中不同人工砂含量的混凝土在力學特性(抗壓強度、抗拉強度)與電鏡掃描試驗中取得結果的差異。通過試驗結果探究出人工砂含量對混凝土強度的影響規律，總結出某水電站施工采用的混凝土原料中的既能提高混凝土強度、又能在一定程度上保持其拌和流動性的最佳人工砂含量。介紹了所進行的研究過程。

2 力學性能試驗

2.1 試驗材料

試驗采用峨勝P·MH42.5水泥，粉煤灰采用宣威I級粉煤灰。混凝土組成材料比例關系及用量表見表1。

表1 混凝土組成材料比例關系及用量表

為確保試驗數據可靠，該試驗根據人工砂與天然砂的不同比例分為5組，“每組按照國家規范《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GBT50081-2019[5]制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體標準試件6個。試驗過程中，根據混凝土拌和情況將每組的材料用量均進行了1.2倍量的擴大，人工砂摻量分別為100%、75%、50%、25%、0，并將細骨料的石粉含量控制在20%左右。

2.2 制備混凝土

混凝土拌制采用人工拌和，其制備流程[6]為：

(1)人工拌和在鋼板上進行，將稱量好的水泥和摻合料(粉煤灰)預先拌制均勻，再摻入按不同比例計算的人工砂與天然砂，翻拌至顏色均勻后放入稱量好的小石、中石，按要求翻拌后堆成錐形，并將中間扒成凹坑。

(2)將事先稱量好的減氣劑、引氣劑和水混合，加入料堆中，翻拌均勻。

(3)將拌和均勻的混凝土拌和物分層倒入標準立方體模具中，按螺旋方向從邊緣向中心均勻插搗，同時用抹刀沿試模內壁插入數次以保證試件邊壁平整，振搗均勻后將表面沿?？谀ㄆ剑玫叫掳柚频幕炷猎嚰?/p>

將新拌制的混凝土試件按照規范在20 ℃的室內靜置24 h后拆模編號，其后將編號后的試件放入標準養護室中養護，養護28 d后取出，試驗編號分別為J-100、J-75、J-50、J-25、J-0。

2.3 試驗內容

(1)抗壓性能檢測試驗?？箟簭姸仍囼灠磭乙幏丁镀胀ɑ炷亮W性能試驗方法標準》GB/T 50081-2002進行，采用標準試驗方法并按規定的計算方法得到試驗強度值。所選取的試驗編號為J-100-(1～3)、J-75-(1～3)、J-50-(1～3)、J-25-(1～3)、J-0-(1～3)。

(2)抗拉強度檢測試驗。抗拉強度試驗按國家規范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T 50081-2002進行，采用劈裂法測定混凝土的抗拉強度。所選取的試驗編號為J-100-(4～6)、J-75-(4～6)、J-50-(4～6)、J-25-(4～6)、J-0-(4～6)。

(3)XRD圖譜分析及SEM電鏡掃描。將壓碎后的試件按照檢測要求制備并進行XRD圖譜分析及SEM電鏡掃描分析。

2.4 力學試驗結果分析

各組混凝土試件的抗壓強度和抗拉強度與人工砂百分比之間的力學試驗結果見圖1。

圖1 力學試驗結果圖

從試驗結果可以看出：在配合比相同的情況下，混凝土的抗壓強度、抗拉強度隨人工砂含量的增大而增大，人工砂含量的提升可以對混凝土性能起到一定的改善作用。

3 微觀結構與化學組成分析

3.1 XRD試驗結果

通過X射線衍射儀(XRD)對某水電站人工砂樣品進行了X射線衍射，分析其衍射圖譜并獲得材料構成物化學成分的分子式以及含量百分比。某水電站人工砂樣品的化學成分含量百分比表見表2。

表2 某水電站人工砂樣品的化學成分含量百分比表

由表2可知：某水電站人工砂樣品的主要成分為白云石以及少量的方解石、石英和鈉長石。從成分組成看，某水電站人工砂樣品系由大理巖制備而成。

通過X射線衍射儀(XRD)對五組含有不同質量百分比大理巖人工砂的混凝土試樣進行X射線衍射，分析其衍射圖譜并獲得材料構成物化學成分的分子式及含量百分比，各混凝土樣品主要成分差異見圖2。檢測得知：各組混凝土組成材料基本一致，主要成分為石英、白云石、鈉長石、方解石、微斜長石并存在少量的黑云母與斜綠泥石。

圖2 各混凝土樣品主要成分差異圖

從圖2可以看出：純天然砂組的主要成分為石英、鈉長石和微斜長石以及少量的方解石與黑云母；純人工砂組的主要成分為白云石、方解石和鈣十字沸石-鉀，以及少量的石英與黑云母；其余三組天然砂與人工砂混配的混凝土試件含有少量的斜綠泥石。對于五組混凝土試件來說，黑云母和斜綠泥石的含量相對較少。

隨著大理巖人工砂質量百分比的增加，混凝土試件中白云石和方解石的含量越來越多。方解石是混凝土試件在養護過程中空氣中的CO2與試樣中的Ca(OH)2和Mg(OH)2發生反應生成的碳化產物(CaCO3或CaxMg1-xCO3)。大量碳化產物的填充使混凝土試件結構更加致密，吸水率降低。但過量的方解石會降低混凝土結構的耐久性，容易導致鋼筋銹蝕。

同時，隨著大理巖人工砂質量百分比的增加，混凝土試件中石英和方解石的含量越來越少。雖然在一定范圍內石英含量的增加會使水灰比減少，導致水泥水化后留下的孔隙減少，提高了固相基體的連續性，進而使混凝土性能得到了改善與提高。但如果石英含量繼續增加，則會降低水泥漿的和易性，進而降低混凝土的均勻性和密實性，其強度反而降低。

純人工砂組主要成分中的鈣十字沸石-鉀是沸石的一種，其化學組成為SiO2和Al2O3。一方面，在堿性激發下，沸石能與水泥水化時析出的Ca(OH)2反應生成水化硅酸鈣膠凝體，促進水泥水化反應的進行；另一方面，沸石本身具有網格狀結構，其內部充滿大小均勻的孔穴和通道并具有很大的開放性，大理巖人工砂經機器磨細后具有較大的比表面積，自然狀態下能吸附大量的水分子和氣體并與大氣相對濕度平衡。當將其摻入混凝土時可吸收混凝土中多余的拌和用水，克服混凝土經時泌水性，使混凝土黏性增加，集料裹漿量提高，因而能改善混凝土的工作性能。

3.2 混凝土試件微觀結構分析

基于某水電站施工混凝土配合比，五組含有不同質量百分比大理巖人工砂的混凝土樣品的SEM照片見圖3。

圖3 混凝土樣品的SEM照片

對比了五組混凝土試件樣品的電鏡掃描圖以及所對應的抗壓性能和抗拉試驗結果，基于微觀表面形態分析了大理巖人工砂對混凝土試件力學性能的影響。從1 000倍放大鏡頭下微觀結構的密實程度看，純人工砂混凝土>天然砂與人工砂質量比為1∶3的混凝土>天然砂與人工砂質量比為3∶1的混凝土>純天然砂>天然砂與人工砂質量比為1∶1的混凝土。從針狀晶粒體的發育情況看，當人工砂質量百分比大于50%時，針狀晶粒體開始明顯發育。同時，隨著大理巖人工砂質量百分比的增加，針狀晶粒體越發育，但其在1 000倍放大鏡頭下表現的并不明顯。五組混凝土試件都觀察到有大小不一的球狀物體存在。結構密實程度的觀察結果與力學性能的測試結果基本一致：天然砂組與人工砂質量比為1∶1組的混凝土結構最為松散，孔隙最多。天然砂與人工砂質量比為3∶1組與純天然砂組雖然孔隙間發育有顆粒狀物質，但摻有人工砂的天然砂與人工砂質量比為3∶1組的顆粒狀物質發育程度更好。純人工砂組與天然砂與人工砂質量比為1∶3組基本為塊狀物質與球狀物質，孔隙較少，結構較為密實。

4 結 語

基于某水電站施工采用的混凝土配合比得出以下結論：含純大理巖人工砂混凝土標準試件的抗壓強度均值與抗拉強度均值最大。而根據對混凝土試件進行的微觀結構與化學成分分析得知：純天然砂組的孔隙是由球狀粉煤灰以及與周圍的氫氧化鈣結晶發生火山灰反應生成具有膠凝性質的產物填充；純大理巖人工砂組的孔隙是由原有的輝石填充。人工砂組的孔隙發育有片狀物質，結構最為密實，對混凝土力學性能有明顯提升作用。

綜合力學性能測試、XRD圖譜分析和SEM電鏡掃描的結果看：純大理巖人工砂組的抗壓性能和抗拉性能最好。由此可見，在制備混凝土時應合理考慮大理巖人工砂的含量，適當增大大理巖人工砂的比例對保證混凝土強度及建筑結構安全具有至關重要的作用。