機制砂巖性與級配對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

徐 良，程華才，馬子宸，關博文

(1.安徽省交通控股集團有限公司，合肥 230088；2.安徽省高速公路試驗檢測科研中心有限公司，合肥 230601； 3.長安大學材料科學與工程學院，西安 710064；4.長安大學交通鋪面材料教育部工程研究中心，西安 710064)

0 引 言

混凝土是由水泥、細集料(砂)、粗集料(碎石或卵石)、水以及外加劑所組成的復合材料，被廣泛應用于結構工程和道路建材領域[1]。砂作為混凝土中的細集料，與級配碎石協(xié)同產(chǎn)生骨架作用，是混凝土強度的重要來源。砂的巖性、質量和摻配比例對混凝土的施工和易性、力學性能及在使用過程中的耐久性起到重要的作用[2]。天然砂是目前混凝土施工中使用最多的細集料，過度開采天然砂會給環(huán)境帶來負面影響，并且大規(guī)模、長距離運輸天然砂也會增加成本[3]。因此，在滿足環(huán)境和經(jīng)濟效益的前提下，尋找新的砂源以保證基礎設施建設用砂正常供給是十分必要的。

機制砂是指母巖在開采后，經(jīng)過出土、破碎、篩分等一系列操作后粒徑小于4.75 mm的集料。通常情況下機制砂棱角多，石粉含量大且表面粗糙，同時機制砂巖性也會對混凝土性能造成不同的影響。有學者[4-5]對比研究了石灰石機制砂、石英質機制砂和凝灰?guī)r機制砂的砂強度與混凝土強度，結果表明機制砂混凝土的強度略高于天然砂混凝土，且機制砂混凝土的強度與配比及石粉含量有關。相關研究側重于機制砂巖性對混凝土力學性能的影響，而未對混凝土中機制砂級配參數(shù)進行統(tǒng)一，因此可比性差。此外，在我國西部鹽漬地區(qū)和東部沿海地區(qū)，機制砂混凝土還面臨著硫酸鹽侵蝕等一系列耐久性問題[6-7]。有學者[8]對比研究了低溫環(huán)境下石灰石機制砂混凝土和天然砂混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的劣化行為，發(fā)現(xiàn)機制砂級配及石粉變化會影響硫酸鹽對混凝土的侵蝕行為。

鑒于以上原因，本文在四種級配條件下對三種機制砂混凝土和天然河砂混凝土展開對比研究，探討機制砂巖性對混凝土工作性和力學性能的影響。此外，對四種混凝土進行抗硫酸鹽侵蝕試驗，研究機制砂巖性及級配類型對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。研究結果可為機制砂混凝土在硫酸鹽環(huán)境下的耐久性評估提供技術指導。

1 實 驗

1.1 原材料

采用海螺牌42.5級普通硅酸鹽水泥。細集料分別選用石灰石(SH)、玄武巖(XW)和花崗巖(HG)三種巖性的機制砂和天然河砂(HS)。其中SH屬于鈣質機制砂，XW和HG屬于硅質機制砂。對三種巖性機制砂進行X射線熒光分析(XRF)，結果如表1所示。四種砂的基本性能如表2所示。粗集料為5～20 mm連續(xù)級配碎石，減水劑采用聚羧酸型減水劑。

表1 不同巖性機制砂化學組成Table 1 Chemical composition of different lithological manufactured sand

表2 砂的基本性能Table 2 Basic properties of sand

1.2 配合比設計

1.2.1 機制砂級配設計

參照GB/T 14684—2011，以二區(qū)砂上限和下限為邊界，在石粉含量相同的情況下設計四種機制砂級配，具體參數(shù)如表3所示，級配曲線如圖1所示。其中級配4為中值級配，級配1～3的細度模數(shù)不斷增加。級配1在1.18 mm以上的部分較少，接近級配下限，在混凝土中更易形成懸浮結構；級配3在1.18 mm以上部分接近上限，在混凝土中更易形成骨架結構。對三種機制砂和天然河砂分別進行四種級配設計，以研究級配類型對混凝土性能的影響。

表3 機制砂的級配參數(shù)Table 3 Gradation parameters of manufactured sand

圖1 機制砂級配曲線Fig.1 Gradation curves of manufactured sand

1.2.2 混凝土配合比設計

表4為混凝土配合比，參照表4對四種巖性機制砂進行混凝土配合比設計，制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，成型后24 h脫模并放入標準養(yǎng)護箱內進行養(yǎng)護。

表4 混凝土配合比Table 4 Mix proportions of concrete

1.3 測試方法

參照GB/T 50080—2016對四種混凝土拌合物進行工作性測試。參照GB/T 50081—2019對四種混凝土標準養(yǎng)護3 d、7 d和28 d的立方試件進行體抗壓強度測試,強度換算系數(shù)為0.95，試驗過程中連續(xù)均勻加荷，加荷速度為0.5 MPa/s。參照GB/T 50082—2009對四種混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能進行測試，侵蝕溶液為5%(質量分數(shù))的硫酸鈉溶液。采用浸泡-風干-升溫-冷卻的干濕循環(huán)制度，每個循環(huán)周期為24 h，同時按照式(1)計算四種混凝土的抗蝕系數(shù)。以上每組試件進行三次平行試驗以避免偶然誤差。

(1)

式中：Kf為抗蝕系數(shù),%；fcn為n次干濕循環(huán)后受硫酸鹽侵蝕混凝土的抗壓強度,MPa；fc0為同齡期標準養(yǎng)護下混凝土的抗壓強度,MPa。

2 結果與討論

2.1 機制砂巖性對混凝土工作性的影響

表5為級配4(中值級配)條件下不同巖性機制砂混凝土與天然河砂混凝土的工作性。在相同級配條件下，HS的保水性、黏聚性和流動性均較好，施工和易性優(yōu)異。三種機制砂混凝土的工作性略有差異，其中HG流動性差，保水性和黏聚性一般；SH和XW的流動性稍強于HG，但仍弱于HS。混凝土工作性受機制砂表面形貌、化學組成以及吸附性能影響很大。相較于HS，機制砂顆粒更為粗糙，棱角較多，從而影響了其工作性。此外，機制砂巖性會對外加劑的適應性以及石粉的吸附性能造成很大影響，有學者[9]發(fā)現(xiàn)鈣質機制砂石粉的吸附性能較低，因此其分散性優(yōu)于硅質機制砂。機制砂混凝土的工作性比天然河砂混凝土差，在施工過程中可以通過增加外加劑摻量和調整砂率來降低其負面影響。

表5 級配4條件下不同巖性機制砂混凝土與天然河砂混凝土的工作性Table 5 Workability of different lithological manufactured sand concrete and natural river sand concrete under grade 4

2.2 機制砂巖性對混凝土抗壓強度的影響

圖2 不同巖性機制砂混凝土與天然河砂 混凝土的抗壓強度Fig.2 Compressive strength of different manufactured sand concrete and natural river sand concrete

圖2為不同巖性機制砂混凝土與天然河砂混凝土在級配2條件下不同齡期的抗壓強度變化。其中摻HS的混凝土抗壓強度最低，摻SH、HG和XW的混凝土3 d抗壓強度相較于HS分別提高了18.2%、16.1%和14.0%；7 d抗壓強度相較于HS分別提高了13.4%、8.7%和9.8%。在標準養(yǎng)護28 d后，SH的抗壓強度最高，為51.4 MPa，其次是XW和HG，強度分別為49.6 MPa和49.2 MPa，對照組HS的28 d抗壓強度為45.8 MPa。混凝土的抗壓強度受多種因素影響，在級配相同的情況下，四種細集料砂的亞甲藍值差異較大，SH的黏土質含量最低，故其強度增長最高；而對照組HS的黏土質含量較高，影響了HS混凝土的強度增長[10]。此外，有學者[9]認為機制砂混凝土的強度與其化學組成密切相關，鈣質機制砂吸附性低，展現(xiàn)出良好的分散性，從而在強度上優(yōu)于硅質機制砂。

上述結果表明,機制砂對混凝土的力學性能有提高作用，尤其是3 d和7 d抗壓強度。此外，三種機制砂混凝土的強度相近，均高于HS對照組，僅從抗壓強度來看，機制砂混凝土的力學性能與機制砂巖性相關性不大。

2.3 機制砂級配類型對混凝土抗壓強度的影響

圖3～圖6為三種機制砂混凝土和天然河砂混凝土的抗壓強度在四種級配條件下的變化規(guī)律。混凝土在級配3條件下的抗壓強度最高，其次為級配2和級配4，級配1下的抗壓強度較低。以混凝土在級配1下的28 d抗壓強度為基準，SH、HG、XW和HS在級配3下的28 d抗壓強度分別提高了15.9%、11.8%、12.64和12.4%。

上述結果表明，機制砂級配類型對混凝土力學性能的影響較大，這是因為級配1以較細的集料為主，細集料細度模數(shù)小致使混凝土的強度較低。相反，級配3的細度模數(shù)最大，以1.18 mm以上的集料為主，在混凝土中起到了骨架結構，因此混凝土在級配3條件下的抗壓強度最高。級配2與級配4的組成相近,兩者的細度模數(shù)介于級配1與級配3之間，以0.15～0.60 mm的集料為主，因此抗壓強度差異不大。

圖3 不同級配下石灰石機制砂混凝土的抗壓強度Fig.3 Compressive strength of SH manufactured sand concrete with different gradations

圖4 不同級配下花崗巖機制砂混凝土的抗壓強度Fig.4 Compressive strength of HG manufactured sand concrete with different gradations

圖5 不同級配下玄武巖機制砂混凝土的抗壓強度Fig.5 Compressive strength of XW manufactured sand concrete with different gradations

圖6 不同級配下天然河砂混凝土的抗壓強度Fig.6 Compressive strength of HS concrete with different gradations

2.4 機制砂巖性對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

圖7為四種混凝土在級配2條件下經(jīng)過不同硫酸鹽侵蝕周期后的抗壓強度。從圖中可以看出，四種混凝土的抗壓強度在硫酸鹽侵蝕循環(huán)前期(20～30次循環(huán))均有一定的提升，在硫酸鹽侵蝕30個循環(huán)后三種機制砂(SH、HG和XW)混凝土的強度分別提高了14.1%、14.6%和17.7%，而HS對照組也提高了近10%。造成這種現(xiàn)象的主要原因是混凝土中的Ca(OH)2在硫酸鹽侵蝕循環(huán)前期會與Na2SO4發(fā)生反應生成CaSO4，并與固態(tài)水化鋁酸鈣生成鈣釩石，從而在混凝土中起到填充密實作用，進而增強抗壓強度。此外，石膏也會在此過程中以晶體的形式析出，相關反應如式(2)～(4)所示。

Na2SO4·10H2O+Ca(OH)2→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O

(2)

3(CaSO4·2H2O)+3CaO·Al2O3·12H2O+14H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

(3)

Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH

(4)

鈣釩石溶解度較低，會結合大量的結晶水從而增大膨脹應力，導致混凝土膨脹開裂。石膏晶體體積增大，從而產(chǎn)生內應力，在硫酸鹽侵蝕循環(huán)后期同樣會導致混凝土膨脹開裂[11]。此外，在石膏的生成過程中會消耗Ca(OH)2，這也會導致混凝土后期強度下降。造成這種現(xiàn)象的原因可能是不同巖性機制砂混凝土在水化過程中，不同成分的砂石之間會發(fā)生相互作用[12]。在循環(huán)60次后，混凝土強度基本與初始強度相近，繼續(xù)侵蝕會迅速降低混凝土強度。

圖8為四種混凝土在不同硫酸鹽侵蝕周期下抗蝕系數(shù)的變化情況。四種混凝土的抗蝕系數(shù)變化情況基本接近，均表現(xiàn)為先增大后減小。對四種混凝土的抗蝕系數(shù)進行多項式擬合，效果良好。根據(jù)擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)，四種混凝土在90～100次硫酸鹽侵蝕周期下抗蝕系數(shù)會下降到0.75，發(fā)生失效。根據(jù)抗蝕系數(shù)0.75這一臨界值來看，三種機制砂混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能略好于天然河砂混凝土，石灰石機制砂混凝土的耐硫酸鹽侵蝕效果相對最好，其次是花崗巖機制砂混凝土和玄武巖機制砂混凝土。

圖7 四種混凝土在不同硫酸鹽侵蝕周期下的抗壓強度Fig.7 Compressive strength of four concrete under different sulfate corrosion cycles

圖8 抗蝕系數(shù)在不同硫酸鹽侵蝕周期下的變化Fig.8 Change of corrosion resistance index under different sulfate corrosion cycles

2.5 機制砂級配類型對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

圖9～圖12分別為三種機制砂混凝土和天然河砂混凝土的抗蝕系數(shù)在四種級配條件下的變化情況。抗蝕系數(shù)在前20或30個循環(huán)次數(shù)內會略微增大，隨后出現(xiàn)不同程度的降低。混凝土在級配4和級配2條件下的抗蝕系數(shù)最好，其次為級配3，級配1最差。在前20個硫酸鹽干濕循環(huán)內，各級配之間的差距不大；而30個硫酸鹽干濕循環(huán)后抗蝕系數(shù)的差距增大。上述結果表明，機制砂級配類型顯著影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。

級配1中缺失1.18 mm以上的集料，混凝土中骨料級配間斷，因此抗蝕系數(shù)在20個硫酸鹽干濕循環(huán)后便迅速下降。級配3中以0.60 mm及以上的集料居多，混凝土在級配3下的骨架結構增強了混凝土的力學性能，但內部空隙較大，從而更易受硫酸鹽侵蝕的影響，因此造成了30個硫酸鹽干濕循環(huán)后抗蝕系數(shù)迅速降低。混凝土在級配2和級配4下的抗硫酸鹽侵蝕性能更好，特別是級配4中0.30 mm及0.60 mm的集料含量更高，增大了混凝土的比表面積進而提高了其抗硫酸鹽侵蝕性能[13]。

圖9 不同級配下石灰石機制砂混凝土的抗蝕系數(shù)Fig.9 Corrosion resistance index of SH manufactured sand concrete with different gradations

圖10 不同級配下花崗巖機制砂混凝土的抗蝕系數(shù)Fig.10 Corrosion resistance index of HG manufactured sand concrete with different gradations

Arulmoly等[14]對機制砂與天然河砂混凝土的空隙結構進行研究，并提出了三種空隙結構形態(tài)(見圖13)。機制砂棱角性更好，但空隙更大，因此若不控制級配則會降低機制砂混凝土的耐久性。不良級配下機制砂多以圖13(b)中骨架結構出現(xiàn)，這種級配類型會增大混凝土空隙；適當調整級配或增加石粉含量可以改善混凝土空隙結構(見圖13(c))，進而增強機制砂混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。本研究中級配1為不良級配，缺失部分粒徑集料，與圖13(b)類似。而級配3中0.60 mm及以上部分占比為65%，較粗的集料增強了混凝土強度但減少了總比表面積，細集料較少時不足以填充粗集料之間的空隙體積，因此級配3下混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能較差[15]。

控制級配可以較好地改善混凝土內空隙結構進而增強機制砂混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。上述結果表明，機制砂巖性并不會對混凝土耐久性帶來負面影響，機制砂混凝土耐久性的降低是由級配導致的。

圖11 不同級配下玄武巖機制砂混凝土的抗蝕系數(shù)Fig.11 Corrosion resistance index of XW manufactured sand concrete with different gradations

圖12 不同級配下天然河砂混凝土的抗蝕系數(shù)Fig.12 Corrosion resistance index of HS concrete with different gradations

圖13 機制砂在不同級配下的三種空隙結構[14]Fig.13 Three void structures of manufactured sand with different gradations[14]

3 結 論

(1)在相同級配條件下，天然河砂混凝土的工作性優(yōu)于機制砂混凝土,機制砂混凝土抗壓強度優(yōu)于天然河砂混凝土。機制砂巖性對混凝土強度的影響不大,機制砂級配對混凝土力學性能影響較大，細度模數(shù)較大的級配有助于增強機制砂混凝土的抗壓強度。

(2)機制砂混凝土的抗壓強度在硫酸鹽侵蝕作用下呈先升高后降低的趨勢。這是因為在硫酸鹽侵蝕前期，侵蝕產(chǎn)物在混凝土中起到一定的填充作用，從而在短期內提高混凝土抗壓強度；而長時間的侵蝕循環(huán)所生成的鈣釩石會增大膨脹應力，且石膏的生成也會消耗氫氧化鈣，因此導致混凝土耐久性劣化。

(3)級配相同條件下，機制砂混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)于天然河砂混凝土。機制砂巖性并不會對混凝土耐久性帶來負面影響，機制砂混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的降低是級配導致的。機制砂級配類型通過影響混凝土內空隙結構的變化進而影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，因此應控制機制砂級配以保證混凝土空隙結構密實。