高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料混凝土試驗(yàn)探究

陳偉 李倩 黃勇 斯毅

（1.新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830016；2.新疆交建公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)有限公司，新疆 烏魯木齊 830016；3.新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 昌吉 830000）

隨著全國(guó)2020年農(nóng)村脫貧目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和“十四五”規(guī)劃中對(duì)脫貧工作的鞏固，新疆各等級(jí)道路和相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施均迎來(lái)較大發(fā)展機(jī)遇，尤其是農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施得到了進(jìn)一步完善。新疆天然砂礫各項(xiàng)物理性能指標(biāo)良好，被廣泛應(yīng)用于各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混凝土中粗、細(xì)集料含泥量指標(biāo)作出了要求，如表1所示。天然砂礫無(wú)法直接用于水泥混凝土，主要因素為含泥量影響混凝土強(qiáng)度，并且利用現(xiàn)有常用無(wú)機(jī)膠凝材料固化高含泥量集料所形成的混凝土，其各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)很難滿足規(guī)范要求，后期病害嚴(yán)重。針對(duì)新疆地區(qū)天然砂礫含泥量大的特點(diǎn)，可通過(guò)提升、改善一般常用膠凝材料的性能，實(shí)現(xiàn)天然砂礫直接用于混凝土拌和，達(dá)到就地取材、減少人為資源開采保護(hù)環(huán)境的目的，且混凝土質(zhì)量并未降低，滿足強(qiáng)度和使用要求。

一、高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料分析

（一）化學(xué)成分分析

水泥中主要膠凝成分為硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）和鐵鋁酸四鈣（C4AF），本文通過(guò)傅里葉紅外光譜對(duì)比分析了高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料和新疆天山水泥（P.O-42.5）的主要化學(xué)成分，如圖1所示，利用不同官能基團(tuán)對(duì)能量吸收的差異，發(fā)現(xiàn)水泥四大主要成分有明顯特征峰存在，通過(guò)對(duì)不同特征峰的識(shí)別和面積計(jì)算，可深入分析不同膠凝材料的性能。從圖1光譜對(duì)比中，可看到高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料和普通硅酸鹽水泥在主要膠凝成分上具有相似的特征峰，且波形一致。在1410cm-1和1128cm-1處，兩種膠凝材料波峰面積累計(jì)總和分別是60263和54516，說(shuō)明加入的活性SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分在與普通硅酸鹽水泥研磨后使主要膠凝物質(zhì)明顯增加，Si-Al官能團(tuán)含量提高約10%，可促進(jìn)水化產(chǎn)物的形成。

表1 混凝土含泥量要求（%）

圖1 水泥紅外光譜對(duì)比分析圖

（二）膠砂強(qiáng)度分析

通過(guò)上述紅外光譜分析，高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料活性物質(zhì)含量有所增加，理論上膠砂強(qiáng)度有所提高。本文通過(guò)水泥膠砂強(qiáng)度分析了兩種膠凝材料的固化特性，試驗(yàn)采用相同的膠砂比和水灰比，其中在高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料膠砂試驗(yàn)中，為了驗(yàn)證對(duì)含泥量包容性更強(qiáng)，以0.075mm以下細(xì)顆粒物替換了20%的標(biāo)準(zhǔn)砂用量，細(xì)顆粒物取自天然砂礫。兩種材料膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，在不同齡期下普通硅酸鹽水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度值與高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料相比均要低一些，在相同齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度后者約為前者的1.1倍至1.2倍，28d抗折強(qiáng)度后者約為前者的1.2倍，在大含泥量條件下高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材強(qiáng)度有較大提升。結(jié)果表明：加入活性SiO2、Al2O3、Fe2O3和堿性環(huán)境后，普通硅酸鹽水泥膠凝性能得到較大改善，水化作用和水化產(chǎn)物含量得到提升。

表2 不同膠材膠砂試驗(yàn)結(jié)果

二、混凝土性能分析

（一）混凝土強(qiáng)度分析

新疆天然砂礫分布廣泛，論文選取5個(gè)地方的天然砂礫（粒徑顆粒、含泥量不同），用高含泥量無(wú)機(jī)膠凝檢測(cè)混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度，如表3所示?；炷翉?qiáng)度設(shè)定為C30，因含泥量較大，水灰比控制在0.6，未加減水劑和其他外加劑，膠材用量均為350kg/m3。從表3中可看到取樣含泥量在10%上下浮動(dòng)，按表1中C30混凝土集料含泥量要求，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4%，是規(guī)范要求的2倍至3倍。但在高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料作用下混凝土強(qiáng)度均可達(dá)到C30混凝土強(qiáng)度，且有部分富余量，同時(shí)抗折強(qiáng)度也較好，按照現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可滿足中等交通等級(jí)技術(shù)要求。

表3 不同取樣地混凝土強(qiáng)度

為了進(jìn)一步分析高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料和普通硅酸鹽水泥（P.O42.5）在膠凝固化性能上的差異，選取表3中哈密地區(qū)的兩種天然砂礫分析混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律，兩種天然砂礫采用水洗法測(cè)得含泥量分別為17.6%（1#）和9.8%（2#），采用上述相同水灰比（0.6）和膠材用量（350kg/m3），實(shí)測(cè)強(qiáng)度如表4所示。

表4 不同膠凝材料混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度

在表4中，不考慮集料級(jí)配結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，在相同水灰比下可看出普通硅酸鹽水泥在高含泥量條件下膠凝性能受到顯著影響，與高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料相比強(qiáng)度明顯不足，在兩種含泥量條件下均未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。反觀高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料，1#和2#集料混凝土28d抗壓強(qiáng)度分別為33.2MPa和35.2MPa，且抗折強(qiáng)度也較高，分別為4.4MPa和4.9MPa。從試驗(yàn)結(jié)果可知，含泥量弱化了普通硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)，小于0.075mm以下的細(xì)小顆粒物裹附在水化產(chǎn)物中，影響了水泥石和水泥石-集料界面整體強(qiáng)度的形成。

為了進(jìn)一步分析相同含泥量條件下高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料的膠凝性能，利用電子顯微鏡得到了天然砂礫中0.075mm以下顆粒物分別與普通硅酸鹽水泥和高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料水化反應(yīng)后的微觀結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。從圖2(a)可以看到，在普通硅酸鹽水泥作用下，0.075mm以下顆粒物呈聚集性的分散狀態(tài)，團(tuán)狀物之間沒(méi)有膠結(jié)關(guān)系；而圖2(b)中，在高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料作用下，顆粒物與顆粒物之間存在化學(xué)鍵的緊密搭接，并膠結(jié)為整體結(jié)構(gòu)，說(shuō)明高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料在活性SiO2、Al2O3、Fe2O3和堿性環(huán)境作用下，可激發(fā)細(xì)顆粒物（不大于0.075mm）中非活性或活性較低的硅、鋁基團(tuán)共同參與到水泥的水化反應(yīng)中。

圖2 細(xì)顆粒物與不同膠凝材料水化微觀結(jié)構(gòu)圖

（二）混凝土抗凍性能分析

利用表4中哈密2#集料分別用普通硅酸鹽水泥和高強(qiáng)無(wú)機(jī)膠凝材料分析混凝土抗凍性能，兩種混凝土中均未添加引氣劑，試驗(yàn)采用行業(yè)規(guī)范中的快凍法，凍融試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

可以看出，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，普通硅酸鹽水泥混凝土與高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料混凝土相比質(zhì)量損失嚴(yán)重，在凍融循環(huán)50次后，質(zhì)量損失前者是后者的10倍左右，說(shuō)明普通硅酸鹽水泥混凝土結(jié)構(gòu)在反復(fù)凍融條件下已遭到破壞，實(shí)測(cè)相對(duì)動(dòng)彈模量如圖3所示。

表5 不同水泥混凝土凍融試驗(yàn)結(jié)果

圖3 相對(duì)動(dòng)彈模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖3可知，普通硅酸鹽水泥混凝土在凍融循環(huán)30次至40次之間，相對(duì)動(dòng)彈模量損失超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范值，根據(jù)圖像分析在大約34次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈模量已低于60%。高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量損失較為平緩，凍融循環(huán)50次后相對(duì)動(dòng)彈模量剩余強(qiáng)度接近70%，在相同凍融次數(shù)下大約為普通硅酸鹽水泥混凝土的1.6倍，說(shuō)明高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料混凝土的抗凍性能更好。

（三）混凝土干縮性能分析

在前期混凝土性能分析基礎(chǔ)上，監(jiān)測(cè)了哈密2#集料兩種膠凝材料的干縮變形，干縮率如圖4所示。由圖4可知，在不同齡期內(nèi)普通硅酸鹽水泥混凝土的干縮實(shí)測(cè)值明顯大于高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料混凝土，說(shuō)明在普通硅酸鹽水泥作用下0.075mm細(xì)顆粒物在吸收大量水后以團(tuán)聚現(xiàn)象分散在水化產(chǎn)物中，隨著齡期的增長(zhǎng)團(tuán)聚細(xì)顆粒物內(nèi)部自由水蒸發(fā)散失，致使干縮形變?cè)鰪?qiáng)。而在圖2(b)中高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料使0.075mm細(xì)顆粒物一同參與水化反應(yīng)，自由水相對(duì)較少，且細(xì)顆粒物與水化膠凝物質(zhì)相互融合，形成整體性和強(qiáng)度均較好的水泥石和水泥石-集料界面，因此混凝土結(jié)構(gòu)干縮率小于普通硅酸鹽水泥混凝土，具有良好的干縮性能。

圖4 干縮率變化趨勢(shì)

三、環(huán)境效益分析

從上述研究可以看出，高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料對(duì)高含泥量的天然砂礫有較好的固化效果，與傳統(tǒng)混凝土相比，無(wú)需對(duì)原材料實(shí)施篩分和水洗等工藝。通過(guò)相關(guān)定額和生產(chǎn)調(diào)研，每立方米高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料混凝土原材料在篩分和水洗工藝中可節(jié)約柴油約1.3kg、電0.56kw·h、水0.39m3，結(jié)合《綜合能耗計(jì)算通則》（GB/T2589）中柴油和原煤的CO2排放系數(shù)，計(jì)算得到每m3高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料混凝土可減少CO2排量4.37kg，具有一定環(huán)境效益。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在普通硅酸鹽水泥中加入活性SiO2、Al2O3、Fe2O3和堿性物質(zhì)激發(fā)劑，可提升水泥膠凝性能，并可放寬混凝土原材料對(duì)含泥量的要求。經(jīng)試驗(yàn)分析，主要結(jié)論如下：

1.通過(guò)傅里葉紅外光譜分析，高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料中所添加的SiO2、Al2O3、Fe2O3等活性激發(fā)劑可使主要膠凝成分的硅、鋁基團(tuán)增加10%。在水泥膠砂試驗(yàn)中，高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料所用標(biāo)準(zhǔn)砂在用20%的0.075mm以下細(xì)顆粒物替代后膠砂強(qiáng)度并未降低，與常規(guī)水泥相比提高1.1倍至1.2倍，可激發(fā)細(xì)顆粒物（不大于0.075mm）中非活性或活性較低的硅、鋁基團(tuán)共同參與到水泥的水化反應(yīng)中；

2.在新疆多地取料，天然砂礫含泥量在10%左右高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料仍表現(xiàn)出良好的膠凝性質(zhì)，混凝土強(qiáng)度滿足C30，且有一定富余；

3.天然砂礫含泥量為10%左右時(shí)，在高含量無(wú)機(jī)膠凝材料作用下混凝土的質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量衰減指標(biāo)完全小于常規(guī)水泥混凝土，抗凍性可達(dá)到常用硅酸鹽水泥混凝土的1.6倍，同時(shí)實(shí)測(cè)不同齡期的干縮率也小于常用硅酸鹽水泥混凝土，高含量無(wú)機(jī)膠凝材料混凝土具有良好的抗凍性能和干縮性能；

4.基于高含泥量無(wú)機(jī)膠凝材料特殊的作用機(jī)理，可將高含泥量（10%左右）天然砂礫作為混凝土原材料，無(wú)需篩分和水洗處理工藝，具有一定環(huán)境效益。