鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土性能的影響

顧春平,聶曉榮,楊 楊,余澤澤,沈 建,邱觀貴

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,浙江 杭州 310023;2.浙江省建設(shè)投資集團股份有限公司,浙江 杭州 310013;3.浙江省建材集團有限公司,浙江 杭州 310011)

為保護(hù)河道生態(tài)環(huán)境,改變河砂資源短缺的現(xiàn)狀,工程實踐中已經(jīng)廣泛使用機制砂代替天然河砂配制混凝土。機制砂是巖石經(jīng)機械破碎、篩分后粒徑小于4.75 mm的顆粒[1]。機制砂具有來源多樣、取材便利和級配可調(diào)等優(yōu)點,在道路和橋梁建設(shè)、商品混凝土等領(lǐng)域有許多成功的應(yīng)用案例,是目前廣泛使用的細(xì)集料。在生產(chǎn)機制砂過程中會產(chǎn)生較多的細(xì)小顆粒,尤其是粒徑小于0.075 mm的粉料——石粉,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%[2]。《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)中規(guī)定,石粉含量是指機制砂中粒徑小于0.075 mm的顆粒含量(按質(zhì)量計),即機制砂中粒徑小于0.075 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在工程實踐中制備機制砂的礦源廣泛,礦物組成復(fù)雜,其含有的石粉主要為鈣質(zhì)石粉(主要成分為碳酸鈣)和硅質(zhì)石粉(主要成分為二氧化硅),成分不同的石粉對機制砂混凝土性能的影響有一定差別[3-5]。因此,研究鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土性能的影響在工程實踐中是十分必要的。

Ding等[6]在研究鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土的影響時發(fā)現(xiàn)：當(dāng)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時,機制砂混凝土的工作性最佳；當(dāng)水膠比大于0.45和小于0.40,最優(yōu)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13%和9%時,機制砂混凝土的抗壓強度最高。Li等[7]研究了鈣質(zhì)石粉對路面機制砂混凝土的影響,結(jié)果表明:機制砂最優(yōu)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,此時混凝土的抗壓強度和抗折強度均最高。陽晏等[8]研究了鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對C30機制砂泵送混凝土性能的影響,發(fā)現(xiàn)最優(yōu)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,此時機制砂混凝土的坍落度和抗壓強度最高,抗?jié)B性能最佳。劉凱等[9]研究了鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對C60自密實混凝土的影響,發(fā)現(xiàn)7%石粉為最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù),相應(yīng)混凝土的坍落度、擴展度和抗壓強度最高。筆者主要研究鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0%,3%,5%,7%,10%,15%)對機制砂混凝土主要性能(工作性、抗壓強度、劈裂抗拉強度、干燥收縮和抗氯離子滲透性能)的影響,以期為機制砂混凝土的配制與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的編制提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及混凝土配合比

試驗所用原材料包括:水泥、粉煤灰、碎石、水清潔機制砂、鈣質(zhì)石粉、減水劑和水。水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,比表面積為343.1 kg/m2,3 d水泥膠砂抗折和抗壓強度分別為4.9,27.1 MPa,28 d水泥膠砂抗折和抗壓強度分別為7.8,54.1 MPa,初凝時間和終凝時間分別為181,281 min。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰,需水量比為98%,活性指數(shù)為70%。石粉為鈣質(zhì)石粉,主要成分為CaCO3和MgCO3,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為77.6%和18.2%。水泥、粉煤灰和鈣質(zhì)石粉的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 水泥、粉煤灰和鈣質(zhì)石粉的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical compositions of cement, fly ash and calcareous stone powder

碎石為5.0～31.5 mm連續(xù)級配碎石,性能滿足《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)標(biāo)準(zhǔn)。機制砂為水清潔機制砂(去除0.075 mm以下顆粒),細(xì)度模數(shù)3.1,滿足《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)標(biāo)準(zhǔn)。碎石、機制砂的級配分別如表2,3所示。減水劑為江蘇蘇博特生產(chǎn)的400P聚羧酸系高性能減水劑,白色粉末,減水率>35%。試驗用拌合水為杭州市生活自來水。水泥、粉煤灰和鈣質(zhì)石粉的粒徑分布如圖1所示。

表2 碎石級配Table 2 Particle grading of crushed stone

表3 機制砂級配Table 3 Particle grading of manufactured sand

圖1 水泥、粉煤灰和鈣質(zhì)石粉粒度分布Fig.1 Particle size distributions of cement, fly ash and calcareous stone powder

以坍落度(180±20) mm,工作性良好的C40混凝土為基準(zhǔn)混凝土。保持其他原材料用量不變,鈣質(zhì)石粉部分取代機制砂,取代量分別為0%,3%,5%,7%,10%,15%,研究鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土工作性、力學(xué)性能、干燥收縮和抗氯離子滲透性能的影響。混凝土配合比如表4所示。

表4 混凝土配合比Table 4 Mix proportions of concrete 單位:kg/m3

1.2 試驗方法

1.2.1 工作性

按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)測試混凝土的坍落度和擴展度。

1.2.2 力學(xué)性能

按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)測試混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度,測試齡期為3,7,28,90 d。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,每組3個平行試件。

1.2.3 干燥收縮

在混凝土模具中預(yù)埋測頭,混凝土澆筑到模具中,帶模養(yǎng)護(hù)1 d后拆模,拆模后立即移至干養(yǎng)室((20±2) ℃,(60±5)%恒溫恒濕環(huán)境)。混凝土試件干燥收縮采用數(shù)顯千分表測定,變形數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并記錄至28 d,每隔15 min采集一次變形數(shù)據(jù)。試件尺寸100 mm×100 mm×400 mm,每組2個平行試件。

1.2.4 氯離子滲透性能

采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中的電通量方法評價氯離子滲透性能,測試齡期為28 d,試件尺寸φ100 mm×50 mm,每組3個平行試件。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土工作性的影響

鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土坍落度和擴展度的影響分別如圖2,3所示。由圖2,3可知:隨著鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,機制砂混凝土的坍落度和擴展度均先顯著增大,隨后變化不大。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%提高至5%時,機制砂混凝土的坍落度從165 mm提升至235 mm。隨著鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步提高,機制砂混凝土的坍落度變化不明顯。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時,坍落度為230 mm。鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土擴展度的影響與坍落度基本相同。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,機制砂混凝土的坍落度和擴展度均最高,且黏聚性和保水性良好,工作性最優(yōu)。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)<5%時,石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高能改善機制砂混凝土集料和粉體原材料的級配,填充細(xì)集料間的空隙,更多自由水得以釋放,從而使?jié){體起到更好的潤滑作用,提升機制砂混凝土的流動性[10]。此外,石粉粒徑分布與水泥相近,因此石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高增加了漿體的量,從而提升了混凝土的流動性。隨著鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步提高,潤滑細(xì)粉顆粒的用水量也越大[11-12],機制砂混凝土的坍落度、擴展度未進(jìn)一步提升,其變化不明顯。

圖2 鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土坍落度的影響Fig.2 Influence of calcareous stone powder content on slump of concrete made with manufactured sand

圖3 鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土擴展度的影響Fig.3 Influence of calcareous stone powder content on slump flow of concrete made with manufactured sand

2.2 鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土力學(xué)性能的影響

鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響分別如圖4,5所示。由圖4可知:混凝土各齡期的抗壓強度均隨鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先降低后升高。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,抗壓強度最低,相較于基準(zhǔn)組混凝土,3,7,28,90 d抗壓強度分別降低17.1%,17.8%,27.2%,23.2%。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時,抗壓強度最高,相較于基準(zhǔn)組混凝土,3,7,28,90 d抗壓強度分別提高17.6%,9.1%,2.6%,1.6%。由圖5可知:各齡期機制砂混凝土劈裂抗拉強度隨鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加也呈先降低后升高的趨勢。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,劈裂抗拉強度較低,相較于基準(zhǔn)組混凝土,3,7,28,90 d劈裂抗拉強度分別降低9.4%,4.8%,15.1%,17.2%。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時,劈裂抗拉強度最高,相較于基準(zhǔn)組,3,7,28,90 d劈裂抗拉強度分別提高1.2%,20.6%,1.5%,2.2%。

圖4 鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土抗壓強度的影響Fig.4 Influence of calcareous stone powder content on compressive strength of concrete made with manufactured sand

圖5 鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土 劈裂抗拉強度的影響Fig.5 Influence of calcareous stone powder content on splitting tensile strength of concrete made with manufactured sand

當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(<5%)時,石粉主要起稀釋漿體的作用。鈣質(zhì)石粉的摻入使得水泥漿體變成水泥-石粉漿體,水泥石或界面過渡區(qū)中水泥的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,水化產(chǎn)物減少,砂漿與集料間的黏結(jié)變得薄弱,進(jìn)而對水泥石或界面過渡區(qū)強度的發(fā)展造成不利影響[13],機制砂混凝土強度下降。隨著鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,混凝土孔結(jié)構(gòu)改善,孔隙率下降,孔徑尺寸減小,機制砂混凝土的強度提高[14-16]。董超[14]研究發(fā)現(xiàn):隨著石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從8%提高至12%,混凝土的總孔體積減少約9%;于本田等[15]也發(fā)現(xiàn):當(dāng)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%,8%,12%,16%時,混凝土的孔隙率分別為13.8%,12.6%,12.5%,10.0%,平均孔徑分別為18.1,18.2,17.4,16.7 nm。

2.3 鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土干燥收縮的影響

鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土干燥收縮的影響如圖6所示。圖6(a)為不同鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下,機制砂混凝土干燥收縮隨干燥齡期的發(fā)展規(guī)律;圖6(b)為不同齡期時,鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土干燥收縮的影響。由圖6可知:混凝土干燥收縮主要集中在早期,前14 d機制砂混凝土干燥收縮增長較快,后期逐漸放緩。隨著鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,混凝土的干燥收縮先減小后增大。鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,混凝土的干燥收縮最小,相較于基準(zhǔn)組S0,28 d時混凝土干燥收縮下降9.3%。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(<5%)時,鈣質(zhì)石粉填充了混凝土的孔隙,從而降低了混凝土干燥收縮[17]。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步提高時,石粉增加了漿體總量,粒徑0.075 mm以上集料減少,因此混凝土的干燥收縮呈現(xiàn)上升趨勢。

圖6 鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土干燥收縮的影響Fig.6 Effect of calcareous stone powder content on drying shrinkage of concrete made with manufactured sand

2.4 鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土抗氯離子滲透性能的影響

通過測試機制砂混凝土在不同鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)時電通量的變化來分析石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土抗氯離子滲透性能的影響,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:機制砂混凝土的電通量隨著鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高先減小后增大。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%,5%,7%,10%,15%時,相較于基準(zhǔn)組混凝土,機制砂混凝土電通量分別降低了17.3%,23.2%,24.2%,24.9%,14.0%。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%時,混凝土電通量相差不大,相較于基準(zhǔn)組,機制砂混凝土的抗氯離子滲透能力由中等滲透性提升為低滲透性。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10%時,鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加提升了混凝土的抗氯離子滲透能力。此時,鈣質(zhì)石粉的填充效應(yīng)占主導(dǎo),能有效填充混凝土中的孔隙,減少有害孔的數(shù)量,特別是連通孔隙,進(jìn)而提高混凝土抗氯離子滲透能力[18]。同時,鈣質(zhì)石粉可以細(xì)化混凝土孔結(jié)構(gòu),增加毛細(xì)孔曲折程度,進(jìn)而提高混凝土抗氯離子滲透能力。當(dāng)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)>10%時,石粉的填充效應(yīng)使得混凝土漿體的孔徑尺寸減小,然而同時提高了漿體的量,進(jìn)而造成抗氯離子滲透性能下降[19-21]。周欣竹等[19]通過理論預(yù)測與試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn):當(dāng)水膠比為0.35～0.65,骨料體積分?jǐn)?shù)由0.55增大至0.75時,氯離子擴散系數(shù)均逐漸減小;陳文超[21]的研究綜述也表明:當(dāng)漿體比由0.325提高至0.375時,28 d混凝土氯離子擴散系數(shù)由3.3×10-9cm2/s增大至4.62×10-9cm2/s,即漿體量越多,抗氯離子滲透性能越差。

圖7 鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土電通量的影響Fig.7 Effect of calcareous stone powder content on electric flux of concrete made with manufactured sand

總體而言,當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(<5%)時,隨著石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,石粉主要發(fā)揮填充效應(yīng),自由水得以釋放,因此混凝土流動性提升。孔隙填充后,硬化后混凝土的連通孔隙減少,干燥收縮下降,抗氯離子滲透性能提升。同時鈣質(zhì)石粉的存在起到了稀釋作用,降低了漿體的力學(xué)性能,從而降低了混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時,隨著其值的增加,粒徑0.075 mm以下粉料的增加提高了漿體總量,因此混凝土干燥收縮增大。當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時,其值的增加提高了漿體的量,機制砂混凝土的抗氯離子滲透性能降低。此外,石粉的填充效應(yīng)使得界面過渡區(qū)的孔隙率下降,孔徑尺寸減小,混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度提升。

混凝土強度越高,通常其抗氯離子滲透性能越好,然而筆者研究結(jié)果表明:當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,機制砂混凝土抗壓強度最低,然而其抗氯離子滲透性能反而較優(yōu),原因可能在于鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響。鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高一方面改變了混凝土漿體的孔結(jié)構(gòu),另一方面也改變了混凝土漿體的量。混凝土強度主要取決于混凝土中界面過渡區(qū)的孔結(jié)構(gòu)以及孔隙率,而抗氯離子滲透性能主要取決于混凝土的總孔隙率以及孔的連通性。因此,鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對機制砂混凝土性能影響的微觀機理,特別是針對孔結(jié)構(gòu)的研究有待進(jìn)一步深入。

3 結(jié) 論

通過研究機制砂中鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土工作性、抗壓強度、劈裂抗拉強度、干燥收縮和抗氯離子滲透性能的影響,得出如下結(jié)論:1) 適量的鈣質(zhì)石粉可以明顯改善混凝土的工作性，隨著鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,機制砂混凝土的坍落度、擴展度先顯著增大,后變化不大，當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%時,機制砂混凝土的工作性最佳;2) 隨著鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度先降低后升高，當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度最低，當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時,機制砂混凝土的28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度與基準(zhǔn)組混凝土相當(dāng);3) 機制砂混凝土的干燥收縮隨鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高先減小后增大，當(dāng)鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,混凝土的干燥收縮值最小;4) 適量的鈣質(zhì)石粉提高了混凝土的抗氯離子滲透性能，隨著鈣質(zhì)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,混凝土的電通量先降低后升高，當(dāng)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%時,混凝土的電通量最低。