機制砂摻量對自密實輕骨料混凝土碳化性能的影響機理

張淑云， 陳猛， 楊旭龍， 劉建波， 代慧娟

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 西安 710054)

隨著天然河砂的短缺和國家對環(huán)境保護的重視，機制砂(manufactured sand, MS)已應(yīng)用到許多實際工程中，如東海大橋、三峽大壩、汕揭高速公路等，成為行業(yè)發(fā)展的趨勢[1]。延永東等[2]針對機制砂特性，對機制砂混凝土配合比進行了優(yōu)化設(shè)計。劉慈軍等[3]研究表明，采用機制砂可以配制出工作性能和力學(xué)性能良好的混凝土。張淑云等[4]研究了孔隙特征對機制砂自密實輕骨料混凝土(manufactured sand self-compacting lightweight aggregate concrete, MS-SCLC)力學(xué)性能的影響規(guī)律。已有研究主要集中在機制砂類混凝土配合比設(shè)計、工作性能和力學(xué)性能等方面。而大氣環(huán)境中的二氧化碳容易引起混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生碳化反應(yīng)，降低材料堿度，破壞鋼筋表面的氧化膜，引起鋼筋銹蝕膨脹，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生開裂，降低結(jié)構(gòu)的承載力和使用壽命，影響人們的生命財產(chǎn)安全[5-7]。因此，研究機制砂類混凝土的碳化性能，對于提升混凝土工程可靠性[8]和延長結(jié)構(gòu)使用壽命具有重要意義。

自密實輕骨料混凝土(self-compacting light-aggregate concrete, SCLC)是一種兼具自密實混凝土(self-compacting concrete, SCC)和輕骨料混凝土(lightweight aggregate concrete, LWC)特點的高性能混凝土，具有免振搗特性，可大大提高施工速度和混凝土質(zhì)量，并能減輕構(gòu)件自重，降低結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)，提高抗凍性和抗?jié)B性，具有良好的保溫隔熱及耐久性能[9]。目前，許多學(xué)者對SCLC的碳化性能進行了研究，張向?qū)萚10]對不同齡期砂輕、石輕與混輕自密實混凝土碳化深度進行了研究，發(fā)現(xiàn)混凝土碳化深度主要取決于其骨料和密實度。馬馨鑫等[11]對自密實混合骨料混凝土碳化性能進行了研究。董健苗等[12]研究了纖維種類對SCLC碳化性能的影響，發(fā)現(xiàn)在相同的碳化時間內(nèi)，摻入聚丙烯纖維和劍麻纖維試樣的抗碳化性能更好。目前將機制砂應(yīng)用于SCLC碳化性能的研究并不多見，且大多集中碳化深度的測試，對混凝土碳化后微觀的研究較少。

現(xiàn)將機制砂應(yīng)用于SCLC中，通過制備機制砂摻量為0、30%、60%、80%、100%的SCLC并且設(shè)定機制砂摻量為0、100%的SCC。分別測試經(jīng)歷3、7、14、28 d碳化齡期后各組混凝土的碳化深度，并且通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)揭示碳化反應(yīng)機理，最后建立MS-SCLC碳化深度預(yù)測模型，以期為相關(guān)研究與工程實踐提供借鑒。

1 試驗原材料及配合比

1.1 試驗原材料

水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時間和終凝時間分別為218 min和284 min。其中3 d和28 d的抗壓強度分別為27.8 MPa和49.8 MPa，3 d和28 d的抗折強度分別為5.82 MPa和9.35 MPa；粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，可提升工作性能和后期強度[13]；硅灰采用高活性微硅粉；頁巖陶粒采用碎石型頁巖陶粒，各項物理力學(xué)性能如表1所示；機制砂由花崗巖破碎而成，且粒徑小于4.75 mm，各項物理力學(xué)性能如表2所示；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率達28%。

表1 頁巖陶粒的基本物理力學(xué)性能Table 1 Basic physical and mechanical properties of shale ceramsite

表2 機制砂的物理和力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of manufactured sand

1.2 配合比設(shè)計

在固定砂石體積法和改進的全計算方法基礎(chǔ)上提出全參數(shù)的機制砂自密實輕骨料混凝土(MS-SCLC)配合比計算公式[14]。經(jīng)過多次試配，水膠比為0.37，粗骨料用量系數(shù)為0.51，砂用量系數(shù)為0.41，粉煤灰和硅灰用量分別占膠凝材料的20%和4%。共設(shè)計7組混凝土，5組機制砂摻量為0、30%、60%、80%、100%的SCLC，2組機制砂摻量為0、100%的SCC。配合比如表3所示。

表3 機制砂自密實混凝土配合比Table 3 Mix proportion of self compacting concrete with manufactured sand

2 機制砂自密實輕骨料混凝土基本性能、碳化性能及微觀結(jié)構(gòu)分析

2.1 機制砂自密實輕骨料混凝土基本性能分析

拌制試塊前對頁巖陶粒進行預(yù)濕處理，加入粗骨料、細(xì)骨料、水和減水劑進行攪拌，然后進行J環(huán)試驗和V形漏斗試驗，再次攪拌澆筑，養(yǎng)護成型后烘干測試混凝土的干表觀密度，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)測試立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度，測試結(jié)果如表4所示。

表4 混凝土基本性能測試結(jié)果Table 4 Basic performance test results of concrete

由表4可知，隨著機制砂摻量的增加，SCLC的坍落擴展度呈下降趨勢，當(dāng)機制砂摻量為0時為747 mm，機制砂摻量100%時為642 mm，坍落擴展度下降了14.1%；T500逐漸增大，當(dāng)機制砂摻量為0%時T500=4 s，機制砂摻量30%時沒有變化，機制砂摻量100%時T500=8 s，增大了一倍；J環(huán)試驗PA隨著機制砂摻量增加也逐漸增大，最大增幅達到129%；對照組與試驗組表現(xiàn)出相同的規(guī)律，隨著機制砂摻量增加，工作性能變差，與SCC相比，MS-SCC-100坍落擴展度減小了13.5%，T500和J環(huán)試驗PA分別增加了120.0%和75%。這主要是因為機制砂表面粗糙，棱角尖銳，且含有石粉，因此吸水率比天然河砂高，導(dǎo)致混凝土工作性能變差[15]。

對于干表觀密度，隨著機制砂摻量的增加，SCLC的干表觀密度呈上升趨勢，最大增幅達4.0%，這主要是因為機制砂表觀密度較河砂大，取代了部分河砂導(dǎo)致混凝土干表觀密度增加，但都小于1 950 kg/m3，滿足輕骨料混凝土的要求，對照組因為采用碎石作為粗骨料，干表觀密度分別達到了2 275.9 kg/m3和2 350 kg/m3。

對于抗壓強度和抗拉強度，隨著機制砂摻量的增加，SCLC的抗壓強度和抗拉強度均逐漸提高，相較機制砂摻量為0的SCLC，機制砂摻量100%的SCLC抗壓強度和抗拉強度分別增加6.1%和6.0%，這主要是因為隨著機制砂摻量的增加，石粉含量也相應(yīng)增加，填充了混凝土中的孔隙，密實度提高[16]；其次，所采用的機制砂較為粗糙，具有棱角尖銳、片狀多等特點，與水泥凝膠之間能夠產(chǎn)生較大的機械咬合力，提高了骨料與漿體的黏結(jié)性能，所以宏觀強度提高。對照組中MS-SCC-100的抗壓強度和抗拉強度分別為46.4 MPa和4.18 MPa，相比SCC分別增加了3.6%和4.2%。但是SCC、MS-SCC-100的抗壓強度和抗拉強度均高于SCLC、MS-SCLC-100，主要是因為SCC和MS-SCC-100粗骨料采用碎石，而碎石的筒壓強度遠高于頁巖陶粒。

2.2 機制砂自密實輕骨料混凝土碳化性能分析

2.2.1 混凝土快速碳化試驗方法

根據(jù)《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)進行快速碳化試驗。試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，共7組配合比，每組12個試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護26 d后置于60 ℃烘箱內(nèi)48 h，保留成型時相對表面，其余表面封蠟，并按照10 mm的間距定碳化的測量點。然后放入溫度(20±2) ℃，CO2濃度20%±3%、濕度70%±5%的碳化箱內(nèi)，試塊間距最小50 mm?；炷粮鼾g期碳化深度計算公式為

(1)

綜上所述，七氟烷聯(lián)合丙泊酚麻醉對機體呼吸力學(xué)影響小，并能有效抑制患者術(shù)后炎性反應(yīng)的發(fā)生，控制CRP水平，進而調(diào)節(jié)術(shù)后機體補體水平，且不會產(chǎn)生過度的應(yīng)激反應(yīng)，值得臨床推廣應(yīng)用。

2.2.2 碳化時間對碳化深度的影響分析

不同機制砂摻量下，各組混凝土碳化深度隨碳化時間的變化情況如圖1所示。

圖1 混凝土碳化深度隨時間的變化規(guī)律Fig.1 Variation law of concrete carbonation depth with time

根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn)，不同機制砂摻量下，隨著齡期的增長，混凝土碳化深度不斷增加。分析原因可知，CO2在混凝土中的擴散是一個長期的過程，隨著齡期的增長，擴散至混凝土內(nèi)部的CO2不斷增加，碳化深度不斷加深。但各組混凝土碳化速率在0～3 d最快，在3～14 d相對較小，在14～28 d較為平緩，原因是隨著齡期的延長，水泥不斷發(fā)生水化反應(yīng)，孔隙率降低，結(jié)構(gòu)密實度增加，一定程度避免了CO2滲入混凝土；此外，隨著碳化齡期增長，混凝土中CO2與Ca(OH)2和水化硅酸鈣反應(yīng)形成CaCO3的體積大于反應(yīng)物，堵塞了更多的孔隙，阻礙了CO2的擴散。因此，碳化反應(yīng)速率隨著時間的增加而逐漸降低[17]。

2.2.3 機制砂摻量對碳化深度的影響分析

不同齡期下，各組混凝土碳化深度隨機制砂摻量的變化情況如圖2所示。

圖2 混凝土碳化深度隨機制砂摻量的變化規(guī)律Fig.2 Variation law of random sand content in concrete carbonation depth

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，在不同的碳化齡期下，自密實輕骨料混凝土的碳化深度均隨著機制砂摻量的增加而降低。28 d試驗齡期時，機制砂摻量為0、30%、60%、80%、100%的SCLC碳化深度分別達到10.06、9.33、8.76、8.57、8.03 mm，相較于機制砂摻量為0，摻量為30%、60%、80%、100%的SCLC碳化深度分別減小了7.3%、12.9%、14.8%、20.02%。分析原因認(rèn)為，使用的水洗機制砂石粉含量為3.3%，石粉含量適中且沒有表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)，隨著機制砂摻量增大，石粉含量相應(yīng)增加，它的物理填充效應(yīng)可提高混凝土的密實度，增加毛細(xì)孔的彎曲度，細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，提高硬化漿體和骨料過渡界面區(qū)的密實度，削弱CO2在混凝土孔隙中的滲透性[16]，增強混凝土的碳化性能。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

混凝土中水泥石與骨料之間的界面是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)重要的組成部分，水泥漿在形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面發(fā)生重大變化，使該界面成為混凝土的薄弱區(qū)域，引起CO2在混凝土內(nèi)部更容易擴散，對混凝土的碳化性能有很大的影響。因此，選取SCLC和MS-SCLC-100試樣進行SEM電鏡掃描，試塊經(jīng)抗壓后選擇表面平整的薄片制成5 mm×5 mm的掃描試樣，進行干燥噴金處理，觀察28 d碳化前后過渡界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，揭示碳化反應(yīng)的機理。微觀形貌如圖3、圖4所示。

圖3 SCLC試樣微觀形貌Fig.3 Micro-structure of SCLC

圖4 MS-SCLC-100試樣微觀形貌Fig.4 Micro-structure of MS-SCLC-100

圖3(a)、圖4(a)分別為碳化前SCLC和MS-SCLC-100砂漿-骨料過渡界面區(qū)在電子顯微鏡下放大2 000倍的微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)SCLC砂漿和骨料之間的縫隙明顯大于MS-SCLC-100，這說明SCLC存在更多薄弱的通道，CO2更容易侵入，進一步證實了含機制砂的SCLC土碳化性能更佳，原因是其含有的石粉提高了混凝土的密實性，改善了硬化漿體和界面過渡區(qū)的密實度。

圖3(b)、圖4(b)分別為28 d碳化后SCLC和MS-SCLC-100砂漿-骨料過渡界面區(qū)在電子顯微鏡下放大2000倍的微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)，28 d碳化后，SCLC和MS-SCLC-100中都有結(jié)晶物生成，砂漿和骨料咬合更好，使得混凝土孔隙減少，裂縫變窄，逐漸減少，趨于密實。究其原因是CO2擴散至混凝土內(nèi)部，與Ca(OH)2以及水泥熟料中C3S﹑C2S等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量CaCO3，填充并細(xì)化了大量孔隙，所以CO2的擴散速率減慢[7]，材料密實度增加，宏觀層面上表現(xiàn)為材料抗壓強度的提高，與文獻[21]研究結(jié)論一致。

3 機制砂自密實輕骨料碳化模型

3.1 碳化模型的建立

目前，大量試驗結(jié)果表明混凝土的碳化深度和碳化齡期的平方根呈正比，即

(2)

式(2)中：X為混凝土的碳化深度，mm；k為碳化系數(shù)；t為碳化時間，d。

采用二參數(shù)擬合的方法，建立關(guān)于機制砂摻量的SCLC的碳化深度模型。因為相關(guān)研究研究很少，對0、3、14、28 d的數(shù)據(jù)進行擬合，用7 d的數(shù)據(jù)驗證模型有效性。因此，碳化齡期為7 d，機制砂摻量為0、30%、60%、80%、100%的碳化深度值不參與擬合，擬合結(jié)果如表5所示。根據(jù)擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著機制砂摻量的增加，SCLC的碳化系數(shù)k逐漸減小，說明其碳化性能逐漸提升，對照組中碳化系數(shù)均大于試驗組，說明SCLC的碳化性能優(yōu)于SCC。將表5中碳化系數(shù)與機制砂摻量進行擬合，得到MS-SCLC碳化深度預(yù)測公式，見式(3)。擬合函數(shù)圖像如圖5所示。

(3)

式(3)中：p為機制砂摻量。

表5 各組碳化深度關(guān)于碳化時間的擬合函數(shù)Table 5 Fitting function of carbonization depth with respect to carbonization time

圖5 碳化系數(shù)關(guān)于機制砂摻量的擬合函數(shù)Fig.5 Fitting function of carbonation coefficient with respect to the content of manufactured sand

3.2 碳化模型的驗證

目前，對于MS-SCLC碳化性能的研究并不多見，因此采用7 d的試驗數(shù)據(jù)驗證模型的準(zhǔn)確性，如表6所示?？梢钥闯觯? d的碳化深度與模型計算的碳化深度最大偏差為13.7%，平均偏差為8%，究其原因是影響混凝土碳化性能的因素有很多，同時混凝土在澆筑、養(yǎng)護和測量過程中也會存在誤差，這些都會帶來一定的影響。整體來看，兩者比較接近，保證了該模型的有效性。

表6 碳化7 d混凝土試驗值與計算值的比較Table 6 Comparison between test value and calculated value of carbonated 7 d concrete

4 結(jié)論

(1)隨著齡期的增長，混凝土的碳化深度不斷增加，但前期碳化速率較大，后期相對較小；同齡期條件下，混凝土碳化深度與機制砂摻量呈反比，28 d碳化齡期時，MS-SCLC-100的碳化深度比SCLC減小了20.02%。

(2)通過SEM電鏡掃描，觀察了28 d碳化前后SCLC和MS-SCLC-100過渡界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明MS-SCLC-100的縫隙明顯小于SCLC，證明了機制砂中的石粉可以改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高硬化漿體和界面過渡區(qū)的密實度，削弱CO2在混凝土孔隙中的滲透性，提高混凝土的抗碳化能力；碳化后混凝土的密實度提高。

(3)與對照組相比，試驗組采用的輕骨料在混凝土養(yǎng)護中具有的吸水返水特性能促進礦物摻和料二次水化反應(yīng)，改善骨料水泥石過渡區(qū)界面結(jié)構(gòu)，形成內(nèi)養(yǎng)護機制，抑制CO2的擴散，延緩碳化反應(yīng)速率。

(4)建立了關(guān)于機制砂摻量的SCLC碳化深度模型，該模型與試驗值較吻合，可為相關(guān)工程提供借鑒。但該模型認(rèn)為碳化各影響因素之間相互獨立，故機制砂摻量對SCLC碳化深度的影響還需要進一步研究。