復摻高性能礦粉對高強機制砂混凝土力學性能的影響

郝卓佳 張永亮

(1.柳州鐵道職業技術學院建筑技術學院,廣西 柳州 545616;2.蘭州交通大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730070)

隨著我國的基礎設施建設規模日益擴大,對天然砂的需求也與日俱增,不可避免地導致了天然砂資源的急劇減少和短缺[1-2]。作為天然砂的主要替代材料,機制砂已被廣泛用于混凝土體系中[1-5]。機制砂是指使用制砂機和其他輔助設備加工的砂,最終成品比較均勻,可以加工成各種所需粒徑的砂從而適應不同工藝的需要。與天然砂相比,機制砂的顆粒表面不均勻,棱角較多[6],這也是其與表面較為光滑規則的天然砂的最主要區別。機制砂不規則的表面形態,會導致其具有更大的比表面積從而需要更多體積的漿體來包裹,從而影響其早期和易性以及容易泌水。機制砂混凝土的力學性能的影響因素眾多,包括石粉含量、砂率和級配等。與天然砂相同,不同粒徑分布的機制砂會顯著影響混凝土骨料的密實填充狀態,從而影響混凝土的力學強度[7-9]。與此同時,有研究表明,較高含量的石粉不利于混凝土強度的發展,并且還會導致機制砂的級配不良從而降低混凝土體系的和易性[10-11]。因此目前的現行標準仍然對石粉含量有嚴格的限制。

高強混凝土材料致密且堅硬,抗滲透和抗碳化性優良,具有高強度和高耐久等特性[12-14]。目前,高強混凝土除了應用在高層建筑和大跨度橋梁等工程以外,還可被應用在海洋等對耐海水侵蝕和沖刷能力要求較高的領域。由于其更為廣泛的工程應用范圍和前景,高強混凝土仍是目前混凝土行業具有發展前景的方向。與此同時,由于水泥的生產需要消耗大量能源以及排放二氧化碳,礦物摻合料作為局部代替水泥用量的組分被越來越廣泛地應用在膠凝材料中,因此它們也可被稱為替代膠凝材料[15-17]。礦粉、粉煤灰和偏高嶺土是目前較為常見的礦物摻合料,其中礦渣粉是煉鐵工業的廢料,以玻璃質為主且具有火山灰特性。相關研究表明:摻入礦渣可增加混凝土的氯離子滲透性和水泥漿體在新拌階段的流動性[18-19]。由此可見,礦粉已經成為配制大多數混凝土常用的礦物摻合料。綜上所述,將機制砂和高性能礦粉引入混凝土體系中能夠在達到天然砂所對應混凝土強度的前提下,進一步節省混凝土材料成本、能源消耗和碳排放。本研究分別從坍落度和擴展度、抗壓強度和抗折強度、彈性模量和氯離子遷移系數等方面分析了高性能礦粉對高強機制砂混凝土力學特性的影響,為優化機制砂混凝土性能提供理論和試驗參考。

1 試 驗

1.1 原材料及配合比

采用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥作為主要膠凝材料,復摻的高性能高爐礦渣為S95 級。其中,水泥和礦渣的密度和比表面積分別為3.11 g/cm3、341 m2/kg 和2.97 g/cm3、408 m2/kg。水泥和礦粉的化學組成見表1。采用聚羧酸減水劑來分散水泥漿體中的絮凝結構以改善其流動性,其減水率為22.7%。本研究采用的機制砂和碎石母巖均為玄武巖,其主要指標分別見表2 和表3。

表1 水泥和高性能礦渣粉化學組成Table 1 Chemical composition of cement and high performance slag powder %

表2 機制砂的主要指標Table 2 Main indicators of machine-made sand

表3 碎石的主要指標Table 3 Main indicators of crushed stone

本研究的5 組配合比見表4,從C1到C5依次為每組混凝土試樣進行編號。本研究C80 高強混凝土膠凝材料用量根據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55—2011)確定為500 kg/m3,高性能礦粉摻量為0～25%,水膠比恒定為0.3,砂率為40%,減水劑根據調整后確定其摻量為6%。

表4 機制砂混凝土配合比Table 4 Manufactured sand concrete mix ratio kg/m3

1.2 試驗方法

(1)坍落度和擴展度。坍落度和擴展度均按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)進行測試。在進行坍落度試驗之前,將坍落度筒置于板的中心,并用濕布濕潤內壁。用雙腳踩下坍落度筒底部的腳踏板,防止其在緩慢將混凝土倒入筒內過程中產生滑動。坍落度測量方法為:混凝土在坍落度圓筒靜置1 min 后,垂直提升坍落度圓筒,并記錄混凝土頂部和底部之間下落高度的差異。擴展度則為混凝土停止流動后的最大擴展直徑。

(2)力學性能。混凝土的抗壓強度和抗折強度分別采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 和100 mm×100 mm×400 mm 的試塊測試。當混凝土澆筑完畢后,立即將其放入標準養護室進行養護1 d,然后拆模繼續標養至指定齡期。力學性能測試按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行。

(3)彈性模量。本研究彈性模量測試采用尺寸為100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱體試件,所用儀器設備為TM-2 型混凝土彈性模量測定儀。其千分表量程為0～1 mm,上下環中心距為150 mm,下環離底部為75 mm。

(4)抗氯離子滲透。抗氯離子滲透試驗基于《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)進行,采用快速氯離子遷移系數法(RCM)來測試。試件尺寸為?50 mm×100 mm 圓柱體。試驗前,將所有試件利用真空飽水試驗機飽水18 h 后,用紙擦拭表面水分,在壓力機上軸向劈裂成兩個試塊并在斷面處涂0.1 mol/L 的AgNO3溶液,15 min 后可測量顯色的分界線。氯離子滲透系數計算公式為

式中,U為所用電壓絕對值,V;T為陽極溶液初始溫度和最終溫度平均值,℃;L為試樣厚度,mm;Xd為滲透深度平均值,mm;t為試驗持續時間,h。

2 試驗結果

2.1 坍落度和擴展度

機制砂混凝土在摻入不同高性能礦粉后的坍落度和擴展度變化特征如圖1 所示。由于擴展度是在提起坍落度筒后任混凝土自然流淌至靜止時所測得的擴展直徑,根據這一過程的特點,可以認為坍落度和擴展度兩個參數更多地與屈服應力相關,即混凝土介于流態和靜止狀態之間的應力值。由圖1 可知:5組混凝土試樣的坍落度為180～215 mm,擴展度為370～415 mm。當機制砂混凝土體系中不含礦粉時,坍落度和擴展度值均為5 組混凝土試樣中最低,為180 mm 和370 mm。隨著礦粉摻量增大,坍落度和擴展度均表現為逐漸增大趨勢,其中當礦粉摻量從10%增加至15%時,坍落度由188 mm 增加至215 mm,擴展度由392 mm 增大為415 mm,兩者增幅均較為顯著。隨著礦渣含量升高,坍落度和擴展度都略有減小。已有研究表明[20]:礦粉等礦物摻合料的摻入會使得混凝土流動性逐漸增大。礦粉的摻入降低了漿料的需水量,并且與粉煤灰相似,在水泥顆粒體系中可以起到潤滑作用。在以上因素作用下,礦粉提高了機制砂混凝土的坍落度和擴展度。

圖1 高強機制砂混凝土的坍落度和擴展度Fig.1 Slump and expansion of high-strength manufactured sand concrete

2.2 力學性能

不同礦粉摻量混凝土試件在不同齡期下(3、7、28 d)的抗壓強度變化如圖2 所示。由圖2 可知:各組混凝土的早期強度(3 d)均可以達到28 d 強度的1/2 以上。養護3 d 后,抗壓強度隨著礦粉摻量的增加而下降,但幅度不顯著。其中,礦粉摻量在5%以內,各齡期的抗壓強度近似相同;當礦粉摻量超過10%時,機制砂混凝土3 d 抗壓強度則有所降低。然而,礦粉摻量對混凝土28 d 齡期抗壓強度的影響很小,不摻入礦粉和摻20%礦粉的混凝土28 d 抗壓強度分別為87.4 MPa 和87.1 MPa。這說明礦粉的摻入可能會導致混凝土早期強度有所降低,然而對于后期強度,則沒有顯著影響。在水泥體系中摻入礦粉后,礦粉由于其火山灰活性會與水泥一同發生水化反應生成C—S—H 凝膠[21]。相關研究表明:礦粉的摻入會使得膠凝體系的早期水化速率有所降低,從而減小早期水化產物的成核和生長[22]。更低的水化產物生長速率會導致強度有所降低,這也體現在圖2 中3 d 強度隨著礦粉摻量增加而降低的變化趨勢中。

圖2 礦粉摻量對混凝土抗壓強度的影響Fig.2 Effect of mineral powder content on compressive strength of concrete

機制砂混凝土的抗折強度隨養護時間和礦粉質量分數的變化特征如圖3 所示。礦粉除了對混凝土抗壓強度有影響外,還對混凝土的早期和硬化后抗折強度有影響。在3 d 時,礦粉摻量為10%以內,抗折強度幾乎沒有顯著變化,范圍穩定于4.3～4.7 MPa。當礦粉摻量由10%增至15%時,抗壓強度則由3.2 MPa 下降至2.9 MPa。對于28 d 抗壓強度,礦粉摻量從5%增加到10%強度下降最為顯著,由6.8 MPa降至6.1 MPa。由此可見,礦粉摻量的增加使得早期和后期抗折強度均呈現一定的下降趨勢。

圖3 礦粉摻量對混凝土抗折強度的影響Fig.3 Effect of slag content on flexural strength of concrete

2.3 彈性模量

彈性模量是混凝土材料的重要指標參數,能夠表征材料在承受應力狀態時的變形特性,準確測量彈性模量能夠對構件受力產生的形變進行進一步量化[23-26]。強度等級C80 混凝土摻入高性能礦粉對機制砂混凝土彈性模量的影響如圖4 所示。由圖4 可知:當礦粉摻量控制在5%以內,彈性模量處于較高水平,其中摻量為5%的彈性模量最高為4.13×104MPa。當礦粉摻量大于10%時,彈性模量隨著礦粉摻量的增加有所減小,礦粉摻量由5%增至10%的彈性模量減小幅度最為顯著,由4.13×104MPa 降至4.01×104MPa,下降幅度為3%。礦粉摻量為20%所對應的機制砂混凝土彈性模量最低為3.93×104MPa。

圖4 礦粉摻量對混凝土彈性模量的影響Fig.4 Effect of mineral powder content on the elastic modulusofconcrete

2.4 抗氯離子滲透

目前,絕大多數混凝土結構為鋼筋混凝土復合結構,然而鋼筋的銹蝕是該復合結構的重要影響因素,也是結構破壞的主要原因。氯離子對鋼筋的銹蝕會起到顯著的加速作用,因此研究混凝土氯離子滲透性能對于鋼筋混凝土結構尤為重要。有研究表明,氯離子在混凝土結構中的滲透是綜合作用下的結果,包括滲透作用、擴散作用、毛細孔作用和電化學作用等。不同配合比機制砂混凝土的氯離子遷移系數隨礦粉摻量的變化特征如圖5 所示。每組配比試驗重復進行3 次以確保試驗結果準確性,并求取3 次試驗結果的平均值。由圖5 可知:雖然3 次氯離子遷移系數的平均值存在一定波動,但范圍較小均處于可控范圍內。對于3 組系數的平均值,隨著礦粉質量分數的增大,氯離子遷移系數有所降低。當礦粉摻量為20%時,氯離子遷移系數最小為3.93×10-12m2/s。

圖5 礦粉摻量對氯離子遷移系數的影響Fig.5 Effect of mineral powder dosage on chloride ion mobility coefficient

3 討論

由上述試驗結果可知,在一定摻量以內礦粉的摻入能夠使得體系坍落度和擴展度均增大,即宏觀上表現為體系流動度增大。此外,混凝土早期抗壓強度雖然隨著礦粉摻量增加有所下降,后期抗壓強度則無顯著差異。水泥—礦粉體系在早期水化速率相對于純水泥較慢,反應程度較低。由于水泥中的C3S 和C3A在4 種熟料中水化速率較快,因此它們的水化也會對混凝土早期流動度產生較大影響[15]。高性能礦粉的摻入使得這兩種礦物含量有所降低,減緩了體系水化速率和主要水化產物鈣礬石和C—S—H 凝膠的生成,因而導致混凝土流動度增大以及早期力學性能降低[20]。然而,隨著養護時間延長,礦粉的火山灰活性在體系的高堿性環境中逐漸得到激發,使得后期抗壓強度能夠與純水泥混凝土相當。

4 結論

(1)當礦粉摻量為0～20%,隨著礦粉摻量增加,高強機制砂混凝土的坍落度和擴展度均呈增大趨勢。當礦粉質量分數由10%增至15%時,坍落度由188 mm 增加至215 mm,擴展度則由392 mm 增大為415 mm,兩者增幅均較為顯著。

(2)礦粉摻量為0～20%時,機制砂混凝土的早期力學性能(抗壓強度和抗折強度)均隨摻量的增加有所下降。在28 d 齡期時,混凝土抗折強度表現為下降趨勢,然而不同配合比混凝土抗壓強度的差異則較小。

(3)當礦粉摻量控制在5%以內,彈性模量在5組配合比試驗中處于較高水平;摻量為5%的彈性模量最高為4.13×104MPa;當礦粉摻量超過10%后,彈性模量顯著下降。

(4)5 組配合比試驗均表現出良好的抗氯離子滲透性,其中各組配合比混凝土氯離子遷移系數3 次重復試驗的平均值隨著礦粉摻量增加而有所降低。