石粉種類及含量對(duì)C60機(jī)制砂混凝土性能的影響

姜同輝,楊雄峰,陽(yáng)佳丁,錢楓華,平 樂(lè),楊騰宇,王 晶,張 營(yíng),冷發(fā)光

(1.廣東佛盈匯建工程管理有限公司,佛山 528051;2.佛山市交通科技有限公司,佛山 528000;3.建研建材有限公司,北京 100013)

0 引 言

目前，由于天然河砂資源的開采受到天然儲(chǔ)備量和相關(guān)政策的限制，機(jī)制砂已成為混凝土材料中細(xì)骨料的環(huán)保經(jīng)濟(jì)來(lái)源，極大地緩解了混凝土生產(chǎn)過(guò)程中河砂供需失衡的矛盾。機(jī)制砂由巖石母體經(jīng)多重破碎、篩分而成，在生產(chǎn)過(guò)程中難免含有大量粒徑較小且礦物組成相同的石粉顆粒(粒徑小于75 μm)。母體巖石的類型和破碎工藝差異往往造成機(jī)制砂中細(xì)顆粒含量波動(dòng)較大，而機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)均存在較大的影響，是機(jī)制砂混凝土研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。

近年來(lái)，隨著對(duì)機(jī)制砂認(rèn)識(shí)的深入，研究人員對(duì)機(jī)制砂石粉對(duì)混凝土性能影響的研究更加聚焦，總體可分為石粉吸附性、機(jī)制砂亞甲藍(lán)值(MBV)和石粉活性等方面，所關(guān)注的對(duì)象逐漸從宏觀性能轉(zhuǎn)向材料微觀結(jié)構(gòu)層面。于本田等[1]從混凝土孔隙結(jié)構(gòu)和微觀樣貌探究了高吸附性花崗斑巖石粉含量對(duì)混凝土和易性和體積穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為花崗斑巖石粉通過(guò)填充和成核效應(yīng)等正面效應(yīng)改善了混凝土性能，但是石粉含量應(yīng)控制在8%以內(nèi)。李北星等[2]通過(guò)總有機(jī)碳(TOC)、Zeta電位和MBV等指標(biāo)分析了花崗巖機(jī)制砂中石粉顆粒對(duì)聚羧酸系減水劑的吸附性能，發(fā)現(xiàn)細(xì)粉中黏土類物質(zhì)含量不同是造成石粉對(duì)減水劑分子吸附性能出現(xiàn)差異的主要原因。孫輝等[3]從孔隙結(jié)構(gòu)演變規(guī)律角度探討了機(jī)制砂MB值對(duì)混凝土抗碳化性能的影響。李家和等[4]將機(jī)制砂中超過(guò)5%部分的石粉視為礦物摻合料，對(duì)膠凝材料總量和水膠比進(jìn)行計(jì)算，探討了高石粉含量機(jī)制砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法。

事實(shí)上，當(dāng)前研究主要集中于C60以下強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，關(guān)于石粉含量及種類對(duì)C60機(jī)制砂混凝土影響的研究較少，關(guān)于其影響機(jī)理的研究更少。同時(shí)，考慮到機(jī)制砂中石粉種類不同，其含量的變化對(duì)細(xì)骨料的比表面積、分散程度，以及C60機(jī)制砂混凝土的和易性、力學(xué)性能和耐久性的影響程度不同，因此對(duì)于不同種類及含量機(jī)制砂在C60混凝土中的應(yīng)用需要展開系統(tǒng)的研究。

本文采用含不同砂粉比的花崗巖機(jī)制砂和石灰?guī)r機(jī)制砂制備C60混凝土，探明砂粉比參數(shù)及石粉種類對(duì)混凝土和易性、抗壓強(qiáng)度、干燥收縮變形以及抗氯離子滲透性的影響，并通過(guò)對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的分析總結(jié)其作用規(guī)律，為推進(jìn)機(jī)制砂在C60混凝土中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

使用金隅牌P·O 42.5水泥。礦物摻合料使用F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，燒失量為3.25%，需水比為95%，45 μm篩余率為29.8%。粗骨料使用玄武巖5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)骨料使用細(xì)度模數(shù)為2.7的石灰?guī)r機(jī)制砂和花崗巖機(jī)制砂。配制混凝土拌合物前，將細(xì)骨料中75 μm以下顆粒篩出備用。減水劑使用江蘇蘇博特新材料股份有限公司銷售的聚羧酸高性能減水劑，減水率為 26%。

1.2 配合比

混凝土拌合物配合比如表1所示。水膠比為0.30，通過(guò)控制機(jī)制砂中石粉質(zhì)量占比分別為0%、5%、10%、15%、20%來(lái)調(diào)整細(xì)骨料的砂粉比(細(xì)骨料中0.075～4.75 mm顆粒與0.075 μm以下顆粒的質(zhì)量比)。以同等坍落度原則控制不同配合比的減水劑用量。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete

1.3 試驗(yàn)方法

遵循《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50080—2016對(duì)新拌混凝土坍落度、擴(kuò)展度和倒置坍落度筒排空時(shí)間(倒筒時(shí)間)進(jìn)行試驗(yàn)。依照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081—2019對(duì)硬化混凝土的抗壓強(qiáng)度(7 d、28 d、90 d)進(jìn)行測(cè)試。依照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082—2009 對(duì)混凝土干燥收縮率(3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d)和電通量(56 d)進(jìn)行測(cè)試。采用掃描電子顯微鏡(FEI QUANTA 200FEG,SEM)觀察分析不同砂粉比混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后的新鮮斷面微觀結(jié)構(gòu)。混凝土的新鮮斷面樣品被采集后，迅速放入無(wú)水乙醇中浸泡24 h以終止水化進(jìn)程，然后被轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中于65 ℃干燥48 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 新拌性能

表2為不同砂粉比對(duì)混凝土新拌性能影響的測(cè)試結(jié)果。結(jié)合表1和表2可知，在坍落度接近前提下，砂粉比降低導(dǎo)致混凝土減水劑用量增大。隨著砂粉比下降，S組初始擴(kuò)展度和倒筒時(shí)間均先增大后下降，H組均先降低后增大；S1～S5樣品的30 min擴(kuò)展度先增大后降低，H組的30 min擴(kuò)展度均為200 mm，已完全失去流動(dòng)性。S1和H1組石粉含量為0%，雖然減水劑用量最低，但是拌合物和易性差，出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。隨著石粉含量增大，S組和H組拌合物黏聚性和保水性得到改善，S3和H3混凝土和易性最優(yōu)。進(jìn)一步降低砂粉比時(shí)，混凝土黏聚性提高，減水劑用量增大，混凝土擴(kuò)展度下降，倒筒時(shí)間延長(zhǎng)。

表2 混凝土新拌性能Table 2 Fresh mixing performance of concrete

上述現(xiàn)象可從骨料顆粒級(jí)配和巖石粉吸水特性兩方面進(jìn)行闡述。與機(jī)制砂粗顆粒相比，石粉粒徑較小，可以填充機(jī)制砂粗顆粒之間的空隙，改善機(jī)制砂的顆粒級(jí)配，改善拌合物的流動(dòng)性。同時(shí)石粉含量增加(即砂粉比下降)可提高機(jī)制砂的比表面積。機(jī)制砂需要吸收更多水分才能潤(rùn)濕石粉顆粒表面形成水膜[5]，造成混凝土需水量增大，黏聚性和保水性提高，抑制離析和泌水現(xiàn)象，如S2、S3和H2、H3。若進(jìn)一步降低砂粉比，機(jī)制砂粗顆粒含量偏低，石粉顆粒的填充效應(yīng)趨于飽和，拌合物需水量過(guò)高，減水劑用量增大，如S5和H5。另一方面，不同巖性機(jī)制砂石粉對(duì)水分和外加劑分子的吸附性能也存在差異，有研究[6]表明，采用聚羧酸系減水劑制備膠砂時(shí)，石灰石粉-水泥膠砂流動(dòng)度比為97%，花崗巖石粉-水泥膠砂流動(dòng)度比為79%。因此，當(dāng)石粉含量增大時(shí)，為維持相同坍落度，H組減水劑用量較S組顯著增大。總體而言，適當(dāng)降低砂粉比有利于改善C60機(jī)制砂混凝土和易性，但是超過(guò)臨界值將提高減水劑用量。

2.2 抗壓強(qiáng)度

圖1為混凝土抗壓強(qiáng)度。圖1表明，由于S1和H1機(jī)制砂中不含石粉，混凝土骨料體系級(jí)配不佳，拌合物硬化后強(qiáng)度較低。隨著砂粉比下降，S組和H組混凝土強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯提高。若砂粉比低于臨界值(砂粉比為9，對(duì)應(yīng)10%石粉含量)，混凝土強(qiáng)度隨砂粉比降低而下降，與現(xiàn)有研究吻合[7-8]。這是因?yàn)檫m量機(jī)制砂粗顆粒被置換成石粉而帶來(lái)的填充效應(yīng)改善了骨料體系的顆粒級(jí)配，其成核效應(yīng)則促進(jìn)了膠凝材料的水化進(jìn)程，有利于生成更多水化產(chǎn)物，共同提高了混凝土的密實(shí)程度，增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度。然而，當(dāng)砂粉比進(jìn)一步降低(如S4、S5和H4、H5)，一方面，石粉顆粒填充、成核效應(yīng)仍發(fā)揮正面作用，有利于提高混凝土強(qiáng)度；但另一方面，過(guò)多的石粉含量破壞了機(jī)制砂各粒徑的緊密堆積狀態(tài)[9-10]，粗顆粒之間充滿石粉顆粒而無(wú)法形成荷載傳遞接觸位點(diǎn)，不利于混凝土承受更高的負(fù)載作用力。此外，石粉顆粒作為惰性組分，在膠凝材料水化過(guò)程中幾乎不發(fā)生水化反應(yīng)，其與膠凝材料之間的界面過(guò)渡區(qū)屬于受力薄弱位點(diǎn)，導(dǎo)致混凝土界面缺陷增多，強(qiáng)度有所下降[9,11]。最后，從圖1還可發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期可有效補(bǔ)償砂粉比過(guò)低對(duì)抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響。總體而言，在一定范圍內(nèi)引入石粉以降低砂粉比有利于提高混凝土抗壓強(qiáng)度，但超過(guò)臨界值將帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of concrete

2.3 干燥收縮

不同砂粉比條件下混凝土干燥收縮變形曲線如圖2所示。首先，即使機(jī)制砂巖性不同，S組和H組混凝土干燥收縮變形發(fā)展規(guī)律仍基本一致，早齡期3～7 d內(nèi)干縮變形快速發(fā)展，此后收縮速率有所趨緩，但保持持續(xù)增加狀態(tài)。當(dāng)砂粉比下降時(shí)，混凝土干縮變形率隨之下降，例如齡期達(dá)到90 d時(shí)，S5和H5組干縮率分別為482%和472%，分別比S1和H1降低6.9個(gè)百分點(diǎn)和9.8個(gè)百分點(diǎn)。毛永琳等[12]發(fā)現(xiàn)使用石粉取代20%膠凝材料可使混凝土28 d干燥收縮率降低18個(gè)百分點(diǎn)，外摻33%石粉可以降低干燥收縮率12個(gè)百分點(diǎn)。何濤等[13]也發(fā)現(xiàn)石粉抑制混凝土干燥收縮變形的現(xiàn)象。石粉通常被歸類為惰性材料，彈性模量高，幾乎不參與膠凝材料的水化進(jìn)程。當(dāng)機(jī)制砂粗顆粒被石粉取代時(shí)，細(xì)骨料體系比表面積提高，其中石粉顆粒可以填充膠凝材料漿體內(nèi)部的空隙，促使細(xì)骨料在膠凝材料漿體中的分散更加均勻，強(qiáng)化細(xì)骨料的剛性骨架效應(yīng)，更有利于發(fā)揮機(jī)制砂抵抗、限制水泥收縮的正面作用；其次，石粉顆粒在拌和過(guò)程中吸收了部分拌合水以潤(rùn)濕自身表面，形成水膜，間接造成膠凝材料實(shí)際水膠比降低，形成了更加緊密的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。另外，從上文中對(duì)強(qiáng)度變化規(guī)律的分析可知，機(jī)制砂的砂粉比降低時(shí)，混凝土形成了更加緊密的顆粒堆積結(jié)構(gòu)，毛細(xì)孔體系致密化，強(qiáng)度得以增強(qiáng)，同時(shí)自由水分往外界蒸發(fā)的路徑阻礙增多，干燥收縮變形因而下降。因此，降低C60機(jī)制砂混凝土的砂粉比在一定程度上有利于降低混凝土的干燥收縮變形。

圖2 不同砂粉比條件下混凝土干燥收縮變形曲線Fig.2 Drying shrinkage deformation curves of concrete under different sand-powder ratios

2.4 電通量

混凝土電通量測(cè)試結(jié)果如圖3所示。不同混凝土的56 d抗氯離子滲透性能均屬于低滲透性水平[1]。與0%石粉含量的基準(zhǔn)組相比，S2～S5和H2～H5組電通量值均下降。但是隨著砂粉比持續(xù)增大，混凝土電通量出現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象，這一研究與其他文獻(xiàn)[1]相同。混凝土孔結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果如表3所示。與0%石粉含量的基準(zhǔn)組相比，S2～S5和H2～H5組總孔隙率和平均孔徑均出現(xiàn)下降。眾多研究學(xué)者[14-18]研究發(fā)現(xiàn)，提高花崗巖機(jī)制砂石粉含量會(huì)使高強(qiáng)混凝土抗氯離子滲透性不斷降低，在混凝土中適當(dāng)摻加石粉可以增強(qiáng)界面力學(xué)性能，改善水泥石孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土致密程度，但是大摻量石粉取代細(xì)骨料將削弱混凝土骨架，骨料體系對(duì)氯離子滲透通道的阻礙作用降低，導(dǎo)致電通量上升，大摻量使用石粉對(duì)混凝土抗氯離子滲透性不利，其機(jī)理除了與密實(shí)度有關(guān)以外，還與石粉顆粒表面電荷量有關(guān)。

圖3 混凝土電通量Fig.3 Electric flux of concrete

圖3和表3表明，當(dāng)砂粉比不低于9(石粉含量為10%)時(shí)，石粉的填充、成核效應(yīng)對(duì)混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)有一定正面作用，有利于提高混凝土密實(shí)程度，改善混凝土抗氯離子滲透性。于本田等[1]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石粉含量不超過(guò)8%時(shí)，隨著石粉含量增大，混凝土孔隙率下降，最可幾孔徑從26.0 nm降低至18.2 nm，直徑大于20 nm的毛細(xì)孔體積明顯降低。若石粉含量繼續(xù)增多，石粉的填充效應(yīng)趨于飽和，剩余的石粉顆粒游離分散在骨料界面處，削弱骨料與膠凝材料漿體之間的黏結(jié)性能，或者稀釋膠凝材料中單位體積內(nèi)水泥漿體含量，使界面面積增大，微小孔體積上升。換言之，石粉顆粒的稀釋、游離作用增加了混凝土中毛細(xì)孔連通程度，降低混凝土抗氯離子滲透性。此外，S組電通量低于H組電通量，這可能是因?yàn)镾組的總孔隙率和平均孔徑低于H組，石灰?guī)r石粉顆粒在孔溶液中溶解出Ca2+后，顆粒表面產(chǎn)生負(fù)電荷，阻擋了氯離子傳輸，進(jìn)而降低電通量[18]。

表3 混凝土的孔結(jié)構(gòu)Table 3 Pore structure of concrete

2.5 微觀樣貌

圖4～圖6為不同砂粉比C60石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d測(cè)試獲得的SEM照片。C60花崗巖機(jī)制砂混凝土微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果與C60石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土接近，故不作展示。觀察圖4可發(fā)現(xiàn)，S1組樣品存在較多孔隙，孔徑粗大，孔隙內(nèi)部水化產(chǎn)物稀疏，粉煤灰顆粒表面光潔無(wú)褶皺，尚未形成緊密搭接的水化產(chǎn)物網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度和耐久性能不佳。

圖4 S1混凝土水化28 d后的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of S1 concrete after hydration 28 d

如圖5所示，若將部分機(jī)制砂粗顆粒置換為石粉，形成較低砂粉比狀態(tài)時(shí)，粉煤灰表面因發(fā)生二次水化反應(yīng)而被侵蝕形成粗糙樣貌，水化產(chǎn)物緊密結(jié)合，水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠呈現(xiàn)出扭曲片箔狀，鈣礬石從細(xì)小針狀發(fā)展成短粗、扭絞狀，并與C-S-H凝膠相互搭接而形成致密的無(wú)孔洞結(jié)構(gòu)。如圖5(a)所示，在高放大倍數(shù)下可發(fā)現(xiàn)水泥水化產(chǎn)物形態(tài)良好，幾乎不存在微小孔隙。分析可知，微小的石粉顆粒通過(guò)填充作用改善了混凝土的細(xì)骨料乃至粉體材料的顆粒級(jí)配體系，使混凝土更加密實(shí)。另外，石粉的成核效應(yīng)也有可能是混凝土漿骨界面致密性增加的原因[19-21]。研究[22]表明，摻入5%超細(xì)石灰石粉后，水泥熟料礦物水化反應(yīng)表觀活化能從49 kJ/mol降低至14 kJ/mol，意味著水泥水化被加速，有利于水化產(chǎn)物結(jié)晶析出。與S1組相比，S3組抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性顯著增強(qiáng)。

圖5 S3混凝土水化28 d后的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of S3 concrete after hydration 28 d

當(dāng)砂粉比進(jìn)一步降低時(shí)，C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物的含量仍繼續(xù)升高，但結(jié)晶狀態(tài)較差，以團(tuán)簇狀顆粒分散存在，空間網(wǎng)狀完整性較低，如圖6(a)、(b)所示。圖6中還可發(fā)現(xiàn)游離狀的石粉微小顆粒和明顯的貫通微裂縫。分析可知，S5中砂粉比過(guò)低，石粉在拌合物體系中的填充作用已經(jīng)接近飽和，剩余的石粉顆粒以游離狀態(tài)分散在粉體材料或骨料界面過(guò)渡區(qū)中，阻礙水化產(chǎn)物晶體的生長(zhǎng)和相互搭接，不利于水化產(chǎn)物形成黏結(jié)密實(shí)的空間立體結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致界面出現(xiàn)較多微小裂縫，削弱混凝土的抗壓強(qiáng)度和耐久性。與S3組相比，S5組抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性有所降低。

圖6 S5混凝土水化28 d后的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of S5 concrete after hydration 28 d

3 結(jié) 論

(1)將機(jī)制砂中的砂粉比控制在一定范圍內(nèi)有利于提高混凝土的和易性。砂粉比低于一定值后混凝土需水量增大，流動(dòng)性降低，需要消耗更多減水劑。

(2)隨砂粉比降低，混凝土抗壓強(qiáng)度先增大后降低；干燥收縮變形發(fā)展模式幾乎不發(fā)生變化，但90 d收縮率有所降低；56 d電通量先減小后增大，但均處于低滲透性范圍。綜合而言，C60機(jī)制砂混凝土砂粉比應(yīng)不低于9。

(3)機(jī)制砂中砂粉比降低意味著一部分細(xì)骨料的粗顆粒被粉體取代，整體比表面積明顯升高，在混凝土中的分散程度更高，所發(fā)揮的填充效應(yīng)更為顯著，更有利于改善混凝土細(xì)骨料乃至粉體材料的顆粒級(jí)配，促進(jìn)水泥礦物水化，形成更加致密的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能和耐久性。若砂粉比過(guò)低，石粉的填充效應(yīng)趨于飽和，多余石粉顆粒以游離狀態(tài)分散于水泥石和界面處，形成較多微觀缺陷，降低混凝土性能。