混合砂對混凝土力學(xué)性能及孔隙結(jié)構(gòu)的影響

黃維蓉,晏茂豪,仝 贊,何越驍,王 嬌,陳 行

(1.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074;3.江蘇交科交通設(shè)計研究院有限公司,江蘇 淮安 223001)

混凝土作為一種路面材料[1],廣泛應(yīng)用于道路路面層和水穩(wěn)層。作為混凝土原材料之一的天然砂資源逐漸匱乏、不可再生,導(dǎo)致其價格飛速上漲,而過度開采天然砂,則會嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境,影響工程進(jìn)展。國內(nèi)外專家認(rèn)為可采用部分機(jī)制砂來取代天然砂,這不僅能在一定程度上降低材料成本,同時也有利于緩解天然砂短缺的問題[2]?？捉Y(jié)構(gòu)包括孔徑尺寸、孔徑分布、孔隙率等,作為混凝土的重要組成部分,孔結(jié)構(gòu)對混凝土力學(xué)性能及耐久性能有很大影響[3-4]。機(jī)制砂石粉能有效加強(qiáng)混凝土的內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu),起到填充潤滑作用,可有效降低混凝土孔隙度,使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí),從而提高混凝土強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)參數(shù),改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)[5-6]。李洋等[7]的試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)機(jī)制砂取代率從0、20%、40%、60%、80%、100%遞增時,石粉在混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)中的作用由強(qiáng)到弱,在40%時達(dá)最佳,之后骨料附近化學(xué)結(jié)合水逐漸減少,不利于混凝土的強(qiáng)度及抗?jié)B透性能,會降低混凝土的力學(xué)和耐久性能[8-9];閆光明等[10]認(rèn)為:機(jī)制砂石粉可以填充混凝土中的空隙,砂石界面過渡區(qū)與水泥漿體相互結(jié)合,能改善混凝土的強(qiáng)度及彈性模量;楊健輝等[11]認(rèn)為:孔隙率對混凝土宏觀性能有極大影響,且混凝土強(qiáng)度隨孔隙率的增大而減小,不同的孔徑分布對混凝土強(qiáng)度影響也不同[12]。

基于此,筆者對3種不同細(xì)集料所配置的C45水泥混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響規(guī)律進(jìn)行了研究,探討了混合砂在混凝土中的適用性,為工程建設(shè)中的混合砂混凝土使用提供相關(guān)的理論指導(dǎo)。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,28 d齡期的抗壓強(qiáng)度為44.1 MPa、抗折強(qiáng)度為6.8 MPa;細(xì)集料為天然砂、機(jī)制砂、混合砂,天然砂含泥量為1.6%、細(xì)度模數(shù)為2.80,機(jī)制砂含粉量為2.2%,細(xì)度模數(shù)為2.86,混合砂為機(jī)制砂∶天然砂=1∶1;粗集料選擇4.75～9.5 mm、9.5～19 mm兩檔粒徑碎石,根據(jù)堆積密度確定的最佳混合比例為2∶8,堆積密度為1 610 kg/m3;減水劑為聚羧酸高性能減水劑,減水率為30%;試驗(yàn)用水為自來水。

1.2 試驗(yàn)配合比方案

筆者以C45水泥混凝土為研究對象,坍落度要求為180～220 mm。設(shè)計了天然砂混凝土、機(jī)制砂混凝土、混合砂混凝土3種試驗(yàn)樣品(分別用A、B、C代替),經(jīng)試拌調(diào)整后的C45混凝土配合比如表1。

表1 混凝土配合比

當(dāng)達(dá)到設(shè)計坍落度時,這3種不同細(xì)集料混凝土的水膠比相同但單位用水量不同。天然砂表面光滑,能填充在集料縫隙之間,其良好的級配容易與水泥和碎石拌合,故所需單位用水量較少;機(jī)制砂表面粗糙、棱角多,級配不佳、摩阻力大,石粉含量多,包裹所需水泥漿多,混凝土拌合物單位用水增多;天然砂和機(jī)制砂各50%時,石粉含量較低,起到的潤滑作用能很好改善級配,提高流動性,相較于前兩種混凝土,混合砂混凝土的單位用水量適中。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 低場核磁共振分析孔隙結(jié)構(gòu)

筆者分別選出3種混凝土樣品試塊,經(jīng)真空飽水機(jī)處理24 h后對樣品進(jìn)行核磁共振分析,研究混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。低場核磁共振儀采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的NMI20-025V-I核磁共振成像分析儀,孔隙度測試范圍:0.08%～100%,CPMG最多回波數(shù)18 000,最小回波間隔小于160 μs,滿足試驗(yàn)要求。在外加磁場下,混凝土內(nèi)部水的氫原子先進(jìn)行旋轉(zhuǎn),在交叉磁場作用下,氫原子發(fā)生自旋,最后撤銷交叉磁場,使得氫原子又回到原來位置,這一過程稱為弛豫[13]。通過分析橫向弛豫T2波譜圖來研究混凝土內(nèi)部孔隙分布。混凝土橫向弛豫T2波譜圖[14]采用CPMG序列來進(jìn)行測試,低場核磁共振原理如式(1):

(1)

式中:T2為孔隙液態(tài)流體的橫向弛豫時間,s;T2S為表層液態(tài)薄膜的表面馳豫時間,s;T2B為孔隙內(nèi)自由液態(tài)的弛豫時間,s;T2D為氫原子移動的弛豫時間,s。

在均勻磁場下,含水孔隙橫向弛豫時間T2與孔隙比表面積(S/V)近似相關(guān)[15],如式(2)。

(2)

式中:ρ2為表層的弛豫速率,(m/s),這里取ρ2=5 μs/s;S為孔隙表面積,m2;V為液態(tài)體積,m3;S/V為孔隙比表面積,μm-1。

經(jīng)核磁共振得到的橫向弛豫T2波譜與混凝土孔隙分布存在相關(guān)性。T2波譜面積表征面積越大,則孔隙率越大[16];T2波譜時間表征時間越長,則孔徑越大[17]。將式(2)得到的橫向弛豫T2波譜轉(zhuǎn)化為孔隙分布如圖1,孔隙率如表2。

圖1 3種細(xì)集料混凝土的孔隙分布

表2 3種細(xì)集料混凝土的孔隙率

由圖1可知:低場磁共振測試所得的3種混凝土試件孔徑分布曲線均呈兩峰狀態(tài),左峰面積表示混凝土微孔百分占比;右峰面積表示混凝土小孔百分占比。對比兩峰面積可見,混凝土中絕大部分液態(tài)水分布在內(nèi)部微孔中,自由水含量均很少。其次,A、B、C的微孔主要分布在0.01 μm左右,且C的臨界孔徑及代表微孔的左峰面積明顯在這3者中最小,這也說明其內(nèi)部的微孔含量少,孔徑分布優(yōu)于其他兩種,即結(jié)合天然砂和機(jī)制砂的石粉能夠填充混凝土內(nèi)部孔隙,優(yōu)化孔徑尺寸大小,使混凝土更加密實(shí)。

由表2可知:A的微孔最多,達(dá)到2.3%,除了用于填充混凝土內(nèi)部孔隙外,在天然砂中較大光滑顆粒形成骨架存于混凝土內(nèi),顆粒之間由于沒有更細(xì)小顆粒填充,致使微孔數(shù)量略高于另外兩種混凝土,其中比B中的微孔百分比多了近30%,小孔和大孔含量與其他兩種混凝土相差不大;機(jī)制砂顆粒特性表面粗糙度大,粒形棱角多、不規(guī)則,隨著天然砂被機(jī)制砂完全取代,B內(nèi)部大孔達(dá)到1.2%,多于A,水化產(chǎn)生的C-S-H含量急劇下降,對其他組分連接作用減小,使得原本凝膠缺失連接作用下降,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不緊密,產(chǎn)生負(fù)面影響程度增加;C的微孔為1.8%,大孔和小孔百分比含量相對于A和C而言要低0.2%～0.3%,這說明機(jī)制砂在摻量為50%時能與天然砂較好的填充混凝土,過量則會增多孔隙含量,影響混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),導(dǎo)致力學(xué)性能下降。因此,合適取代率機(jī)制砂和天然砂結(jié)合對混凝土性能的積極作用越明顯。

由表2還可知:按照孔徑大小將混凝土內(nèi)部孔隙分為微孔(r≤0.1 μm)、小孔(0.1 μm

2.2 3種不同細(xì)集料混凝土力學(xué)性能

混凝土力學(xué)性能測定采用文獻(xiàn)[18]規(guī)定進(jìn)行,3種細(xì)集料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量及拉壓比,分別如圖2～圖5。

圖2 3種細(xì)集料混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖2可知:這3種不同細(xì)集料混凝土的抗壓強(qiáng)度增長速率呈先增大后減小趨勢,且28 d抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到規(guī)范的指標(biāo)要求。綜合分析各齡期,在3 d齡期,這3種混凝土抗壓強(qiáng)度基本保持在同一水平,隨著齡期發(fā)展,A、C的抗壓強(qiáng)度差別不明顯,B的抗壓強(qiáng)度最低。C的抗壓強(qiáng)度除了在3 d齡期比A稍低外,在7、28、60、90 d齡期分別比A的抗壓強(qiáng)度增加了3%、3.2%、2.3%、4.8%,強(qiáng)度相差值均在規(guī)范要求范圍內(nèi)?；旌仙熬哂辛己玫募壟洹⑤^小的孔隙率和孔徑,能很好的結(jié)合機(jī)制砂和天然砂與粗骨料進(jìn)行緊密地填充,使得C在后期抗壓強(qiáng)度與A強(qiáng)度相差不大。機(jī)制砂取代率為50%的C抗壓強(qiáng)度能滿足設(shè)計強(qiáng)度,從節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的角度,可選擇混合砂作為普通混凝土細(xì)集料的替代材料。

由圖3可知:隨著齡期增長,這3種混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增長率呈先增加后平穩(wěn)的趨勢。

圖3 3種細(xì)集料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3中:C的劈裂抗拉強(qiáng)度值與A基本一致,其中90 d齡期時C的劈裂抗拉強(qiáng)度可達(dá)4.9 MPa,略高于B,這說明適量的機(jī)制砂能改善混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。在混凝土前中期階段,漿體與集料的黏附作用力較強(qiáng),抗拉性能好,隨著齡期發(fā)展,漿體強(qiáng)度逐漸提高,受集料影響作用不再明顯,劈裂抗拉強(qiáng)度主要受漿體強(qiáng)度等影響,從而這3種混凝土在后期劈裂抗拉強(qiáng)度相差不大。A、C的劈裂抗拉強(qiáng)度優(yōu)于單摻機(jī)制砂混凝土,混合砂在混凝土中強(qiáng)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu),提升了抗拉強(qiáng)度。這表明混合兩種砂可配制出抗拉強(qiáng)度良好的混凝土并提升其抗拉性能。C的3、7 d齡期劈裂抗拉強(qiáng)度分別為3.1、3.84 MPa,高于同齡期B的劈裂抗拉強(qiáng)度7.3%、12.9%,這說明當(dāng)C中機(jī)制砂過多時,早期劈裂抗拉強(qiáng)度會有所下降。

從圖4可知:在7 d齡期,C的彈性模量比A和B分別增加了5.9%、41.6%,混合砂對混凝土早期彈性模量提升尤為明顯,主要是因?yàn)闄C(jī)制砂形貌及含有石粉和天然砂混合能改善混凝土級配,增加漿體含量提高漿體與集料的黏結(jié)力;在28 d齡期時,C的彈性模量比B高34.9%,與A的彈膜強(qiáng)度相差不大,隨著機(jī)制砂取代率超過50%,混凝土彈性模量下降,可能是由于在單摻機(jī)制砂混凝土中石粉含量增多,導(dǎo)致漿體數(shù)量也提升,與粗集料填充作用效果較差,對混凝土級配、漿骨比等產(chǎn)生負(fù)面影響,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)不均勻,影響了界面過渡區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu),使得彈模強(qiáng)度低于天然砂和混合砂配置的混凝土,這說明適量的機(jī)制砂摻量能提高混凝土彈性模量。

圖4 3種細(xì)集料混凝土的彈性模量

拉壓比是混凝土脆塑性的一種指標(biāo),混凝土脆性越明顯則拉壓比就越小,反之塑性就越好。從圖5可看出:隨著齡期增加,這3種混凝土拉壓比均有所下降,在3、7 d齡期C的拉壓比要高于A和B,這說明混合兩種細(xì)集料會提高混凝土的早期塑性。另外,養(yǎng)護(hù)到28 d后C的拉壓比急劇下降,在90 d時比同齡期的B低8.5%,這說明越到后期C的脆性就越明顯。出現(xiàn)此現(xiàn)象原因可能是:機(jī)制砂對混凝土強(qiáng)度影響在于石粉的填充效應(yīng),未水化的石粉顆粒填充于混凝土孔隙中可增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度,混凝土抗壓強(qiáng)度增幅大于其劈裂抗壓強(qiáng)度增幅,表現(xiàn)為混凝土拉壓比的降低。

圖5 各齡期拉壓比對比

混凝土孔隙結(jié)構(gòu)中,大孔孔徑也被稱為多害孔,對混凝土的力學(xué)性能影響較大。從圖6可看出:在28 d齡期時這3種混凝土中的大孔百分比與抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān),其中大孔與抗壓強(qiáng)度之比分別為1.8%、2.2%、1.6%。說明混合砂級配良好,機(jī)制砂與天然砂混合起到了填充作用,大孔孔隙率降低,提升了內(nèi)部密實(shí)性,加強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能。

圖6 3種混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與大孔百分比關(guān)系

2.3 SEM微觀形貌分析

待養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到56 d后,壓碎混凝土試塊,選出內(nèi)部的砂漿部分,經(jīng)超聲波儀器處理后對樣品試塊進(jìn)行SEM分析,觀察其微觀形貌。本實(shí)驗(yàn)掃描電子顯微鏡采用德國卡爾蔡司電子光學(xué)公司生產(chǎn)的ZEISS Sigma 300場發(fā)射電子顯微鏡,加速電壓在0.2～30 kV,放大倍數(shù)10 kx,滿足試驗(yàn)要求。觀察天然砂、機(jī)制砂和混合砂分別在水泥混凝土中的微觀結(jié)構(gòu),如圖7。

由圖7(a)可知:A的界面過渡區(qū)為寬5～8 μm的帶狀,附近的水化產(chǎn)物有少量AFt塊狀晶體生成,尺寸較小、形態(tài)結(jié)構(gòu)較松散,但在水泥漿體所占比例有限,對性能提升起到的作用有限,生成物與集料界面過渡區(qū)有明顯裂痕,雖然集料不會參加到水泥水化反應(yīng)中,但集料的粒徑、粒形等影響著生成物的分布和結(jié)構(gòu)[19]。由圖7(b)可知:B的界面過渡區(qū)為寬8～11 μm的帶狀,水化產(chǎn)物聚在界面過渡區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)間,且存有較多的C-S-H凝膠,同時也看到附著在集料表面的顆粒;界面過渡區(qū)周圍結(jié)構(gòu)疏松,水化產(chǎn)物之間連接不密實(shí),結(jié)構(gòu)密實(shí)度下降,雖有C-S-H膠凝物質(zhì)在生成,但孔隙沒有被填充,塊狀晶體間有明顯孔隙;當(dāng)石粉超過一定范圍后,使得混凝土微集料比偏離最佳值,多余石粉會影響集料與水泥石結(jié)構(gòu)黏結(jié),微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出劣化趨勢,對混凝土強(qiáng)度及耐久性會產(chǎn)生影響[20]。由圖7(c)可知:C的界面過渡區(qū)為寬7～10 μm的帶狀,中有少量微裂縫,石粉微粒會對Ca(OH)2與C-S-H的早期水泥水化過程起結(jié)晶作用,能加速熟料礦物的水化反應(yīng)過程,提高早期強(qiáng)度,與水泥中的C3A和C4AF發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣,使得界面更為致密,提升了漿體密實(shí)性,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定致密[21]。

微集料顆粒進(jìn)入混凝土后能填充在水泥微?？p隙中,優(yōu)化級配,進(jìn)一步提升了漿體與界面過渡區(qū)的致密程度。當(dāng)機(jī)制砂取代率為50%時,混凝土內(nèi)部孔隙附著有水化反應(yīng)生成的鈣礬石、C-S-H凝膠等生成物,很好地形成了相互交錯、鑲嵌成網(wǎng)格狀或蜂窩狀,使得孔隙半徑逐漸減小,界面過渡區(qū)得到改善。水泥水化漿固體產(chǎn)物強(qiáng)度主要來源于范德華引力的存在[22],利于穩(wěn)定孔隙結(jié)構(gòu),提升混凝土的力學(xué)、耐久性。

3 結(jié) 論

1)根據(jù)低場核磁共振對3種混凝土的微觀表征,C中的總孔隙率為3.4%,優(yōu)于A和B;通過C的孔隙分布發(fā)現(xiàn):微孔、小孔和大孔百分占比分別為1.8%、0.7%、0.9%,低于A和B,在一定程度上改善了孔結(jié)構(gòu)的分布,同時降低了混凝土的大孔含量,這對混凝土力學(xué)性能有積極作用。

2)在力學(xué)性能上,A與C相差不明顯,B的強(qiáng)度不能滿足要求,適當(dāng)取代率的機(jī)制砂可改善C的力學(xué)性能。當(dāng)機(jī)制砂與天然砂摻量各為50%時,C的力學(xué)性能最佳,其28 d抗壓強(qiáng)度為57.4 MPa,劈裂抗拉強(qiáng)度為4.67 MPa,彈性模量為3.48×104MPa。為節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境,選擇混合砂作為混凝土的細(xì)集料比較合適。

3)利用SEM對這3種不同細(xì)集料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)混合砂中兩種細(xì)集料和水泥漿體緊密結(jié)合,微集料顆粒進(jìn)入混凝土后可有效填充水泥微粒間縫隙,優(yōu)化級配,進(jìn)一步提升漿體與界面過渡區(qū)的致密程度,使得C的力學(xué)性能提升。