甘肅省某工程項目機制砂混凝土孔結構研究

鄒海發

（甘肅省第五建設集團有限責任公司，甘肅 天水 741000）

0 引言

西北地區自然環境普遍惡劣，混凝土結構工程常處于凍融循環、離子侵蝕的威脅之中。而混凝土作為人造建筑材料，其內部具有較多孔隙，這些孔隙的存在為外部離子侵蝕混凝土提供了條件。但是，混凝土內部孔隙并非一成不變，而是根據材料的不同、配合比的不同而存在差異。此外，隨著天然砂的限制開采，機制砂必然替代天然砂成為混凝土原材料，然而機制砂存在諸多不足，例如級配差、石粉中含有較多黏土等，這使得混凝土內部孔結構復雜，對混凝土結構耐久性影響極大。因此，國內外學者通過不同手段對混凝土孔結構進行了大量室內試驗研究。Maage等［1］利用壓汞試驗研究了混凝土孔隙結構與抗凍性的關系；張士萍等［2］探究了混凝土孔隙結構對抗凍性的影響，結果表明，混凝土孔隙結構對抗凍性影響極大；Nakamura 等［3］定量研究了混凝土孔隙結構與抗凍性的關系；Chen 等［4］研究了噴射混凝土微觀孔隙結構變化規律；Promentilla等［5］研究了凍融損傷下對混凝土孔隙結構的影響；Kim等［6］研究了高溫作用下水泥基材料孔隙結構的變化規律。然而，對于依托于實際工程，進行同條件養護后混凝土的孔結構研究還沒有學者涉及。本研究以實際工程項目為例，在工程墻體澆筑機制砂混凝土時，制備不同石粉含量（3%、5%、8%及10%）的機制砂混凝土，并與工程同條件養護至設計齡期后，通過抗折強度試驗、氣孔結構分析儀及核磁共振試驗（NMR），分析機制砂中石粉含量不同時混凝土孔結構變化，進而為機制砂在西北地區的推廣應用提供依據。

1 試驗材料和方法

1.1 原材料

本項目所用的水泥為天水天祥水泥集團生產的P.O42.5水泥，其性能指標見表1。粗骨料為花崗巖碎石。細骨料為花崗巖機制砂，其物理指標見表2。本項目部分模板支架如圖1所示。

圖1 本項目模板支架實際搭設簡圖

表1 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥性能指標

1.2 配合比

設計機制砂中石粉含量為3%、5%、8% 及10%，具體配合比設計見表3。

表3 配合比設計

1.3 試驗方法

制作100 mm×100 mm×400 mm 的長方體試件，與工程混凝土同條件養護7 d、28 d 及56 d 時參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB∕T 50081—2002），利用微機控制試驗機進行抗折強度試驗。同時，利用氣孔結構分析儀與核磁共振試驗（NMR）對不同石粉摻量下的機制砂混凝土進行孔隙分布研究。

2 結果分析

2.1 抗折強度

以實際工程為依托進行機制砂混凝土研究時，首先對不同石粉含量下的機制砂混凝土抗折強度進行試驗分析，試驗結果如圖2所示。

圖2 混凝土抗折強度

由圖2可知，機制砂中石粉含量不同時，混凝土抗折強度存在較大差異。同條件養護7 d 時，試件S1、S2、S3及S4組混凝土抗折強度分別為7.45 MPa、7.89 MPa、8.32 MPa 及7.98 MPa；養護28 d 時，S1、S2、S3 及S4 組混凝土抗折強度分別為9.28 MPa、9.86 MPa、10.54 MPa 及9.99 MPa；養護56 d 時，S1、S2、S3 及S4 組混凝土抗折強度分別為10.23 MPa、10.54 MPa、11.01 MPa 及10.68 MPa。由此可知，當機制砂中石粉含量小于8%時，隨著石粉含量的增大，混凝土抗折強度呈持續增大趨勢；當機制砂中石粉含量大于8%后，隨著石粉含量的增大，混凝土抗折強度呈降低趨勢；當石粉含量為8%時，混凝土抗折強度達到最大值。分析其原因，主要是由于石粉具有一定的活性，可充當小部分膠凝材料，其水化反應產物可以填充部分內部孔隙。此外，石粉顆粒較細，可以填充在粒徑大于0.075 mm 的顆粒之間，減少了部分骨料空隙，彌補了粗細混合料之間的級配不足。因此，機制砂中石粉含量在8%以下時，隨著石粉含量的增大，混凝土抗折強度提高。但是當石粉含量大于8%時，過多的石粉吸收了水泥水化所需的自由水分，降低了水化硅酸鈣凝膠含量，影響了骨料之間的黏結性能，從而降低了混凝土抗折強度。而當石粉含量為8%時，粗細混合料級配達到了最佳狀態，孔隙填充與石粉對水分的吸收達到了最佳臨界狀態，因此，當機制砂中石粉含量為8%時，混凝土抗折強度達到了最大值。

2.2 孔隙直徑

混凝土內部孔隙尺寸大小對混凝土性能影響極大。因此，利用氣孔結構分析儀對機制砂中石粉含量不同時的混凝土進行孔隙尺寸分析，結果如圖3所示。

圖3 混凝土孔隙尺寸

由圖3 可知，機制砂中石粉含量不同時，混凝土孔隙尺寸及孔隙率均不同。其中，當石粉含量為3%時（S1 組），混凝土內部孔隙尺寸主要分布在100～1 500 μm 之間，直徑為300～1 000 μm 之間的孔隙總體占比較大，而直徑小于100 μm 的占比為0；當石粉含量為5%時（S2 組），混凝土孔隙尺寸主要分布在100～1 200μm 之間，同時，存在尺寸小于100μm 孔隙，且相比于S1組混凝土，總體孔隙占比較小；當石粉含量為8%時（S3 組），混凝土尺寸分布較S1與S2組并無差異，但是總體孔隙占比較小；當石粉含量為10%時（S4 組），尺寸在300～700 μm之間的孔隙占比較大，且總體孔隙率較大。由此可知，混凝土內部孔隙尺寸隨著機制砂中石粉含量的變化敏感度變化，且孔隙變化規律與抗折強度變化規律相似。因此，當內部孔隙尺寸較大，且總體孔隙率較大時，混凝土抗折強度較小。主要是因為混凝土內部孔隙較小時，漿體與骨料黏結較好，且內部較為密實，很大程度上增大了混凝土力學性能。此外，混凝土孔隙尺寸試驗結果驗證如下：機制砂中石粉含量較低時，粗細混合料孔隙無法得到充分填充；而當石粉含量較大時，因石粉對自由水分的吸收以及劣化了粗細混合料級配，使得混凝土內部孔隙率增大。

2.3 T2圖譜

利用混凝土氣孔結構分析儀對混凝土內部孔隙變化進行分析，存在一定的不足，因此為充分、系統研究機制砂中石粉含量不同時混凝土內部孔隙變化規律，需要利用核磁共振試驗（NMR）再次分析不同組混凝土內部孔隙變化規律。具體試驗結果如圖4所示。

圖4 混凝土孔隙弛豫時間

在進行核磁共振試驗時，試塊內部孔隙中水分子弛豫時間的大小間接反映了試塊孔隙尺寸，信號強度則可反映出不同尺寸規格孔隙率的大小。圖4中四組混凝土弛豫時間（T2）曲線均出現3 個明顯的極大值，意味著混凝土孔隙分布在3 個極大值對應的弛豫時間區間內。其中，S1組、S2組及S4組混凝土每個極大值對應的弛豫時間基本相同，即表示三組混凝土孔隙尺寸分布情況相似。但是，三組試件在不同弛豫時間時的幅度大小存在一定的差異，即表示在相同尺寸下，機制砂中石粉含量不同時，混凝土孔隙數量不同。然而，相較于其他三組混凝土，S3 組混凝土弛豫時間較小，即表示混凝土內部孔隙尺寸較小；并且曲線極大值幅度較小，即表示混凝土內部孔隙率較小。結合核磁共振與氣孔結構分析試驗結果可看出，無論是三維孔隙分析還是二維孔隙分析，結果均表明機制砂中石粉含量為8%時混凝土內部孔隙尺寸較小，且孔隙率較小。因此，以實際項目作為參照，在甘肅省利用當地花崗巖機制砂制備房建用混凝土時，機制砂中石粉含量宜控制在8%左右，當石粉含量較小時，混凝土內部孔隙率、孔隙尺寸較大，嚴重影響混凝土結構抵抗外界腐蝕性物質侵入的能力，且需要降低水膠比或增大水泥用量來改善混凝土結構的力學性能；當石粉含量較大時，因石粉中存在一定量的黏土，其對減水劑存在一定的吸附性，降低了可用減水劑占比，同時，當石粉含量較大時，混凝土內部孔隙率、孔隙尺寸較大，嚴重影響混凝土結構服役年限。

3 結論

①機制砂中石粉含量不同時，混凝土抗折強度存在較大差異。其中，當石粉含量小于8%時，隨著石粉含量的增大，混凝土抗折強度增大；當石粉含量大于8%時，隨著石粉含量的增大，混凝土抗折強度降低；而當石粉含量為8%時，混凝土抗折強度達到最佳值。

②當機制砂中石粉含量小于8%時，混凝土內部孔隙率、孔隙尺寸隨著石粉含量的增大而降低；當石粉含量大于8%時，則相反；當石粉含量為8%時，混凝土孔隙率與孔隙尺寸均達到了最小值。

③以實際工程項目為例，利用甘肅省本地花崗巖機制砂制備房建用混凝土時機制砂中石粉含量宜控制在8%左右。