正混凝土的Mini-Mason法制備及其性能研究

張文貴， 沈衛(wèi)國，3，，*， 劉超， 王亞楠， 吳鵬

（1.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070； 2.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070； 3.武漢理工大學(xué)-加州大學(xué)伯克利混凝土科學(xué)與技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070； 4.大宗固廢綜合利用與綠色建材襄陽市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽 441100）

水泥作為混凝土制備的主要材料，其工業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放占人類碳排放總量的7%～9%［1-2］.特別是近年來，隨著混凝土施工的機(jī)械化程度與人工成本的日益提高，易施工的高流態(tài)混凝土成為了主流.與此同時(shí)，高流態(tài)往往伴隨著高漿體體積分?jǐn)?shù)，而過多漿體會導(dǎo)致振搗和靜置過程中骨料沉降嚴(yán)重［3］，使混凝土的勻質(zhì)性變差，犧牲了混凝土服役性能.便易施工的3D打印混凝土粗骨料含量更低［4］，且過多的膠凝材料用量與雙碳目標(biāo)是相悖的［5］.

為解決上述問題，許鴿龍等［6-9］在自然界正礫巖的啟發(fā)下提出了正混凝土的概念，即骨料嵌鎖型混凝土.與拋填骨料法制備正混凝土的工藝［10-12］不同，Mini-Mason法需要預(yù)制高流態(tài)砂漿，以類似于漿砌石的方式成型骨料嵌鎖程度良好的正混凝土.該工藝不僅提高了粗骨料體積分?jǐn)?shù)，降低了膠凝材料用量，還可以契合混凝土3D打印技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)混凝土的智能制造.本文提出了正混凝土的Mini-Mason法制備工藝，研究了粗骨料體積分?jǐn)?shù)對混凝土抗壓強(qiáng)度、干燥收縮以及電通量的影響，并闡明了其影響機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥（C）為華新P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其基本物理性能見表1；S95礦粉由大宗固廢綜合利用與綠色建材襄陽市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供；粉煤灰為襄樊火力發(fā)電廠生產(chǎn)；細(xì)集料為花崗巖質(zhì)機(jī)制砂（S），細(xì)度模數(shù)為3.1，表觀密度為2 830 kg/m3；粗集料（CA）為5～15、10～20 mm連續(xù)級配的花崗巖質(zhì)碎石，分別記作碎石A、B，其表觀密度均為2 772 kg/m3，篩分結(jié)果見表2；減水劑（WR）為聚羧酸高性能減水劑；拌和用水為自來水（W）.

1.2 配合比

采用Mini-Mason工藝，設(shè)計(jì)m（水泥）∶m（礦粉）∶m（粉煤灰）=50∶35∶15，高流態(tài)砂漿具體配合比見表3.

表3 高流態(tài)砂漿配合比Table 3 Mix proportions of high fluidic mortars

調(diào)整碎石A與碎石B的質(zhì)量比mA/mB，并對其空隙率（體積分?jǐn)?shù)）進(jìn)行分析.具體粗骨料級配見表4.

表4 粗骨料級配Table 4 Gradation of coarse aggregates

1.3 試件制備

砂漿試件制備：砂漿試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，成型1 d后脫模并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù).

混凝土試件制備：先在試模中灌注一層高流態(tài)砂漿，再將粗骨料均勻拋填在砂漿上，振搗，再灌注一層砂漿，繼續(xù)拋填粗骨料并振搗，如此重復(fù)3～5次，每次振搗30～60 s，直到混凝土表面平整且基本無氣泡排出.采用此混凝土制備工藝制備尺寸分別為150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×515 mm和?100×50 mm的混凝土試件，成型24 h后脫模并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù).

1.4 性能測試

參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法（ISO法）》、GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，分別對齡期為7、28 d的砂漿和混凝土試件進(jìn)行強(qiáng)度測試.

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用接觸法，對尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的混凝土試件進(jìn)行干燥收縮性能測試，

參照GB/T 50082—2009標(biāo)準(zhǔn)，采用電通量法，對尺寸為?100×50 mm的混凝土試件進(jìn)行抗氯離子滲透性能測試.

將齡期為28 d的混凝土試件破碎，選取尺寸約為10 mm×10 mm×5 mm的含粗骨料-砂漿結(jié)構(gòu)的碎片，對其進(jìn)行鍍膜處理后，采用背散射掃描電鏡（QUANTA FEG450）獲取掃描電鏡-背掃射電子成像（SEM-BSE）照片.

從齡期28 d的混凝土試件中切出尺寸約為20 mm×20 mm×10 mm的含粗骨料-砂漿結(jié)構(gòu)的薄片并打磨拋光，采用維氏顯微硬度測試儀（HVST-1000Z）對其進(jìn)行顯微硬度測定，保壓時(shí)間為10 s，壓痕載荷為0.098 N，在距離粗骨料表面約100 μm的距離內(nèi)隨機(jī)取點(diǎn)，距離相同的取平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 砂漿流動(dòng)性

按照表3中C3的配合比，調(diào)節(jié)減水劑摻量1）文中涉及的摻量、灰砂比等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.，得到砂漿的擴(kuò)展度以及泌水率，如圖1所示.由圖1可見：聚羧酸高效減水劑的摻入對砂漿的流動(dòng)性有明顯的改善；當(dāng)摻量較高時(shí)，砂漿離析泌水嚴(yán)重［13］；為保證砂漿的工作性，砂漿的泌水率應(yīng)控制在0.7%以下［14］，在本研究中減水劑摻量應(yīng)控制在1.0%以下.

圖1 減水劑摻量對砂漿擴(kuò)展度和泌水率的影響Fig.1 Effect of water reducer content on dispersion degree and bleeding rate of mortars

在減水劑摻量為1.0%，水灰比mW/mC=0.30的條件下，調(diào)整灰砂比mC/mS，得到砂漿的擴(kuò)展度以及泌水率如圖2所示.由圖2可見，提高砂漿中砂的占比，能有效抑制砂漿的離析泌水，但隨著砂體積分?jǐn)?shù)的提升，砂漿中漿體不足，砂漿的流動(dòng)性損失嚴(yán)重［15］.因此為了保證Mini-Mason工藝的可行性，所用填充砂漿灰砂比取1.00∶1.50.

圖2 灰砂比對砂漿擴(kuò)展度和泌水率的影響Fig.2 Effect of cement-sand ratio on dispersion degree and bleeding rate of mortars

2.2 混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)分析

取減水劑摻量為0.9%，按照表3中C3的配合比制備填充砂漿，按表4中粗骨料級配進(jìn)行試驗(yàn)，得到粗骨料級配對混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)φCA的影響，如圖3所示.由圖3可見，在保證混凝土完整成型的前提下，粗骨料的體積分?jǐn)?shù)先上升后下降.成型過程中粒徑較小的碎石B能填充大粒徑碎石A的部分骨架間隙［16］，同時(shí)又會阻礙砂漿的填充，因此綜合考慮粗骨料級配選用mA/mB=7∶3.

圖3 粗骨料級配對混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effect of coarse aggregate grade on volume fraction of concrete coarse aggregate

圖4給出了砂漿擴(kuò)展度對混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)的影響.由圖4可看出，在一定的范圍內(nèi)，隨著砂漿擴(kuò)展度的增加，混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)明顯提升.為保證成型骨料嵌鎖程度較高的正混凝土，所用填充砂漿的擴(kuò)展度應(yīng)大于350 mm.而綜合圖1、2可知，減水劑對砂漿流動(dòng)性的改善有限，工作性良好的填充砂漿擴(kuò)展度最高可達(dá)420 mm.

圖4 砂漿擴(kuò)展度對混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Effect of mortar dispersion degree on volumefraction of concrete coarse aggregate

按照表3中C組配合比，調(diào)整減水劑摻量，配置擴(kuò)展度為400 mm的填充砂漿，此時(shí)砂漿離析泌水對混凝土成型影響較小，測量灰砂比對混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖5所示. 由圖5可見，在相同水灰比下，隨著灰砂比的減小，粗骨料體積分?jǐn)?shù)明顯降低. 這是因?yàn)樯皾{中粒徑較大的機(jī)制砂相較于漿體而言填充碎石縫隙的難度更大［17］，且增加了粗骨料間的位移阻力，粗骨料不能達(dá)到緊密堆積狀態(tài)［18］，體積分?jǐn)?shù)下降.

圖5 灰砂比對混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.5 Effect of cement-sand ratio on volume fraction of concrete coarse aggregate

2.3 抗壓強(qiáng)度

2.3.1 砂漿抗壓強(qiáng)度與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

填充砂漿抗壓強(qiáng)度與其制備的混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖6所示.由圖6可見，填充砂漿抗壓強(qiáng)度對所成型混凝土抗壓強(qiáng)度有決定作用，且當(dāng)填充砂漿水灰比較低時(shí)，砂漿抗壓強(qiáng)度甚至高于同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度.這是因?yàn)楫?dāng)水灰比較低時(shí)，砂漿強(qiáng)度高于粗骨料強(qiáng)度［19］，粗骨料之間的嵌鎖能力比砂漿的負(fù)載能力要弱，在施加載荷時(shí)，粗骨料接觸部分容易發(fā)生位錯(cuò)，甚至?xí)l(fā)生斷裂［20］，因此粗骨料對混凝土強(qiáng)度的提升有限.

圖6 填充砂漿抗壓強(qiáng)度與其制備的混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.6 Relationship between compressive strength of filling mortar and compressive strength of prepared concrete

2.3.2 粗骨料體積分?jǐn)?shù)與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

粗骨料體積分?jǐn)?shù)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖7所示.由圖7可見，混凝土7、28 d的抗壓強(qiáng)度隨著粗骨料體積分?jǐn)?shù)的提高呈上升趨勢，且在水灰比較高時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度提升幅度更大.這是因?yàn)殡S著粗骨料體積分?jǐn)?shù)的提高，混凝土中粗骨料的相互嵌鎖更為明顯，且粗骨料為經(jīng)過優(yōu)化的連續(xù)級配，在施加載荷時(shí)，小粒徑粗骨料可以分擔(dān)填充砂漿的承載力，而大粒徑粗骨料又可以阻止裂縫的擴(kuò)展［21］，使混凝土整體強(qiáng)度得到提升.而在高水灰比時(shí)，填充砂漿強(qiáng)度低于粗骨料強(qiáng)度，粗骨料的骨架作用對混凝土強(qiáng)度的提升更為明顯.

圖7 粗骨料體積分?jǐn)?shù)對混凝土強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of volume fraction of coarse aggregate on compressive strength of concrete

2.4 混凝土干縮性能

不同粗骨料體積分?jǐn)?shù)下混凝土的干縮性能見圖8.由圖8可見，隨著粗骨料體積分?jǐn)?shù)的增加，混凝土的干縮性能得到了較為明顯的抑制，當(dāng)粗骨料體積分?jǐn)?shù)為52%時(shí)，混凝土收縮率較粗骨料體積分?jǐn)?shù)為45%時(shí)降低了43.1%.大多數(shù)混凝土的粗骨料體積分?jǐn)?shù)在40%左右.這是由于在混凝土中，隨著齡期的變化，粗骨料的體積變化基本趨于穩(wěn)定，決定混凝土整體收縮的是填充砂漿的體積變化［22］.而混凝土中粗骨料體積分?jǐn)?shù)的上升，對應(yīng)著填充砂漿體積分?jǐn)?shù)的下降，即導(dǎo)致混凝土體積收縮的因素大幅減少.另外，粗骨料相互嵌鎖限制了漿體的收縮，最終對混凝土體積穩(wěn)定性有較大的提升.

2.5 抗氯離子滲透性能

混凝土的抗氯離子滲透性能是評價(jià)混凝土耐久性能的重要指標(biāo)，可通過電通量法直觀反映.粗骨料體積分?jǐn)?shù)對混凝土電通量的影響如圖9所示.由圖9可見：隨著粗骨料體積分?jǐn)?shù)的增加，不同水灰比下混凝土電通量均隨之下降；當(dāng)粗骨料體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，混凝土電通量下降幅度減小.

圖9 粗骨料體積分?jǐn)?shù)對混凝土電通量的影響Fig.9 Effect of volume fraction of coarse aggregates on concrete electric flux

粗骨料對混凝土抗氯離子滲透性能的影響形式包括稀釋作用、繞行作用以及界面過渡區(qū)逾滲效應(yīng)［23］.隨著粗骨料體積分?jǐn)?shù)的提高，粗骨料的稀釋作用和繞行作用增強(qiáng)，抑制了氯離子的滲透.與此同時(shí)，粗骨料與漿體構(gòu)成的界面過渡區(qū)會隨著粗骨料的增多而增多，且隨著粗骨料嵌鎖程度的提高，漿體中氣泡難以排出而富集于粗骨料表面，界面過渡區(qū)逾滲效應(yīng)也會增強(qiáng).因此當(dāng)進(jìn)一步提高粗骨料體積分?jǐn)?shù)時(shí)，界面過渡區(qū)逾滲效應(yīng)削弱了稀釋作用和繞行作用對氯離子滲透的抑制效果，導(dǎo)致混凝土電通量下降幅度減小.

2.6 微觀結(jié)構(gòu)

界面過渡區(qū)（ITZ）較砂漿主體以及粗骨料而言，其結(jié)構(gòu)相對疏松，且強(qiáng)度較低［24］，是混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中最薄弱的部位，因此通過研究混凝土界面過渡區(qū)來改善其耐久性能和力學(xué)性能是非常有意義的.

采用SEM-BSE對齡期28 d的C60普通混凝土和Mini-Mason法制備的正混凝土（填充砂漿配比為表3中C2組，mA/mB=7∶3）界面過渡區(qū)微觀形貌進(jìn)行對比觀察，結(jié)果如圖10. 由圖10可見：相同放大倍率下，普通混凝土中粗骨料與漿體之間有較為明顯的裂紋，且漿體中的缺陷較多；而Mini-Mason法制備的正混凝土中粗骨料與漿體的分界線較為模糊，填充砂漿的分布較為均勻.

圖10 兩種工藝下混凝土界面過渡區(qū)的SEM-BSE微觀形貌圖Fig.10 SEM-BSE micromorphology in ITZ of concretes from two processes

圖11為兩種混凝土界面過渡區(qū)顯微硬度HV變化曲線.由圖11可知，普通混凝土界面過渡區(qū)厚度大概為55 μm，而正混凝土界面過渡區(qū)厚度大概為40 μm，且正混凝土界面過渡區(qū)的顯微硬度明顯高于普通混凝土，這與SEM-BSE的結(jié)果相吻合.正混凝土所用粗骨料為表面干燥的碎石，在砂漿填充過程中可吸附部分水分，改善粗骨料表面的微區(qū)泌水效應(yīng)［25］，優(yōu)化界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，削弱界面過渡區(qū)給混凝土力學(xué)性能和耐久性能帶來的負(fù)面影響.

圖11 兩種混凝土中界面過渡區(qū)的顯微硬度Fig.11 Microhardness of ITZ in two kinds of concretes

2.7 Mini-Mason法制備正混凝土的材料組成

圖12給出了相同強(qiáng)度等級下普通混凝土和Mini-Mason法制備的正混凝土中原材料的體積分?jǐn)?shù).由圖12可以看出：與普通混凝土相比，在強(qiáng)度等級達(dá)到C50時(shí)，Mini-Mason法制備的正混凝土的膠凝材料用量可降低24.25%；在強(qiáng)度等級達(dá)到C60時(shí)，膠凝材料用量可降低29.21%；在強(qiáng)度等級達(dá)到C65時(shí)，膠凝材料用量可降低29.27%.這是因?yàn)椋炷恋拇止橇象w積分?jǐn)?shù)可達(dá)52%，集料的總體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)近75%，而普通混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)不足40%，集料總體積分?jǐn)?shù)也在65%以下［26］，因此正混凝土中漿體含量明顯低于普通混凝土.

圖12 不同混凝土中原材料的體積分?jǐn)?shù)Fig.12 Volume fraction of raw materials in different concretes

3 結(jié)論

（1）適當(dāng)降低灰砂比可改善砂漿的離析泌水，當(dāng)砂漿泌水率不大于0.7%時(shí)，砂漿仍保有較好的工作性，Mini-Mason法制備的正混凝土中粗骨料的體積分?jǐn)?shù)隨著砂漿擴(kuò)展度的增大而提高.

（2）隨著粗骨料體積分?jǐn)?shù)的提高，Mini-Mason法制備的正混凝土抗壓強(qiáng)度、干縮性能以及抗氯離子滲透性能都得到了提升，膠凝材料的用量顯著降低.

（3）采用Mini-Mason法制備正混凝土，優(yōu)化了填充砂漿的分布狀態(tài)，改善了混凝土界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，提高了界面過渡區(qū)的顯微硬度，削弱了界面過渡區(qū)對混凝土力學(xué)性能和耐久性能帶來的負(fù)面影響.