高寒山區(qū)C40機(jī)制砂混凝土耐久性能

（長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064）

高寒山區(qū)C40機(jī)制砂混凝土耐久性能

申愛琴，張 敬，樊 莉，阮誠皓

（長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064）

針對(duì)高寒山區(qū)環(huán)境下，用于工程建筑的機(jī)制砂混凝土極易發(fā)生凍融破壞和腐蝕破壞的現(xiàn)象，引入高性能礦物摻合料對(duì)其耐久性能進(jìn)行改性，分別研究了粉煤灰和礦渣微粉兩種礦物摻合料在單摻和復(fù)摻條件下對(duì)C40機(jī)制砂混凝土抗凍及抗?jié)B性能的影響，并結(jié)合其界面區(qū)形貌和孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了微觀機(jī)理分析.研究結(jié)果表明：粉煤灰與礦渣微粉復(fù)摻能夠顯著提升C40機(jī)制砂混凝土的耐久性能，兩者復(fù)摻對(duì)C40機(jī)制砂混凝土耐久性能的改善提升作用要優(yōu)于兩者單摻；以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%粉煤灰與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%礦渣微粉復(fù)摻時(shí)，C40機(jī)制砂混凝土的早期抗凍、抗?jié)B性能顯著提高，后期抗凍、抗?jié)B性能得到了大幅度提升，界面區(qū)形貌和孔結(jié)構(gòu)得到顯著改善.

機(jī)制砂混凝土；高寒山區(qū)；粉煤灰；礦渣微粉；耐久性能

在我國西部的高海拔高寒山區(qū)，天然砂十分匱乏，機(jī)制砂資源比較豐富.隨著我國高原公路建設(shè)的發(fā)展，機(jī)制砂正逐步取代天然砂成為西部高寒山區(qū)公路建設(shè)中主要的細(xì)集料.高寒山區(qū)氣候環(huán)境十分惡劣，最低氣溫往往低于－30℃，最冷月份的平均氣溫常在－15℃以下，凍融循環(huán)和離子侵蝕作用突出.機(jī)制砂由于表面粗糙、棱角多、內(nèi)部微裂紋較多，且石粉含量高，導(dǎo)致混凝土的需水量增加，加之機(jī)制砂混凝土長期暴露于高寒、復(fù)雜多變的環(huán)境，極易發(fā)生凍融和腐蝕破壞.因此，針對(duì)高寒環(huán)境下機(jī)制砂混凝土的抗凍及抗?jié)B性能研究具有重要意義.文獻(xiàn)［1－3］對(duì)高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土和高寒地區(qū)機(jī)場道面機(jī)制砂混凝土進(jìn)行了研究，認(rèn)為使用高性能的礦物摻合料和引氣劑、減水劑能夠大大提高機(jī)制砂混凝土的抗凍性能.文獻(xiàn)［4－7］研究了機(jī)制砂的顆粒特性、石粉含量對(duì)混凝土性能的影響，認(rèn)為機(jī)制砂的顆粒粗糙性降低了混凝土的工作性能，而機(jī)制砂中所含的適量石粉能夠提高混凝土的工作性能、抗壓強(qiáng)度和抗硫酸鹽侵蝕性能，但對(duì)混凝土抗氯離子滲透性及早期抗裂性能都有不利影響.文獻(xiàn)［8－9］研究了機(jī)制砂混凝土及其石粉含量對(duì)混凝土性能的影響，認(rèn)為石粉含量增加使得機(jī)制砂混凝土坍落度下降，其抗壓強(qiáng)度和抗斷裂性能都要優(yōu)于天然砂混凝土.

上述研究多集中于機(jī)制砂的顆粒特性、巖性、石粉含量，以及外加劑、單一類礦料對(duì)混凝土工作、力學(xué)性能的影響等方面，研究對(duì)象多為機(jī)場道面機(jī)制砂混凝土或C50以上高強(qiáng)度機(jī)制砂混凝土，缺乏采用礦物摻合料單摻及復(fù)摻對(duì)高寒環(huán)境下C40機(jī)制砂混凝土耐久性能進(jìn)行改性的研究.本研究以國道317甘孜段高原公路改擴(kuò)建工程作為研究背景，分別研究單摻粉煤灰、礦渣微粉及兩者復(fù)摻對(duì)C40機(jī)制砂混凝土抗凍、抗?jié)B性能的影響，旨在為提高高寒山區(qū)機(jī)制砂混凝土的耐久性能提供有效的技術(shù)手段.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為四川洪雅西南42.5R型普通硅酸鹽水泥，密度3.10 g·cm－3，比表面積370 m2· kg－1；粉煤灰和礦渣微粉為四川樂山寧輝有限公司生產(chǎn)的東電I級(jí)粉煤灰和S95級(jí)礦渣微粉，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)分別見表1和表2；粗集料為5.0～31.5 mm花崗巖連續(xù)級(jí)配碎石；機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)2.9，其技術(shù)指標(biāo)見表3；所用減水劑為AL A2型粉體減水劑，減水率14%～22%.

表1 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

表2 礦渣微粉技術(shù)指標(biāo)

表3 機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，其配合比已通過正交試驗(yàn)確定，在耐久性研究方案中分別設(shè)置了單摻粉煤灰試驗(yàn)組HS1- HS3、單摻礦渣微粉試驗(yàn)組HS7- HS9和粉煤灰-礦渣微粉復(fù)合礦料試驗(yàn)組HS4- HS6，各試驗(yàn)組都設(shè)有3種摻量，即10%，20%和30%.其中粉煤灰-礦渣微粉復(fù)合礦料中粉煤灰和礦渣微粉的質(zhì)量比例為7∶3，礦渣微粉采用等量取代，粉煤灰采用超量取代，超量取代系數(shù)為1.1.C40機(jī)制砂混凝土單位體積用量見表4，其中HS0為基準(zhǔn)對(duì)照試驗(yàn)組.

表4 C40機(jī)制砂混__凝土單位體積用量 kg·m－3

1.2.2 試驗(yàn)方法與條件

采用快速凍融法對(duì)C40機(jī)制砂混凝土的抗凍性能進(jìn)行研究.儀器為KDR V3混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)，每組成型6個(gè)100 mm×100 mm×400 mm小梁試件，分別用于28 d和90 d齡期的凍融循環(huán)試驗(yàn).凍融試驗(yàn)的溫度上限為（5±2）℃，下限為（－20± 2）℃.凍融溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%NaCl溶液.采用RCM氯離子快速遷移法對(duì)表4中不同方案進(jìn)行抗?jié)B性能研究，試驗(yàn)儀器為氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定儀，每組成型2個(gè)100 mm×100 mm×400 mm小梁試件，分別在28 d和60 d齡期時(shí)通過鉆芯取樣制備3組直徑100 mm、高度50 mm的圓柱體試件，測定其氯離子遷移系數(shù).采用Hitachi S 4800場發(fā)射掃描電鏡和Auto Pore IV 9510全自動(dòng)壓汞儀對(duì)C40機(jī)制砂混凝土的界面區(qū)形貌和孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，電鏡和壓汞試樣齡期為90 d，通過成型100 mm×100 mm× 100 mm立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下達(dá)到90 d后，在其中心位置取樣，切割破碎后經(jīng)由砂紙打磨和無水乙醇清洗后制得.

2 結(jié)果及分析

2.1 抗凍性能分析

圖1為最大凍融次數(shù)與礦物摻合料摻量的關(guān)系曲線.

圖1 最大凍融次數(shù)與礦物摻合料摻量的關(guān)系曲線

由圖1可知：C40機(jī)制砂混凝土的28 d及90 d抗凍強(qiáng)度隨著單摻粉煤灰（F）、單摻礦渣微粉（K）及粉煤灰-礦渣微粉復(fù)合礦料（F＋K）摻量的增加而不斷提高；在相同摻量的條件下，粉煤灰與礦渣微粉復(fù)摻時(shí)，C40機(jī)制砂混凝土的28 d抗凍強(qiáng)度高于單摻粉煤灰，低于單摻礦渣微粉，但90 d抗凍強(qiáng)度則同時(shí)高于兩者；當(dāng)3種礦料摻量增至30%時(shí)，C40機(jī)制砂混凝土的28 d抗凍強(qiáng)度分別提高了41.67%，91.67%和75.00%，其90 d抗凍強(qiáng)度分別提高了78.57%，85.71%和128.57%.這表明相同摻量的條件下，礦渣微粉對(duì)提高C40機(jī)制砂混凝土早期抗凍性能的作用較為突出，粉煤灰相對(duì)較弱，但摻粉煤灰混凝土后期抗凍性能與礦渣微粉相當(dāng)，而兩者的復(fù)合不僅能夠使得C40機(jī)制砂混凝土具備足夠的早期抗凍性能，而且后期抗凍性能十分突出.此外，當(dāng)單摻粉煤灰的摻量由20%增加到30%時(shí)，C40機(jī)制砂混凝土的28 d抗凍強(qiáng)度并未增長，這表明當(dāng)單摻粉煤灰的摻量達(dá)到一定程度，C40機(jī)制砂混凝土的早期抗凍強(qiáng)度不會(huì)隨其摻量的增加而增加.

2.2 抗?jié)B性能分析

圖2為氯離子遷移系數(shù)與礦物摻合料摻量的關(guān)系曲線.

圖2 氯離子遷移系數(shù)與礦物摻合料摻量關(guān)系曲線

由圖2可知，隨著單摻粉煤灰、單摻礦渣微粉及粉煤灰-礦渣微粉復(fù)合礦料摻量的增加，C40機(jī)制砂混凝土的28 d和60 d氯離子遷移系數(shù)都在不斷減小，表明其抗氯離子滲透性能在不斷提高.在相同摻量條件下，摻粉煤灰-礦渣微粉復(fù)合礦料時(shí)C40機(jī)制砂混凝土的28 d和60 d氯離子遷移系數(shù)均要小于單摻粉煤灰時(shí)的氯離子遷移系數(shù)，且大于單摻礦渣微粉時(shí)的氯離子遷移系數(shù)；當(dāng)3種礦料摻量為30%時(shí)，C40機(jī)制砂混凝土的28 d抗?jié)B性能分別提高了32.81%，51.56%和64.84%，60 d抗?jié)B性能分別提高了44.14%，70.27%和62.16%.這表明在相同摻量條件下，粉煤灰對(duì)氯離子遷移的抑制作用弱于礦渣微粉，兩者復(fù)摻時(shí)，C40機(jī)制砂混凝土可以獲得較高的早期抗?jié)B性能，且后期抗?jié)B性能已十分接近單摻礦渣微粉.

3 C40機(jī)制砂混凝土微觀結(jié)構(gòu)及機(jī)理

3.1 界面區(qū)形貌

圖3和圖4分別為基準(zhǔn)和摻礦物摻合料C40機(jī)制砂混凝土的界面區(qū)形貌圖.

圖3 未摻加礦物摻合料C40機(jī)制砂混凝土的界面區(qū)形貌

圖4 21%粉煤灰與9%礦渣微粉復(fù)摻后C40機(jī)制砂混凝土的界面區(qū)形貌

由圖3可知：基準(zhǔn)C40機(jī)制砂混凝土界面區(qū)結(jié)構(gòu)裂縫區(qū)域的水化產(chǎn)物分布較為疏松，分布有較多的針絮狀鈣礬石、片狀的氫氧化鈣晶體和疏松的水化硅酸鈣凝膠，針絮狀產(chǎn)物較多，裂縫寬度較大，這些疏松的結(jié)構(gòu)及裂縫是有害離子的主要滲入通道和孔隙溶液的主要活動(dòng)區(qū)，容易誘發(fā)混凝土出現(xiàn)強(qiáng)度下降、滲透性增加和凍融損傷加深等性能衰變的現(xiàn)象.由圖4可知：摻加粉煤灰-礦渣微粉復(fù)合礦料后，C40機(jī)制砂混凝土水化產(chǎn)物分布相對(duì)較為致密，表面分布有少量未參與水化反應(yīng)的粉煤灰、礦渣微粉顆粒和一些水化硅酸鈣凝膠，裂縫區(qū)域的斷面較為平整，原本疏松結(jié)構(gòu)明顯變得致密化，界面區(qū)裂縫寬度明顯縮小，有效抑制了有害離子的滲入和孔隙溶液的活動(dòng)，從而使得C40機(jī)制砂混凝土的抗凍、抗?jié)B性能明顯提高.

3.2 孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

機(jī)制砂混凝土是一類復(fù)雜的多相多孔材料，其內(nèi)部分布有大量多尺度異形態(tài)的孔隙，這些孔隙結(jié)構(gòu)與機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度及抗凍、抗?jié)B性能都有十分密切的關(guān)系，試驗(yàn)對(duì)21%粉煤灰與9%礦渣微粉復(fù)摻下C40機(jī)制砂混凝土的孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行了測定.測試結(jié)果見表5和表6，其中，HD和HD0分別表示摻加和未摻加粉煤灰-礦渣微粉復(fù)合礦料的C40機(jī)制砂混凝土.圖5為21%粉煤灰與9%礦渣微粉復(fù)摻前后C40機(jī)制砂混凝土的孔徑分布微分曲線，其中V為孔含量，r為孔徑.

從表5、表6和圖5中可以看出：在摻加了粉煤灰-礦渣微粉復(fù)合礦料后，C40機(jī)制砂混凝土的孔總表面積、有效孔隙率、平均孔徑、面積中值孔徑及最可幾孔徑都在減小，其中平均孔徑和最可幾孔徑的減幅達(dá)到7.78%和35.52%；無害孔（＜20 nm）的比例提高，少害孔（20～50 nm）和有害孔（50～200 nm）及多害孔（＞200 nm）的比例下降.這表明在摻加了復(fù)合礦料后，C40機(jī)制砂混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)得到了明顯的改善，從而使得其抗凍性能和抗?jié)B性能得到顯著提升.

表5 C40機(jī)制砂混凝土孔隙參數(shù)

表6 C40機(jī)制砂混凝土孔徑分布______________%

圖5 復(fù)摻前后C40機(jī)制砂混凝土的孔徑分布微分曲線

3.3 復(fù)摻C40機(jī)制砂混凝土界面及孔結(jié)構(gòu)改善機(jī)理

此外，礦渣微粉和粉煤灰顆粒具有較大的比表面積，其本身作為填充物不僅能夠有效填充C40機(jī)制砂混凝土內(nèi)部的孔隙，并且在早期和后期的水化反應(yīng)中生成更為致密水化產(chǎn)物，進(jìn)一步填充其內(nèi)部孔隙.粉煤灰與礦渣微粉的復(fù)摻不僅使得C40機(jī)制砂混凝土在早期水化成形階段的孔結(jié)構(gòu)得以改善，而且在后期通過粉煤灰的水化使其孔結(jié)構(gòu)得到持續(xù)改善，內(nèi)部大孔細(xì)化，孔隙減少，無害孔增加，有害孔減少，孔徑分布得到顯著改善.因此，C40機(jī)制砂混凝土的抗凍性能和抗?jié)B性能得到了顯著提升.

4 結(jié) 論

1）高寒山區(qū)環(huán)境下，粉煤灰、礦渣微粉的單摻及兩者的復(fù)摻均能有效提高C40機(jī)制砂混凝土的抗凍性能和抗?jié)B性能，其中以粉煤灰與礦渣微粉復(fù)摻的作用最為突出.

2）21%粉煤灰與9%礦渣微粉復(fù)摻時(shí)，C40機(jī)制砂混凝土不僅具有較高的抗?jié)B性能和早期抗凍性能，同時(shí)后期抗凍性能大大提高，界面區(qū)形貌和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著改善.

3）高寒環(huán)境下，C40公路中C40機(jī)制砂混凝土宜使用21%粉煤灰與9%礦渣微粉復(fù)摻.此外，單摻粉煤灰的摻量不宜超過30%.

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Durability of C40 machine made sand concrete for highway culvert in alpine areas

SHEN Aiqin，ZHANG Jing，F(xiàn)AN Li，RUAN Chenghao
（School of Highway，Chang′an University，Xi′an，Shaanxi710064，China）

To solve the serious freeze thaw and corrosion damage of machine made sand concrete for engineering construction in alpine areas，themineral admixture with high performancewas used tomodify the durability.The incorporation effects of fly ash，flag powder and themixtures on frost resistance and impermeability of C40 grade machine made sand concrete were analyzed.The micro mechanism was discussed based on the interfacial zonemorphology and pore structure.The results show that themixing of fly ash and flag powder can significantly improve the durability of C40 grademachine made sand concrete better than the single one.Mixing with 21%fly ash and 9%flag powder，the frost resistance and the impermeability of C40 grade machine made sand concrete are greatly improved in both early and late stages，and the interfacial zonemorphology and pore structure are significantly improved.

machine made sand concrete；alpine areas；fly ash；flag powder；durability

10.3969／j.issn.1671－7775.2018.01.019

U449

A

1671－7775（2018）01－0115－05

申愛琴，張 敬，樊 莉，等.高寒山區(qū)C40機(jī)制砂混凝土耐久性能［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，39（1）：115－119.

2016－09－01

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目（2013318J16490）；四川省交通科技項(xiàng)目（2011A7 4 1）

申愛琴（1957—），女，陜西寶雞人，教授，博士生導(dǎo)師（saq6305＠163.com），主要從事道路工程材料與結(jié)構(gòu)的研究.張 敬（1992—），男，安徽宿州人，碩士研究生（1719862079＠qq.com），主要從事機(jī)制砂混凝土的研究.

（責(zé)任編輯 趙 鷗）