利用高石粉含量機制砂制備C50輕集料混凝土

陳 希，徐 意，周宇飛，丁慶軍

(1.中信建筑設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430010；2.湖北交投智能檢測股份有限公司，武漢 430070；3.湖南程川新材料有限公司，長沙410000；4.武漢理工大學(xué)材料學(xué)院，武漢430070)

通常將材料的抗壓強度與密度的比值稱為材料的比強度，高性能輕質(zhì)混凝土比普通混凝土質(zhì)量一般低20%～40%，故當(dāng)強度相當(dāng)時，輕質(zhì)混凝土具有較高的比強度。輕集料混凝土由于其容重較低、保溫性能好、可增加結(jié)構(gòu)有效載荷或在承載力相當(dāng)時減小結(jié)構(gòu)截面尺寸等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于高層樓板施工、海上鉆井平臺澆筑等工程中[1,2]。輕集料本身結(jié)構(gòu)疏松多孔，在混凝土制備前浸泡飽水后，可在混凝土內(nèi)部，利用毛細(xì)孔孔徑差導(dǎo)致的壓力差，緩慢釋放水分，產(chǎn)生內(nèi)養(yǎng)護作用，促進水泥水化形成C-S-H凝膠，有效提高水泥水化程度和輕集料混凝土的后期強度[3-5]。

在當(dāng)下“共抓大保護，不搞大開發(fā)”的政策引導(dǎo)下，混凝土中細(xì)骨料逐步由天然砂河砂轉(zhuǎn)為機制砂。然而，由巖石破碎制得的機制砂常有較高石粉含量，且針、片狀顆粒較多，級配不佳，易增大混凝土拌合物的粘度，對混凝土性能造成一些負(fù)面影響。若采用水洗除去機制砂中的部分石粉勢必會造成水資源的浪費和污染，然而大量研究表明，在水膠比相同的條件下，機制砂混凝土的強度一般高于河砂混凝土，故擬將機制砂中的石粉作為惰性摻料，采用頁巖陶粒作為輕集料，探究設(shè)計一種利用礦物摻合料對高石粉含量C50機制砂輕集料混凝土進行改性優(yōu)化的方案。

1 實 驗

1.1 原材料

1)水泥：采用亞東水泥PO42.5水泥。水泥主要化學(xué)成分如表1所示；2)粉煤灰：浙江寧海電廠產(chǎn)I級粉煤灰，其主要性能指標(biāo)見表2；3)礦粉：S95級高性能礦粉，性能指數(shù)見表3；4)細(xì)集料為機制砂，其具體參數(shù)見表4，輕集料為頁巖陶粒，性能見表5；5)外加劑：江蘇博特聚羧酸減水劑，減水率為20%；6)引氣劑：SJ-2型引氣劑。

表3 礦粉性能指標(biāo)

表4 機制砂技術(shù)指標(biāo)

表5 頁巖陶粒技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗方法

依據(jù)GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行混凝土拌合及工作性能測試；參照GB/T50081—2002《普通混凝土拌合物力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對混凝土拌合物成型并測試其各項力學(xué)性能；參照(GB/T 50082—2009)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》測試混凝土試塊的抗氯離子侵蝕及抗凍性；將試塊按100 mm×100 mm×400 mm成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28 d后進行凍融循環(huán)實驗，分別測試試塊經(jīng)過100次、200次、300次凍融循環(huán)后，其相對彈性模量及質(zhì)量損失。

2 高石粉機制砂輕集料混凝土配合比設(shè)計

筆者基于C50混凝土技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合機制砂和頁巖陶粒的各項性能指標(biāo)，經(jīng)過理論計算和多次試配，得到如下配比，如表6所示，各項性能均基本滿足工程施工需要，因此作為基準(zhǔn)配比，在此基礎(chǔ)上利用礦物摻合料進行改性優(yōu)化，其性能如表7所示。

表6 試驗研究基準(zhǔn)配合比

表7 基準(zhǔn)高石粉機制砂輕集料混凝土配合比性能

由表7可知，該輕集料混凝土的基準(zhǔn)配比可滿足C50混凝土的各項力學(xué)指標(biāo)，然而此配比中，水泥用量應(yīng)有下調(diào)空間，否則施工中易造成成本較高，且早期水化溫升較高，其60 d收縮較大，在工程應(yīng)用中易增大其開裂的風(fēng)險，故采用摻加礦物摻合料替代水泥的方式，降低水泥用量，減小混凝土早期收縮。

2.1 配合比優(yōu)化

通過等量摻加粉煤灰和礦粉取代等量水泥，降低單方混凝土水泥用量，降低C-S-H凝膠顆粒反應(yīng)速率，減少其早期水化放熱。由此，筆者設(shè)計了單摻不同含量的粉煤灰(20%、30%、35%)和礦粉(15%、20%、25%)及礦粉和粉煤灰混摻實驗，其配合比見表8，性能見表9。

表8 試驗研究配合比

表9 混凝土性能試驗結(jié)果

通常認(rèn)為抗壓強度達(dá)40 MPa以上的輕集料混凝土為高性能輕集料混凝土，由表9得知，8組混凝土的7 d強度都達(dá)40 MPa以上，且隨著齡期增長，預(yù)制飽水陶粒充分發(fā)揮其內(nèi)養(yǎng)護功能，其強度保持穩(wěn)定增長，60 d強度均達(dá)60 MPa以上。

由表9可知隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的坍落度/擴展度逐漸增大，這是由于粉煤灰粒徑相對水泥顆粒較小，且含大量球狀玻璃體，可改善水泥顆粒級配，降低顆粒間相對移動的阻力。然而粉煤灰具有較大比表面積，當(dāng)其摻量過高時，易結(jié)合過多自由水，使水泥水化不足，強度降低。隨礦粉摻量的增加，混凝土坍落度擴展度、早期強度降低，但后期強度可得到較大提升。當(dāng)采用礦粉和粉煤灰混摻復(fù)配時，坍落度/擴展度和28 d強度可達(dá)到工程使用要求[6]，且大幅降低水泥用量至225，減小了其早期水化溫升。摻入引氣劑后，可改善輕質(zhì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善其勻質(zhì)性，分散絮凝的水泥基團，促進水化增強混凝土密實度。隨齡期的增長，水泥不斷水化消耗漿體濕度，此時預(yù)濕飽水陶粒向外返水，促進水泥繼續(xù)水化形成C-S-H凝膠，發(fā)揮其內(nèi)養(yǎng)護功能，保證混凝土強度穩(wěn)步上升，且頁巖陶粒本身具有一定的火山灰效應(yīng)，可同氫氧化鈣結(jié)合，增強陶粒界面的粘結(jié)能力，提升其后期強度。

2.2 抗折強度及折壓比

抗折強度是衡量混凝土抗彎曲能力高低的重要物理量，筆者選取2、5、8三組配合比為例，測試其不同齡期抗折強度及折壓比如表10所示。

表10 輕質(zhì)混凝土抗折強度及折壓比

由表10可見，三組配比的3 d抗折強度均可達(dá)4 MPa以上，對比其90 d強度與28 d強度可知，三組配比的抗折強度分別增長了19.35%、35.59%、26.15%，即混凝土的抗折強度隨齡期增長不如早期快，但依然在緩慢上升。混凝土的抗折強度同混凝土的微結(jié)構(gòu)、內(nèi)部微裂紋及硬化體中的微裂紋數(shù)目、取向有關(guān)。由第8組配比可知，雙摻礦粉、粉煤灰，及引氣劑的加入可有效提高界面過渡區(qū)強度，提高密實度，從而導(dǎo)致該組后期抗折強度高于其余兩組。

同時，表10三組28 d折壓比均在1/8～1/10之間，具有較高折壓比，說明其中輕集料與膠凝材料間粘接能力較好，集料同漿體間形成牢固的界面過渡區(qū)。然而同普通混凝土相比，由于輕集料筒壓強度較低，其折壓比較低。通常抗折實驗中，輕集料混凝土的斷裂面為直斷面，而普通混凝土的斷面多為集料與漿體的粘結(jié)界面處[7]。

3 耐久性試驗研究

基于上述配比及性能指標(biāo)，筆者選取1、2、6、9四組為例探究高石粉含量機制砂輕集料混凝土抗?jié)B性及其抗凍性。

3.1 抗?jié)B性及抗碳化性

選取1、2、6、9四組配比為例，其抗?jié)B性及抗碳化試驗數(shù)據(jù)如表11所示：

表11 輕集料混凝土耐久性試驗

由表11可知，當(dāng)摻加礦物摻合料替代部分水泥后，混凝土的抗碳化性和抗氯離子侵蝕能力顯著提高，這是由于摻入的礦物摻合料粒徑比水泥顆粒小，可充分填充水泥顆粒間的縫隙，提升混凝土的密實度。同時，礦物摻合料中含較多球狀玻璃體，可充分發(fā)揮其滾珠效應(yīng)，分散水泥顆粒，改善其級配，使水泥顆粒充分水化，降低其泌水。礦物摻合料自身所具備的火山灰效應(yīng)和二次水化進一步提高混凝土密實度，從而提高其抗?jié)B性。

3.2 抗凍性

選取1、2、6、9四組配比為例，其抗凍性試驗結(jié)果如圖1，圖2所示。

由圖1、圖2可知，第一組基準(zhǔn)配比質(zhì)量損失率和相對彈性模量損失皆為最大，摻入粉煤灰和礦粉后，其顆粒級配較好，可改善水泥顆粒級配，增加混凝土的密實度。且礦物摻合料自身具備的火山灰反應(yīng)，可提高混凝土的后期強度?；鶞?zhǔn)混凝土在經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，相對動彈性模量出現(xiàn)大幅降低。而摻加礦物摻合料之后，經(jīng)300次凍融循環(huán)，混凝土的質(zhì)量損失率均小于0.3%，相對動彈性模量均大于93%，優(yōu)于普通混凝土，這是由于陶粒的“微泵”作用對混凝土結(jié)構(gòu)硬化的影響。陶粒是一種表面粗糙且具有疏松多孔結(jié)構(gòu)的集料，試驗所用陶粒，孔隙率達(dá)53.9%，開口孔隙率為15.9%，其飽和充水程度為0.31，遠(yuǎn)小于0.8，其本身具有良好的抗凍性[8-11]。同時，陶粒的多孔結(jié)構(gòu)，使其在漿體中可充分發(fā)揮吸水和返水作用。在水化初期，漿體中水分富余，會緩慢滲入陶粒的孔隙中，使界面過渡區(qū)的水膠比小于漿體基體的水膠比，故相較于漿體基體，界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)更加密實。隨著水化程度的不斷加深，漿體的相對濕度降低，此時，陶粒產(chǎn)生返水效應(yīng)，將其內(nèi)部儲存的水逐漸釋放出來，產(chǎn)生內(nèi)養(yǎng)護作用，使界面處的水泥水化更加充分，進一步提高混凝土的密實度[9]。同時陶粒的多孔結(jié)構(gòu)可容納一部分由凍融循環(huán)而從毛細(xì)孔中滲出的水，緩解一定的因凍融循環(huán)而產(chǎn)生的膨脹力，且陶粒本身具有較小的彈性模量，對膨脹應(yīng)力有一定的緩沖作用。

4 結(jié) 論

a.礦物摻合料的加入可提高輕集料混凝土的流動度，其中粉煤灰的效果優(yōu)于礦粉，且礦物摻合料可降低單方混凝土水泥用量，降低因水泥早期水化放熱而造成開裂的風(fēng)險，雙摻礦物摻合料可增加漿體黏度，改善其空隙結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，使混凝土更加密實，顯著提高混凝土力學(xué)性能。

b.陶粒的吸水及返水作用可在膠凝材料水化期間發(fā)揮其內(nèi)養(yǎng)護功能，提高界面過渡區(qū)水泥石的密實度以及與骨料的粘結(jié)力，保證混凝土后期強度穩(wěn)定增長。

c.礦物摻合料改性高石粉含量機制砂C50輕集料混凝土具有較好的抗凍性，經(jīng)300次凍融循環(huán)其相對動彈性模量依然可保持在93%以上。