機(jī)制砂中綠泥巖粉含量對(duì)混凝土力學(xué)性能及耐久性的影響

張鵬舉，張興軍，宋尚霖，欒紀(jì)昊，南雪麗，韓 博

(1.甘肅省公路發(fā)展集團(tuán)有限公司，蘭州 730050；2.甘肅恒路交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730050； 3.甘肅省高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，蘭州 730050；4.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；5.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730050)

0 引 言

細(xì)集料是混凝土中的重要組成材料，以往在混凝土中使用的細(xì)集料主要為天然砂，但我國(guó)天然砂資源地域分布不均，且天然砂開(kāi)采受季節(jié)限制。隨著各地環(huán)保政策的相繼實(shí)施，致使有些地區(qū)甚至出現(xiàn)無(wú)砂可用的狀況，所以機(jī)制砂代替天然砂已勢(shì)在必行[1]。

機(jī)制砂在生產(chǎn)過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一定量的與母巖巖性相同的石粉，其粒徑小于75 μm。相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于機(jī)制砂中石粉含量都提出了限定，但不同標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于石粉含量要求的限值不同[2]，國(guó)標(biāo)GB/T 14684—2011要求最高含量為10%。然而，在未經(jīng)處理的機(jī)制砂中，石粉的實(shí)際含量總是超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的要求值。使得機(jī)制砂在使用前需要去除多余的石粉，進(jìn)而出現(xiàn)資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問(wèn)題[3]。目前，關(guān)于機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土性能的影響，科研工作者已經(jīng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并得到了一系列成果[3-4]。但大多研究主要集中在石灰石粉和花崗巖粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能影響方面[5-7]，對(duì)于綠泥巖機(jī)制砂混凝土性能的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

本工作以綠泥巖機(jī)制砂為研究對(duì)象，通過(guò)混凝土早期收縮試驗(yàn)、混凝土力學(xué)試驗(yàn)、電通量試驗(yàn)以及鹽凍試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了機(jī)制砂中綠泥巖粉含量對(duì)混凝土性能的影響，以期為混凝土工程中推廣使用綠泥巖機(jī)制砂提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

本研究中水泥為祁連山P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗集料為5～20 mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，表觀密度為2700 kg/m3；細(xì)集料為甘肅建投生產(chǎn)的綠泥巖機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.77，石粉含量1.19%，亞甲藍(lán)值1.25 g/kg，級(jí)配區(qū)間為Ⅱ區(qū)，表觀密度、堆積密度、泥含量等均滿足《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)的要求；石粉為磨細(xì)的機(jī)制砂細(xì)粉，其制備方式為：利用實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)將甘肅建投生產(chǎn)的機(jī)制砂進(jìn)行球磨，然后將得到的細(xì)粉過(guò)0.075 mm篩，篩下部分即為本研究所用石粉。石粉的XRD圖譜如圖1所示，從圖中可知石粉中主要成分為斜綠泥石、石英以及碳酸鈣，還含有少部分鈉長(zhǎng)石。石粉的粒度分布見(jiàn)圖2，D10、D50、D90分別為5.92 μm、45.6 μm、98.1 μm，D10(D50或D90)代表顆粒的累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到10%(50%或90%)時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑；減水劑為蘇博特聚羧酸高效減水劑，減水率為30%。

圖1 石粉的XRD圖譜
Fig.1 XRD pattern of stone powder

圖2 石粉的粒度分布
Fig.2 Size distribution of stone powder

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本研究采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，水灰比為0.36，各組混凝土中機(jī)制砂總量固定為730 kg/m3。采用甘肅建投生產(chǎn)的機(jī)制砂(石粉含量為1.19%)配制的混凝土為基準(zhǔn)混凝土，記為JF0。為了得到不同石粉含量的機(jī)制砂，首先將機(jī)制砂中小于0.075 mm以下的顆粒篩除，然后將磨制好的石粉按規(guī)定摻量添加到已篩除細(xì)粉的機(jī)制砂中，石粉的添加量分別為機(jī)制砂總質(zhì)量的5%和10%，進(jìn)而得到JF5和JF10組機(jī)制砂混凝土。通過(guò)調(diào)整減水劑的用量，將坍落度控制在(220±10) mm，混凝土配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 不同類型機(jī)制砂混凝土配合比Table 1 Mix ratio of different types of mechanical sand concrete

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 混凝土早期自收縮試驗(yàn)

本文采用波紋管試驗(yàn)對(duì)混凝土自收縮性進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)方法參照ASTM C1698標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)儀器為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的SBT-AS100型混凝土自收縮應(yīng)變測(cè)試儀?；炷磷允湛s模具長(zhǎng)度為(420±2) mm、內(nèi)徑為(58.5±1) mm的聚乙烯波紋管。每組配方做2根，收縮率取2根試件的平均值?；炷磷允湛s計(jì)算公式為：

εa(t)=ξ(t)-ξ(0)

(1)

式中：εa(t)為混凝土試件在t時(shí)刻的自收縮應(yīng)變，ξ(t)為混凝土試件在t時(shí)刻的實(shí)測(cè)線性應(yīng)變，ξ(0)為混凝土試件在0時(shí)刻的實(shí)測(cè)線性應(yīng)變。

1.3.2 電通量試驗(yàn)

參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中的電通量法對(duì)混凝土抗氯離子滲透性進(jìn)行測(cè)試。所用儀器為北京耐爾得儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的NEL-PEU型混凝土電通量測(cè)定儀。試件尺寸為φ100 mm×50 mm，實(shí)驗(yàn)槽陽(yáng)極為0.3 mol/L NaOH溶液，陰極為3%NaCl溶液，施加60 V的電壓，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為6 h。各組混凝土試件的電通量測(cè)試齡期為28 d，每組混凝土測(cè)試3個(gè)試件，最后取平均值。

1.3.3 鹽凍試驗(yàn)

鹽凍試驗(yàn)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中的單面凍融法。采用北京耐爾德儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的NELD-FS810型單面凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。鹽凍試驗(yàn)試件尺寸為150 mm×110 mm×70 mm，鹽溶液為3%NaCl溶液，試樣測(cè)試原理圖詳見(jiàn)圖3，凍融循環(huán)制度如圖4所示。由于當(dāng)混凝土表面剝蝕明顯時(shí)，混凝土表面會(huì)變得凹凸不平，使得相對(duì)動(dòng)彈模量測(cè)定較為困難，測(cè)定值離散程度也變得較大[8]。本研究?jī)H以鹽凍試驗(yàn)結(jié)束后的試件累計(jì)剝落量作為混凝土抗鹽凍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]。試驗(yàn)結(jié)束條件為以下兩種條件中的任一情況：(1)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到28次；(2)試件單位表面面積剝落物總質(zhì)量大于1500 g/m2。每4次凍融循環(huán)后收集鹽凍剝蝕物，并更換鹽溶液以及照相機(jī)記錄試件表面形貌。

圖3 樣品測(cè)試示意圖
Fig.3 Schematic diagram of sample test

圖4 凍融試驗(yàn)升降溫曲線
Fig.4 Temperature rise curve of freeze-thaw test

2 結(jié)果與討論

2.1 石粉含量對(duì)混凝土自收縮性能的影響

圖5 機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土自收縮性能的影響Fig.5 Effect of stone powder content in manufactured sand on self-shrinkage of concrete

通常，混凝土自收縮在混凝土硬化前的塑性階段表現(xiàn)的更為明顯，為此本文主要觀察混凝土前72 h的形變。圖5為機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土自收縮性能的影響，從圖中可以看出，隨著石粉含量的增加混凝土自收縮也隨之增加，且JF0、JF5、JF10組在測(cè)試72 h后，總收縮量分別達(dá)到-437.333 με、-532.393 με、-662.393 με。其中JF5組和JF10組混凝土試件的72 h總收縮量，相對(duì)于JF0組分別增加21.7%和51.5%。另外，對(duì)照組機(jī)制砂混凝土本身就存在著明顯的早期自收縮，其影響因素是多方面的，如顆粒表面粗糙度、體積彈性模量、石粉含量等因素。本文的試驗(yàn)組混凝土相對(duì)于對(duì)照組增加的收縮量，主要為石粉含量的影響，說(shuō)明機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土自收縮的影響較為明顯。石粉對(duì)混凝土自收縮影響主要因?yàn)槭垲w粒粒徑較小，存在于混凝土基體中會(huì)對(duì)孔隙液產(chǎn)生較大的吸附作用，使得混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度降低，進(jìn)而增加了混凝土毛細(xì)管壓力，最終導(dǎo)致混凝土自收縮增大。機(jī)制砂中石粉含量越多，上述現(xiàn)象會(huì)變得越發(fā)顯著，但相對(duì)于機(jī)制砂中石粉對(duì)混凝土其他性能的改善作用，混凝土自收縮所帶來(lái)的影響應(yīng)予以正確權(quán)衡對(duì)待。

2.2 石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖6為石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，從圖6(a)中可知，隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，對(duì)應(yīng)混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度都有增加趨勢(shì)。這主要是由于機(jī)制砂中含有一定量的石粉在混凝土中可以起到填充密實(shí)作用，使得混凝土結(jié)構(gòu)變得更加致密，水泥水化產(chǎn)物對(duì)基體顆粒間的連接效果變得更好，從而增加了混凝土的抗壓強(qiáng)度。本研究的抗壓強(qiáng)度和齡期的對(duì)數(shù)之間存在線性相關(guān)關(guān)系，對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，且相關(guān)性都在0.919以上，線性回歸方程的斜率代表強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)速率，各組機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度隨齡期對(duì)數(shù)的變化如圖6(b)所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)各組線性方程的斜率有所不同，說(shuō)明各組混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率存在差異，表現(xiàn)為JF5>JF0>JF10。上述結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)機(jī)制砂中含有適量的石粉，其對(duì)混凝土的發(fā)展有促進(jìn)作用，但機(jī)制砂中含有過(guò)多的石粉會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率，這主要是由于，石粉對(duì)混凝土體系內(nèi)水分有吸附作用，過(guò)多的石粉含量會(huì)產(chǎn)生很大程度的水分吸收，相應(yīng)水泥顆粒分得的水分就會(huì)明顯減少，進(jìn)而影響水泥顆粒的正常水化，使得混凝土水化速率降低，從而降低了混凝土抗壓強(qiáng)度增加速率。

圖6 石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度影響
Fig.6 Effect of stone powder content on the compressive strength of manufactured sand concrete

2.3 石粉含量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響

圖7 石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗氯離子滲透性的影響Fig.7 Effect of stone powder content on chloride resistance of manufactured sand concrete

圖7為混凝土電通量隨機(jī)制砂中石粉含量的變化規(guī)律的試驗(yàn)研究結(jié)果，其中橫坐標(biāo)JF0、JF5、JF10三組混凝土主要反映的是機(jī)制砂中石粉含量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性影響。從圖中可以看出，隨著石粉含量的增加，混凝土的6 h電通量值也隨之增大。參照ASTM C 1202標(biāo)準(zhǔn)[10]，JF0組的28 d電通量處于滲透能力低水平，而JF5和JF10組的28 d電通量則位于滲透能力中等水平，這說(shuō)明未額外添加石粉的機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能更高，而摻加石粉的機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能變差。上述結(jié)果感覺(jué)有些出乎意料，但其實(shí)是正?，F(xiàn)象，因?yàn)?，混凝土配合比中機(jī)制砂總量是一定的，如果機(jī)制砂中石粉的含量增加，就意味著粒徑更大機(jī)制砂顆粒會(huì)相對(duì)減少，雖然石粉顆粒在混凝土中有微集料填充效應(yīng)，而且還可以促進(jìn)其周圍水泥顆粒進(jìn)一步水化，從而使得混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，但石粉含量的增多同時(shí)也增加了顆粒與顆粒之間存在的界面數(shù)量。所以機(jī)制砂中大顆粒對(duì)氯離子的阻擋能力，要好于石粉顆粒的微集料填充效應(yīng)對(duì)氯離子的阻擋所用，且隨著機(jī)制砂中石粉含量增多，混凝土抗氯離子滲透性逐漸減小。

2.4 石粉含量對(duì)混凝土抗鹽凍性能的影響

鹽凍剝蝕破壞比普通水凍損壞更為嚴(yán)重[11-12]，其破壞形式主要發(fā)生在膠凝材料表面。已有研究表明，處于凍結(jié)狀態(tài)的預(yù)飽和水泥基膠凝材料，當(dāng)溫度降低至過(guò)冷結(jié)束后，冰會(huì)優(yōu)先在基體中的較粗毛細(xì)孔或氣孔中瞬間成核，導(dǎo)致毛細(xì)孔中出現(xiàn)瞬態(tài)非飽和孔隙條件。此外，由于基體表面液體中鹽的存在，提供了未凍結(jié)的水分。上述條件使得孔隙結(jié)構(gòu)啟動(dòng)低溫吸力，開(kāi)始從鄰近的孔隙和表面的鹽溶液中吸取液體，進(jìn)而促進(jìn)孔隙結(jié)構(gòu)中冰核的長(zhǎng)大。而且，隨著冰的生長(zhǎng)又增加了額外的非飽和孔隙空間，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了吸力，最終導(dǎo)致冰的持續(xù)生長(zhǎng)。這就導(dǎo)致了表面區(qū)域受結(jié)冰膨脹作用，但這一區(qū)域會(huì)受到剩余體積混凝土的約束，而垂直于表面方向的約束可能不足，受泊松效應(yīng)的影響將使拉應(yīng)力增大。這種應(yīng)力狀態(tài)容易產(chǎn)生與混凝土表面平行的裂縫，最終導(dǎo)致表面局部膨脹和剝落[13-15]，機(jī)理示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 混凝土試件受鹽凍破壞作用機(jī)理示意圖
Fig.8 Schematic diagram of failure mechanism of concrete specimen by salt-frost

2.4.1 累計(jì)剝落量

圖9 石粉含量對(duì)混凝土抗鹽凍剝蝕性的影響Fig.9 Effect of stone powder content on salt-frost erosion resistance of concrete

單位面積的剝蝕量是評(píng)價(jià)混凝土抗鹽凍能力的重要指標(biāo)。圖9為經(jīng)28次凍融循環(huán)的各組混凝土試件單位測(cè)試表面面積剝落物的總質(zhì)量，從圖中可以看出，JF0、JF5、JF10三組的試件單位測(cè)試表面面積剝落物的總質(zhì)量存在著明顯的差異，其中，JF5組相對(duì)于對(duì)照組JF0有所減少，減少量為18.0%，而JF10組相對(duì)于對(duì)照組卻明顯增加，增加量為43.2%。因此，機(jī)制砂中石粉對(duì)混凝土的抗鹽凍性能影響存在最佳含量。機(jī)制砂中含有適量的石粉，可以在混凝土中填充顆粒與顆粒間的空隙，并均勻分散在大顆粒周圍，使得水泥水化產(chǎn)物能充分覆蓋各顆粒表面，同時(shí)也使大顆粒與水泥石間界面更加致密，進(jìn)而增加了混凝土中顆粒間的粘結(jié)力，最終減緩了試件表面受冰結(jié)晶壓力作用發(fā)生破壞剝落。如果機(jī)制砂中石粉含量過(guò)多，石粉會(huì)搶奪原本水泥顆粒占有的水分，導(dǎo)致連接顆粒與顆粒間的水泥水化產(chǎn)物量相對(duì)減少，進(jìn)而使得顆粒間的粘結(jié)力下降，所以試件表面容易受冰結(jié)晶壓力作用而發(fā)生剝落，也就出現(xiàn)JF10略大于JF0組的情況。

2.4.2 表面剝蝕形貌

圖10是經(jīng)28次凍融循環(huán)試驗(yàn)后各組混凝土試件的表面形貌圖。從圖中可以看出，雖然各組混凝土試件表面都出現(xiàn)了不同程度的局部剝落現(xiàn)象，但試件表面并未發(fā)現(xiàn)有骨料露出的嚴(yán)重剝落狀態(tài)，而且各組混凝土試件表面形貌差別肉眼區(qū)分不明顯，以上現(xiàn)象可說(shuō)明機(jī)制砂中石粉含量不會(huì)對(duì)混凝土抗鹽凍能力造成嚴(yán)重影響。

為了客觀準(zhǔn)確有效的評(píng)價(jià)各組混凝土的外觀質(zhì)量，本研究采用計(jì)算機(jī)圖像處理手段[16]，將混凝土試件表面的缺陷進(jìn)行量化，以二值化面積比例作為外觀質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。首先獲取圖像，即使用照相機(jī)在保證相同條件下對(duì)經(jīng)28次凍融循環(huán)試驗(yàn)后各組混凝土試件表面的形貌進(jìn)行拍照，如圖10所示。然后，進(jìn)行像素分離，選取合適的閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化，圖11為各組混凝土試件表面形貌的二值化之后圖形。最后，求缺陷面積與圖像總面積的百分比W，即黑色像素點(diǎn)占所有像素點(diǎn)的比例，各組混凝土的外觀質(zhì)量測(cè)評(píng)結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可看出混凝土外觀質(zhì)量好壞順序?yàn)镴F5>JF0>JF10，該結(jié)果與混凝土累計(jì)剝落量結(jié)果相同，這也再次證明機(jī)制砂中石粉存在最佳含量，在最佳含量以內(nèi)時(shí)，石粉對(duì)混凝土抗鹽凍能力起增強(qiáng)作用。

圖10 28次凍融循環(huán)后的各組混凝土試件外觀質(zhì)量原始圖
Fig.10 Original figure of appearance quality of each concrete specimen after 28 freeze-thaw cycles

圖11 各組混凝土試件表面形貌的二值化之后圖形
Fig.11 Graph after binarization of surface morphology of each concrete specimen

表2 各組混凝土外觀質(zhì)量測(cè)評(píng)結(jié)果(二值化)
Table 2 Evaluation results of concrete appearance quality of each group (binarization)

項(xiàng)目結(jié)果JF0JF5JF10所有像素點(diǎn)總數(shù)712374556819黑色像素點(diǎn)120311591386W/%16.915.520.3

3 結(jié) 論

(1)機(jī)制砂中石粉會(huì)增加C50混凝土的早期自收縮，且隨著石粉含量的增加混凝土自收縮逐漸增大。

(2)機(jī)制砂中石粉含量小于5%時(shí)，石粉能夠促進(jìn)C50混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展，且隨著石粉含量的增加混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)石粉含量達(dá)到10%時(shí)，雖然不會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度，但石粉減緩了混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展速率。

(3)機(jī)制砂中隨石粉含量的增加對(duì)混凝土氯離子滲透性有降低作用。石粉對(duì)C50混凝土抗鹽凍性能影響存在最佳含量，在最佳含量以內(nèi)時(shí)，石粉能夠提高混凝土的抗鹽凍能力，反之，將對(duì)混凝土抗鹽凍能力有降低作用。