乳化瀝青對(duì)機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能及耐久性的影響研究

宋敬亮

（鐵正檢測(cè)科技有限公司，濟(jì)南250014）

1 引言

國(guó)家基本建設(shè)的快速發(fā)展造成了混凝土用砂的需求量急增，天然砂固然性能優(yōu)異，但其作為一種地方性資源，分布不均勻，不可再生，不適宜長(zhǎng)距離運(yùn)輸。目前，不少地區(qū)的天然砂資源接近枯竭，多地政府已經(jīng)出臺(tái)了相關(guān)環(huán)境保護(hù)政策開(kāi)始禁采或限采天然砂[1]，工程用砂供需矛盾日益突出，導(dǎo)致砂的價(jià)格越來(lái)越高，某些地區(qū)甚至無(wú)砂可用，影響了工程建設(shè)的進(jìn)展[2]。所以，機(jī)制砂在工程中的地位越來(lái)越重要，將成為建設(shè)用砂的重要來(lái)源。

由于機(jī)制砂顆粒表面粗糙、富有棱角而自身滾動(dòng)能力差，具有較大的比表面積而需要消耗較多的漿體予以包裹才能達(dá)到與天然砂同樣的流動(dòng)性[3]。機(jī)制砂中原有的一定量的石粉可以有效填充混凝土漿體內(nèi)部空隙，一定程度上改善了混凝土漿體的界面特征[4]。在當(dāng)前的鐵路工程建設(shè)中，梁體、軌枕等C50 及以上高性能混凝土仍然只允許采用天然砂生產(chǎn)，因?yàn)殛P(guān)于采用機(jī)制砂混凝土生產(chǎn)鐵路梁體、軌枕等可能存在的混凝土耐久性等問(wèn)題仍未解決。

本文引入乳化瀝青這種柔性材料，改善機(jī)制砂混凝土的抗凍性及密實(shí)度，采用內(nèi)摻外摻等方式，對(duì)機(jī)制砂混凝土的耐久性進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

2.1.1 水泥

本試驗(yàn)所使用的水泥是廣西虎鷹水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。其28d 抗壓強(qiáng)度為48.5MPa，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 虎鷹水泥的化學(xué)成分（質(zhì)量百分比）%

2.1.2 機(jī)制砂

本試驗(yàn)所采用的機(jī)制砂產(chǎn)地為東江建材有限公司，生產(chǎn)砂的母巖為石灰?guī)r，母巖抗壓強(qiáng)度125MPa，該機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.9，石粉含量6.3%。

2.1.3 乳化瀝青

本試驗(yàn)所采用的乳化瀝青產(chǎn)地為紹興澳科瑪化工科技有限公司，其含固量50%，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 乳化瀝青的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)

2.1.4 減水劑

本試驗(yàn)所用減水劑為緩凝型聚羧酸高性能減水劑，生產(chǎn)廠(chǎng)家為四川恒澤建材有限公司，其減水率為28%。

2.1.5 粗骨料

本試驗(yàn)所用粗骨料產(chǎn)地為河池永固碎石有限公司，為石灰?guī)r碎石，母巖抗壓強(qiáng)度119MPa。

2.2 試驗(yàn)和混凝土配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)按JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行混凝土坍落度、擴(kuò)展度T500、含氣量等混凝土拌和物性能的測(cè)試。

混凝土攪拌方法借鑒于裹漿法[5]。裹漿法是指在潤(rùn)濕過(guò)得骨料表面包裹上一次水泥漿，形成薄薄的一層殼，防止骨料在漿體內(nèi)沉浮[6]。使用較少的水泥就可以加工出強(qiáng)度高、流動(dòng)性好的混凝土。試驗(yàn)用規(guī)格為150mm×150mm×150mm 的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試模，電通量試模。

本試驗(yàn)乳化瀝青加入方式為外摻和內(nèi)摻2 種，水膠比為0.36，砂率為40%，采用二級(jí)配碎石。該試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)如表3 和表4 所示。

表3 外摻配合比設(shè)計(jì)kg

表4 內(nèi)摻配合比設(shè)計(jì)kg

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 混凝土強(qiáng)度

本試驗(yàn)按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定[7]。

2.3.2 混凝土孔隙率

本試驗(yàn)是參照日本《透水性混凝土河川護(hù)堤施工手冊(cè)》中提出的連續(xù)孔隙率測(cè)試方法對(duì)混凝土孔隙率進(jìn)行測(cè)定。

2.3.3 混凝土電通量和抗凍性

本試驗(yàn)按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。

2.3.4 X-射線(xiàn)衍射分析（XRD）

X-射線(xiàn)衍射分析是用來(lái)鑒定不同水泥試樣不同齡期的水化產(chǎn)物。本研究采用粉末試樣衍射方法，儀器為美國(guó)Thermo electron corporation 生產(chǎn)的ARL X.TBA 型X-射線(xiàn)衍射儀。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

圖1 和圖2 分別為該乳化瀝青摻量與機(jī)制砂混凝土7d 和56d 抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線(xiàn)圖。由圖可知，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著乳化瀝青摻量的增加而增加，其力學(xué)性能與乳化瀝青摻量呈現(xiàn)正相關(guān)性[7]。當(dāng)不摻加乳化瀝青時(shí)，機(jī)制砂混凝土的7d抗壓強(qiáng)度為32.7MPa、56d 抗壓強(qiáng)度為46.4MPa。而當(dāng)外摻15%乳化瀝青時(shí)，該機(jī)制砂混凝土的7d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到38.3MPa、56d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到52.4MPa，與空白試樣相比分別提升了17.1%和12.9%；當(dāng)內(nèi)摻15%乳化瀝青時(shí)，該機(jī)制砂混凝土的7d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到35.7MPa、56d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到47.4MPa，與空白試樣相比分別提升了9.2%和2.2%。產(chǎn)生以上增加的原因?yàn)槿榛癁r青填充了界面微孔，因此使混凝土的強(qiáng)度大幅增加[8]。

圖1 乳化瀝青摻量與混凝土7d 抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 乳化瀝青摻量與混凝土56d 抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3.2 電通量

由圖3 可知，機(jī)制砂混凝土的電通量隨著乳化瀝青摻量的增加而增加，當(dāng)乳化瀝青摻量為0 時(shí)，機(jī)制砂混凝土的電通量分別為931C，而當(dāng)乳化瀝青摻量15%時(shí)，其機(jī)制砂混凝土外摻和內(nèi)參乳化瀝青的電通量分別為為823C 和865C，與空白試樣相比分別提升了11.6%和7.1%，這是因?yàn)槿榛癁r青的填空效應(yīng)，因此，使機(jī)制砂混凝土更加密實(shí)。

圖3 乳化瀝青摻量與混凝土7d 電通量的關(guān)系

3.3 抗凍性

圖4 給出了乳化瀝青對(duì)機(jī)制砂混凝土抗凍性的影響，機(jī)制砂混凝土的凍融質(zhì)量損失隨著乳化瀝青摻量的增加而降低，其抗凍性與乳化瀝青摻量呈現(xiàn)正相關(guān)性[9]。將試件凍融循環(huán)200次，當(dāng)乳化瀝青摻量為0 時(shí)，機(jī)制砂混凝土的質(zhì)量損失為4.7%；而當(dāng)乳化瀝青摻量15%時(shí)，其外摻和內(nèi)摻的質(zhì)量損失為3.7%和3.5%，與空白試樣相比分別提升了21.3%和25.5%；這是因?yàn)槿榛癁r青作為一種柔性材料，為混凝土提供一個(gè)可以收縮膨脹的空間，混凝土處于凍融時(shí)，處于骨料間的乳化瀝青受到擠壓而收縮；其次由于乳化瀝青的填空效應(yīng)，使混凝土孔隙率降低，存在于混凝土中的自由水減少，抗凍性能增加。

3.4 孔隙率與混凝土抗凍性的相關(guān)性

圖5 和圖6 給出了摻乳化瀝青機(jī)制砂混凝土孔隙率與其凍融后質(zhì)量損失的相關(guān)性。由圖5 和圖6 可知混凝土的質(zhì)量損失隨著孔隙率的降低而降低。當(dāng)孔隙率介于7.3%～11.7%時(shí)，混凝土的抗凍質(zhì)量損失在3.2 %～4.3%，混凝土孔隙率與內(nèi)摻乳化瀝青時(shí)凍融質(zhì)量損失的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.855 6，混凝土孔隙率與外摻乳化瀝青時(shí)凍融質(zhì)量損失的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.916 5。

圖4 乳化瀝青摻量與混凝土抗凍性的關(guān)系

圖5 孔隙率與外摻乳化瀝青混凝土抗凍性的相關(guān)性

圖6 孔隙率與內(nèi)摻乳化瀝青混凝土抗凍性的相關(guān)性

3.5 孔隙率與混凝土電通量的相關(guān)性

圖7 和圖8 給出了摻乳化瀝青機(jī)制砂混凝土孔隙率與其電通量的相關(guān)性。由圖7 和圖8 可知混凝土的電通量隨著孔隙率的降低而變小。當(dāng)孔隙率介于11.7～7.3%時(shí)，混凝土的電通量值為870～740C，混凝土孔隙率與內(nèi)摻乳化瀝青時(shí)電通量值的相關(guān)系數(shù)（R2）達(dá)到0.931 9，混凝土孔隙率與外摻乳化瀝青時(shí)電通量值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.988 3。

圖7 孔隙率與外摻乳化瀝青混凝土電通量的相關(guān)性

圖8 孔隙率與內(nèi)摻乳化瀝青混凝土電通量的相關(guān)性

3.6 水化產(chǎn)物XRD 分析

圖9 所示為乳化瀝青改性水泥的水化產(chǎn)物的X-射線(xiàn)衍射分析（XRD）。為了探究不同摻量的乳化瀝青對(duì)水泥水化的影響，設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)，用來(lái)探索相同齡期、不同乳化瀝青摻量的乳化瀝青改性水泥漿體凝結(jié)后的水泥塊的XRD 衍射曲線(xiàn)。B2～B4 4 條XRD 分析曲線(xiàn)分別是在水泥漿體中摻加5%、10%、15%、20%的乳化瀝青，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)72h 后，分別取適量試驗(yàn)樣品研磨充分，過(guò)1000 目篩后進(jìn)行X-射線(xiàn)衍射分析測(cè)試。通過(guò)曲線(xiàn)分析和比對(duì)PDF 卡得出：曲線(xiàn)中主峰為C3S 水化的產(chǎn)物，主要化學(xué)成分為Ca（OH）2晶體，水泥強(qiáng)度跟水灰比和水化程度相關(guān)[9,10]，為研究水泥強(qiáng)度與其水化程度的關(guān)系，設(shè)計(jì)的上述試驗(yàn)中維持水灰比不變，從4 條XRD 衍射曲線(xiàn)明顯分析出，對(duì)比其他曲線(xiàn)，B5 曲線(xiàn)中各峰值最高，從而說(shuō)明其產(chǎn)生的晶型最多最好，說(shuō)明該曲線(xiàn)水泥水化程度最高，水泥強(qiáng)度也最高。

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析，得出以下結(jié)論：

1）乳化瀝青的加入對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度具有一定的提升，而當(dāng)乳化瀝青摻量15%時(shí)，其外摻7d 和56d 抗壓強(qiáng)度為38.3MPa 和52.4MPa，與空白試樣相比分別提升了17.1%和12.9%。

圖9 乳化瀝青改性水泥水化產(chǎn)物的XRD 分析

2）乳化瀝青可以改善混凝土的抗凍性能，當(dāng)乳化瀝青摻量15%時(shí)，其外摻和內(nèi)摻的凍融后質(zhì)量損失為3.7%和3.5%，與空白試樣相比分別提升了21.3%和25.5%。

3）乳化瀝青具有填補(bǔ)混凝土空隙的作用，使混凝土更加密實(shí)，對(duì)混凝土耐久性效果顯著。