風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能及孔隙特征

薛慧君，申向東*，侯雨豐，柳宗旭，鄭建庭

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

隨著中國(guó)西部地區(qū)諸多大型灌區(qū)渠道襯砌、堤防工程等水利設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)，混凝土是不可或缺的基礎(chǔ)材料.對(duì)于地處干旱半干旱地帶的西部各省區(qū)，若過度開采河砂資源作為混凝土細(xì)骨料，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致河砂資源日趨匱乏，加速當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境惡化.但若在該地區(qū)尋求能夠替代傳統(tǒng)河砂的綠色環(huán)保資源作為混凝土細(xì)骨料，則一定程度上可以降低材料成本，同時(shí)也利于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù).

風(fēng)積沙是來自于沙漠及戈壁地區(qū)經(jīng)受風(fēng)吹、積淀作用下形成的一種特細(xì)砂，分布于沙漠及沙地的表層與邊緣地帶[1].將風(fēng)積沙部分或全部替代傳統(tǒng)河砂配制風(fēng)積沙混凝土可以有效緩解西部地區(qū)河砂分布不均的客觀問題，最大程度上體現(xiàn)就地取材、節(jié)約資源等優(yōu)勢(shì)，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)效益.諸多研究者對(duì)風(fēng)積沙混凝土從不同角度進(jìn)行了研究并取得了一定的成果.AL-HARTHY等[2]、ZHANG等[3]研究表明風(fēng)積沙作為混凝土細(xì)骨料后能改變混凝土的和易性，其坍落度隨風(fēng)積沙替代率增大而增大，當(dāng)替代率大于50%時(shí)，其塌落度顯著減小，且混凝土的強(qiáng)度隨風(fēng)積沙替代率增大而減小.SEIF等[4]、LUO等[5]研究表明風(fēng)積沙混凝土的強(qiáng)度與風(fēng)積沙的摻量呈反比例關(guān)系.劉海峰等[6-7]研究表明沙漠砂有明顯的尺寸效應(yīng)，峰值壓應(yīng)力隨粗骨料顆粒最小粒徑增大而降低，隨粗骨料顆粒最大粒徑增大而先上升后降低.董偉等[8-9]研究表明不同風(fēng)積沙替代率的風(fēng)積沙混凝土彈性階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本趨于一致，進(jìn)入彈塑性階段后，風(fēng)積沙混凝土較普通混凝土應(yīng)力增長(zhǎng)更快且脆性增加.文獻(xiàn)[10-12]研究發(fā)現(xiàn)，采用相對(duì)動(dòng)彈性模量作為評(píng)價(jià)混凝土耐久性指標(biāo)更準(zhǔn)確，風(fēng)積沙能起到“填充”作用，能有效降低混凝土孔隙度，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，且風(fēng)積沙的摻入能顯著提升混凝土的抗凍性.

然而，針對(duì)適用于中國(guó)西部干旱半干旱地區(qū)水利工程的風(fēng)積沙混凝土基本力學(xué)性能及孔隙特征的相關(guān)研究尚不充分.基于此，文中選取內(nèi)蒙古庫布齊沙漠風(fēng)積沙為原材料配制風(fēng)積沙混凝土，以滿足內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水工混凝土設(shè)計(jì)要求為前提，設(shè)計(jì)C30強(qiáng)度的風(fēng)積沙混凝土，研究其基本力學(xué)性能及孔隙特征，并探討風(fēng)積沙混凝土在干旱半干旱地區(qū)水利工程中的適用性.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥選用蒙西P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，3和28 d抗壓強(qiáng)度分別為29.9和51.5 MPa，3和28 d抗折強(qiáng)度分別為6.7和10.8 MPa，其主要物理性能指標(biāo)：表觀密度ρs為2 950 kg/m3、比表面積A為325.9 kg/m3、細(xì)度α為1.8%、標(biāo)準(zhǔn)稠度體積用水率β為28.5%、燒失率γ為1.32%，初凝、終凝時(shí)間分別為220和 260 min，體積安定性合格.粉煤灰取自內(nèi)蒙古呼和浩特市金橋熱電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，其主要物理性質(zhì)指標(biāo)：表觀密度ρs為2 151 kg/m3、比表面積A為354.1 kg/m3、燒失率γ為3.06%、需水率θ為97.3%、微珠體積分?jǐn)?shù)δms為93.3%，80和45 μm篩余細(xì)度分別為1.7%和12.2%.

試驗(yàn)選取天然河砂和風(fēng)積沙作為混凝土細(xì)骨料，其中天然河砂取自呼和浩特市周邊砂場(chǎng)，風(fēng)積沙取自內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市庫布齊沙漠(108°33′13″E，40°18′44″N).普通砂與風(fēng)積沙的主要物理化學(xué)參數(shù)見表1，表中物理量為堆積密度ρa(bǔ)、細(xì)度模數(shù)m、體積含水率φ、含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωm、泥塊質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωc、氯離子體積分?jǐn)?shù)δCl、硫酸鹽與硫化物體積分?jǐn)?shù)δS.風(fēng)積沙顆粒級(jí)配曲線如圖1所示，圖中d為粒徑、Dc為累計(jì)分布率、Dd為密度.由圖可知風(fēng)積沙粒徑主要分布在50～250 μm之間，約占總體的82.78%，其中>250 μm占15.24%，<50 μm僅占1.98%.

表1 細(xì)骨料主要理化參數(shù)

圖1 風(fēng)積沙粒徑分布曲線

選取的普通卵碎石作為粗骨料，卵碎石取自呼和浩特市周邊石場(chǎng)，其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)：堆積密度ρa(bǔ)為1 650 kg/m3、表觀密度ρs為2 669 kg/m3、含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωm為0.37%、壓碎指標(biāo)B為3.7%、粒徑為4.75～31.50 mm.試驗(yàn)用水為普通自來水，外加劑為萘系減水劑，減水率為20%.

1.2 配合比設(shè)計(jì)

風(fēng)積沙混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，粉煤灰摻合料為膠凝材料的20%，減水劑為膠凝材料的0.1%.根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)，配制水膠比為0.45、砂率為41%，風(fēng)積沙替代率S分別為0，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%的8種混凝土(分別以A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H表示).混凝土配合比見表2，表中ρ為各配料的體積質(zhì)量.

表2 風(fēng)積沙混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)相關(guān)要求，采用“干拌法”進(jìn)行混凝土拌合成型.依照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)和《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，分別測(cè)試8組不同風(fēng)積沙摻量的混凝土在不同齡期的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件.

借助核磁共振測(cè)定不同齡期及不同風(fēng)積沙摻量下的風(fēng)積沙混凝土孔隙特征.測(cè)試前對(duì)風(fēng)積沙混凝土進(jìn)行鉆芯取樣，芯樣為Ф48 mm×H50 mm的圓柱體試件.將芯樣進(jìn)行真空飽水處理，采用蒸餾水為孔隙的流體介質(zhì)，真空壓力值為-0.1 MPa.為了避免測(cè)試過程中芯樣水分散失影響測(cè)試精度，測(cè)試前用白色生料帶在水中包裹試件，隨后取出被包裹試件并擦去生料帶表面的水分進(jìn)行核磁共振T2譜測(cè)試.測(cè)試后對(duì)T2譜積分得到試件孔隙中總的流體含量，通過T2圖譜可以計(jì)算得到混凝土孔隙特征參數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)積沙混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

2.1.1 風(fēng)積沙摻量對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響

風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)積沙摻量的變化規(guī)律如圖2所示，圖中物理量為風(fēng)積沙摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωs、立方體抗壓強(qiáng)度σp、齡期T.由圖可知，3 d和7 d齡期下風(fēng)積沙摻量為0的基準(zhǔn)組(A組)立方體抗壓強(qiáng)度最高，分別為16.3 MPa和26.4 MPa，且從10%開始隨著風(fēng)積沙摻量增加，強(qiáng)度都呈先上升后下降的趨勢(shì)；14 d和28 d齡期下風(fēng)積沙混凝土強(qiáng)度隨風(fēng)積沙摻量增加同樣呈先增加后降低的趨勢(shì)，風(fēng)積沙摻量30%的混凝土(D組)強(qiáng)度與A組基準(zhǔn)組持平，兩齡期下A和D組混凝土強(qiáng)度均可達(dá)到27 MPa和34 MPa以上；此外，28 d齡期下除了風(fēng)積沙摻量0和30%組外，20%和40%組混凝土抗壓強(qiáng)度也滿足C30的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求.風(fēng)積沙摻量為30%的混凝土強(qiáng)度與未摻風(fēng)積沙的混凝土強(qiáng)度持平.考慮經(jīng)濟(jì)合理，可以選擇摻量為20%～40%的風(fēng)積沙混凝土作為普通水工混凝土的替代材料.

圖2 風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)積沙摻量的變化

2.1.2 齡期對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響

風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線如圖3所示.由圖可知，不同風(fēng)積沙摻量的混凝土隨齡期增長(zhǎng)其立方體抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度也有所不同.未摻風(fēng)積沙的基準(zhǔn)組與風(fēng)積沙摻量為20%，30%和40%的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度明顯高于其他組，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)摻量為30%的D組立方體抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組基本持平；此外，基準(zhǔn)組7 d齡期強(qiáng)度26.4 MPa可達(dá)到28 d強(qiáng)度34.9 MPa的75.6%，而風(fēng)積沙摻量20%～40%的混凝土7 d齡期強(qiáng)度19.2～20.7 MPa為28 d強(qiáng)度30.3～34.3MPa的60.3%～64.9%.雖然適量風(fēng)積沙的摻入降低了混凝土的早期強(qiáng)度，但28 d齡期時(shí)風(fēng)積沙摻量20%～40%的風(fēng)積沙混凝土強(qiáng)度仍能夠滿足C30設(shè)計(jì)強(qiáng)度.從節(jié)約資源、降低成本的角度，風(fēng)積沙混凝土在抗壓強(qiáng)度方面完全能夠替代普通混凝土進(jìn)行應(yīng)用.

圖3 風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.1 風(fēng)積沙摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

風(fēng)積沙混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨風(fēng)積沙摻量變化曲線如圖4所示, 圖中σpu為劈裂抗拉強(qiáng)度.由圖可知，不同齡期下風(fēng)積沙混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著風(fēng)積沙摻量增加呈降低后先增加再降低的趨勢(shì)，且風(fēng)積沙摻量為30%時(shí)的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度不同程度大于包括基準(zhǔn)組的其他組，28 d齡期時(shí)風(fēng)積沙摻量為30%的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度可達(dá)1.9 MPa，略高于基準(zhǔn)組，這說明適量的風(fēng)積沙摻量可以改善混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度.

圖4 風(fēng)積沙混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨風(fēng)積沙摻量的變化

2.2.2 齡期對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

風(fēng)積沙混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期變化曲線如圖5所示.由圖可知，基準(zhǔn)組未摻風(fēng)積沙的A組與風(fēng)積沙摻量為30%的D組劈裂抗拉強(qiáng)度高于其他組別.隨著齡期增長(zhǎng)，A和D組的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度也大于其他組，風(fēng)積沙摻量30%的D組3 d和7 d齡期劈裂抗拉強(qiáng)度為1.4和1.6 MPa，可達(dá)到其28 d齡期劈裂抗拉強(qiáng)度1.9 MPa的73.7%和84.2%；而基準(zhǔn)組3 d和7 d齡期劈裂抗拉強(qiáng)度1.1和1.4 MPa僅為28 d齡期劈裂抗拉強(qiáng)度1.9 MPa的57.9%和73.7%，這說明適當(dāng)摻量的風(fēng)積沙混凝土早期劈裂抗拉強(qiáng)度明顯優(yōu)于普通混凝土.

圖5 風(fēng)積沙混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化

2.3 風(fēng)積沙混凝土核磁共振孔隙試驗(yàn)

2.3.1 風(fēng)積沙混凝土孔隙分布

以7 d和28 d為例，不同齡期的風(fēng)積沙混凝土孔隙分布曲線如圖6所示，圖中物理量為幅度μ，T2弛豫時(shí)間t2、頻率f、孔隙半徑r.由圖可知，不同風(fēng)積沙混凝土的T2圖譜及孔隙分布均為3個(gè)特征峰，其中第1峰曲線積分面積最大，第2峰曲線積分面積次之，第3峰曲線積分面積最小.例如根據(jù)原始核磁共振數(shù)據(jù)可知齡期為7 d的8組風(fēng)積沙混凝土的T2弛豫時(shí)間均為0.04～2 763.84 ms，通過計(jì)算T2圖譜數(shù)據(jù)可知最小弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)的最小孔隙半徑分別為3.61×10-8，2.88×10-8，3.13×10-8，2.68×10-8，4.01×10-8，4.28×10-8，2.52×10-8和2.17×10-8μm；隨著風(fēng)積沙摻量增加，最小孔隙半徑呈先增大后減小的趨勢(shì)，初步說明適量加入風(fēng)積沙可以使混凝土內(nèi)部孔隙向小孔徑方向發(fā)展；8組風(fēng)積沙混凝土的總特征峰T2譜積分面積分別為2 768.995，3 476.294，3 199.164，3 729.914，2 491.753，2 338.932，3 882.239和4 617.454，第3特征峰占總峰面積分別為1.00%，1.70%，0.70%，0.98%，1.16%，1.68%，2.40%和1.10%，同樣說明適量加入風(fēng)積沙可以減小大孔徑的占比.

圖6 不同齡期風(fēng)積沙混凝土T2圖譜及孔隙分布曲線

2.3.2 風(fēng)積沙混凝土孔徑分布

根據(jù)YAMAN等[13]的研究，將孔徑分布分為3種孔徑：凝膠孔(r<0.01 μm)、毛細(xì)孔(0.01≤r≤10 μm)和多害孔(r>10 μm).結(jié)合7 d和28 d的孔隙分布曲線對(duì)孔隙進(jìn)一步劃分歸類，可得到風(fēng)積沙混凝土孔隙分布占比τ及孔隙度ξ曲線，如圖7和8所示.

圖7 不同齡期風(fēng)積沙混凝土不同孔隙占比圖

圖8 不同齡期風(fēng)積沙混凝土孔隙度

由圖7可知，將孔隙分布劃分成凝膠孔、毛細(xì)孔以及多害孔3類后，明顯發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)積沙摻量增加，凝膠孔呈先增多后減少的趨勢(shì)，而多害孔呈先減少后增多的趨勢(shì).以7 d為例，風(fēng)積沙摻量為30%的D組凝膠孔占比相較未摻風(fēng)積沙的A組多9%，多害孔占比由A組的0.9%降到0.5%.

結(jié)合圖7和8可知，孔隙度隨著風(fēng)積沙摻量增加呈先減小后增加的趨勢(shì)，但是孔隙度只能說明試件內(nèi)部總空隙的多少，并不能說明內(nèi)部孔隙的優(yōu)劣，因此結(jié)合不同風(fēng)積沙混凝土孔隙分布及孔隙度分布圖分析，可初步得到8組風(fēng)積沙混凝土中D組總孔隙占比少且小孔隙占比多，同樣可以說明適量加入風(fēng)積沙可以減小大孔隙占比，使混凝土內(nèi)部孔隙向小孔隙方向增加.

2.3.3 不同齡期下風(fēng)積沙混凝土的孔隙演變

不同齡期混凝土孔隙演變主要針對(duì)基準(zhǔn)A組和風(fēng)積沙摻量為30%的D組混凝土孔隙半徑分布加以說明.不同齡期下普通混凝土和風(fēng)積沙混凝土核磁共振T2譜分布曲線和孔徑生長(zhǎng)發(fā)育演變曲線如圖9，10所示.圖中B為幅度、t2為T2弛豫時(shí)間、f為頻率、r為孔隙半徑、T為齡期.隨著齡期增長(zhǎng)，A和D 2組的特征峰都有減小的趨勢(shì)，并且大孔徑孔隙也隨著齡期增長(zhǎng)而減少.由此可以初步說明大孔徑孔隙是影響混凝土抗壓強(qiáng)度的因素之一.

圖9 不同齡期混凝土核磁共振T2譜分布曲線

圖10 不同齡期混凝土孔隙生長(zhǎng)發(fā)育演變曲線

3 結(jié) 論

1)隨風(fēng)積沙摻量增加，風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度值和劈裂抗拉強(qiáng)度值均呈先升高后劇烈降低的趨勢(shì).風(fēng)積沙摻量為30%時(shí)的混凝土力學(xué)性能最佳且與基準(zhǔn)組相持平；風(fēng)積沙摻量為20%～40%的混凝土也滿足普通水工混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，說明適當(dāng)?shù)娘L(fēng)積沙可部分替代河砂作為細(xì)骨料應(yīng)用于水工混凝土中.

2)隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，各組風(fēng)積沙混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均有不同幅度增加，風(fēng)積沙摻量為30%的混凝土增長(zhǎng)幅度較為明顯，且風(fēng)積沙混凝土早期劈裂抗拉強(qiáng)度明顯優(yōu)于普通混凝土.

3)風(fēng)積沙能有效填充孔隙.隨風(fēng)積沙摻量增加，混凝土內(nèi)部孔隙率呈先下降后上升的趨勢(shì).當(dāng)在風(fēng)積沙替代率為30%時(shí)孔隙率最小，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)最為密實(shí)，強(qiáng)度增加.隨齡期增加，各組混凝土的孔隙明顯減少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部密實(shí)，強(qiáng)度增大.