風(fēng)積沙混凝土微觀結(jié)構(gòu)及孔隙特征研究*

銀英姿， 雷雅楠， 蘇 英

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 包頭 014010)

0 引言

我國西北地區(qū)荒漠化嚴(yán)重，長期以來困擾著西部地區(qū)的建設(shè)與發(fā)展。風(fēng)積沙是一種來自沙漠、戈壁的特細(xì)砂，是經(jīng)風(fēng)吹動，通過自然力沖積到平原形成的沙層。若將我國豐厚的風(fēng)積沙資源應(yīng)用于建筑項(xiàng)目工程中不僅可以抑制荒漠化、保護(hù)生態(tài)環(huán)境免遭破壞，還可減少實(shí)際工程中粗砂的采集和運(yùn)輸成本，降低工程造價[1-2]。

抗壓強(qiáng)度是混凝土最基本和最主要的力學(xué)性能指標(biāo)，也是劃分混凝土強(qiáng)度等級的重要指標(biāo)。因此，對風(fēng)積沙替代普通河砂制備的風(fēng)積沙混凝土(Aeolian Sand Concrete，ASC)進(jìn)行立方抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時，對其強(qiáng)度分析是必不可少的。Benabed等人[3]利用特細(xì)砂配制自密實(shí)砂漿，對其力學(xué)性能開展了研究，當(dāng)特細(xì)砂取代河砂不超過50%時，砂漿的力學(xué)性能沒有下降，替代率超過75%時，流動度有所下降，結(jié)果表明特細(xì)砂可以作為砂漿細(xì)骨料的替代材料。維利思等人[4]利用灰色理論對不同ASC的抗壓強(qiáng)度和內(nèi)部孔隙規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明當(dāng)小孔越多，大孔越少時，抗壓強(qiáng)度越大。付杰、陳俊杰等人[5-6]通過正交試驗(yàn)，分析了沙漠砂替代率、水膠比、粉煤灰摻量和灰砂比對沙漠砂混凝土性能的影響，結(jié)果表明沙漠砂替代率為20%時，對抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大。楊維武等人[7]設(shè)計正交試驗(yàn),研究水膠比、砂率、粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對不同齡期高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明沙漠砂可替代中砂配制高強(qiáng)混凝土，沙漠砂在高強(qiáng)混凝土中的最佳替代率為0～40%。

綜上，ASC已經(jīng)得到了較多研究，并取得了豐碩的研究成果，但對微觀方面的研究較少。風(fēng)積沙摻入改變了混凝土水化產(chǎn)物和孔結(jié)構(gòu)，而孔結(jié)構(gòu)是混凝土的重要組成部分，與混凝土的抗壓強(qiáng)度密切相關(guān)[8]。因此，本文通過風(fēng)積沙等質(zhì)量替代普通河砂制備ASC，對其進(jìn)行立方抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，通過掃描電鏡(SEM)和核磁共振(NMR)技術(shù)對其微觀形貌和孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，并開展強(qiáng)度、孔結(jié)構(gòu)研究，探討不同孔徑以及孔隙率與抗壓強(qiáng)度的影響，建立ASC強(qiáng)度-孔結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系模型，揭示風(fēng)積沙對混凝土力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)的內(nèi)在控制因素和影響機(jī)制。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：P·O 42.5。粉煤灰：內(nèi)蒙古某公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。河砂：顆粒級配良好的天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.87，堆積密度1 530kg/m3，表觀密度2 580kg/m3，化學(xué)成分見表1。風(fēng)積沙：內(nèi)蒙古庫布齊沙漠，主要顆粒粒徑0.075～0.25mm，堆積密度1 580kg/m3，表觀密度2 650kg/m3，化學(xué)成分見表1。石子：包頭市周邊采石場普通碎石，5～31.5mm連續(xù)級配，堆積密度1 650kg/m3，表觀密度2 680kg/m3。水：當(dāng)?shù)仄胀嬘盟?。外加劑：聚羧酸?fù)合高效減水劑，減水率22%。

表1 風(fēng)積沙與天然河砂主要化學(xué)成分

1.2 ASC配合比設(shè)計

本試驗(yàn)混凝土配合比按照C40強(qiáng)度等級進(jìn)行設(shè)計，內(nèi)摻10%粉煤灰替代水泥，經(jīng)多次試配和調(diào)整，確定外加劑質(zhì)量為膠凝材料的2%，水膠比為0.42，砂率為0.43。分別以質(zhì)量比為10%，20%，30%和40%的風(fēng)積沙取代普通河砂制備ASC，混凝土配合比見表2。

表2 ASC配合比/(kg/m3)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

(1)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行混凝土立方體抗壓強(qiáng)度測試，測試齡期為3，7，28d。

(2)掃描電鏡(SEM)分析：對試件進(jìn)行制樣，放置于樣品托上涂布導(dǎo)電膠帶，置于離子濺射儀中進(jìn)行噴金處理，并采用Hitachi S-4800型場發(fā)射電鏡觀測ASC水化產(chǎn)物的微觀形貌。

(3)采用MesoMR23-060-I型核磁共振分析系統(tǒng)，測定標(biāo)養(yǎng)28d的ASC的孔隙特征。將試塊切割鉆芯為φ48×50的圓柱體試件并在真空飽和裝置中進(jìn)行24h真空飽水，使其達(dá)到飽和狀態(tài)，測量混凝土的T2譜特征值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 ASC立方抗壓強(qiáng)度

圖1和圖2分別為ASC抗壓強(qiáng)度與風(fēng)積沙替代率和齡期之間的關(guān)系。由圖1，2可知，立方抗壓強(qiáng)度隨著風(fēng)積沙替代率的增加呈先增大后減小的趨勢，且試驗(yàn)組強(qiáng)度均比基準(zhǔn)組A0高。當(dāng)風(fēng)積沙替代率為20%時，各齡期ASC的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，較基準(zhǔn)組分別提高了23.84%，11.12%，10.20%。分析其原因，主要由于風(fēng)積沙屬于特細(xì)砂，在同一水膠比下，適量的風(fēng)積沙可以較好地填充混凝土內(nèi)部孔隙，優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)機(jī)體密實(shí)度，從而使抗壓強(qiáng)度增大；風(fēng)積沙吸水性較強(qiáng)，要得到同樣流動性的混凝土需要增加用水量，當(dāng)替代率大于20%時，混凝土流動性會隨著風(fēng)積沙替代率的增加而降低，進(jìn)而影響混凝土的密實(shí)度。同時風(fēng)積沙替代率較高時，雖然風(fēng)積沙填充了孔隙，但由于風(fēng)積沙比表面積較大，需要的水泥漿量大幅度增加，導(dǎo)致混凝土的水泥量相對不足，引起混凝土強(qiáng)度下降[9]。

圖2 ASC抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

2.2 ASC微觀結(jié)構(gòu)和孔隙特征

2.2.1 SEM形貌分析

為了深入觀察風(fēng)積沙替代普通河砂對混凝土微觀形貌的變化，選取齡期為28d的A0，A20和A40三組ASC進(jìn)行電鏡掃描，圖3為混凝土水化產(chǎn)物形貌和細(xì)骨料與水泥石界面過渡區(qū)形貌。由圖3(a)可以看出A0組有大量未水化的六角形片狀Ca(OH)2晶體，其周圍富集著許多針棒狀晶體，微觀結(jié)構(gòu)較松散，密實(shí)度稍差。由圖3(d)可知A0組ASC內(nèi)水泥石與普通河砂膠結(jié)不夠緊密，有明顯的裂縫和孔洞，水化產(chǎn)物比較單一。圖3(b)和圖3(e)可以看出A20組ASC內(nèi)風(fēng)積沙與水化產(chǎn)物緊密結(jié)合在一起，界面區(qū)幾乎看不到裂縫的存在，水化生成的網(wǎng)狀C-S-H凝膠和針棒狀晶體交織在一起形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)填充于風(fēng)積沙與水泥石界面之間。圖3(c)和圖3(f)中觀察可以發(fā)現(xiàn)A40組ASC內(nèi)部Ca(OH)2晶體明顯較少，水泥石與骨料界面區(qū)連接較為緊密，可以看出存在微裂縫，密實(shí)性相對較A0組好，但不如A20組。

圖3 各組試件28d的SEM圖

對上述現(xiàn)象進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，針棒狀水化產(chǎn)物為鈣礬石(Aft)，且能拉結(jié)塊狀化合物顆粒起到膠結(jié)作用。其次片層狀的Ca(OH)2晶體自身強(qiáng)度和穩(wěn)定性要小于網(wǎng)狀C-S-H凝膠和針棒狀A(yù)ft。由于Ca(OH)2晶體自身強(qiáng)度更低，外力作用下很容易斷裂，造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。所以A0組抗壓強(qiáng)度最低。同時上述試驗(yàn)現(xiàn)象也說明了當(dāng)風(fēng)積沙替代率為20%時，大量C-S-H凝膠和針棒狀A(yù)ft晶體提高了ASC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密度，改善了水泥石的界面結(jié)構(gòu)，因此A20組宏觀表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度最大。當(dāng)風(fēng)積沙替代率較高時，由于風(fēng)積沙比表面積較大，在相同用水量下，混凝土拌合物流動度下降，孔隙增多，界面過渡區(qū)出現(xiàn)微裂縫，砂漿與骨料粘結(jié)作用減弱，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此A40組宏觀表現(xiàn)立方抗壓強(qiáng)度低于A20組，但高于A0組。

2.2.2 NMR孔隙特征分析

孔隙結(jié)構(gòu)是混凝土的重要組成部分，其對預(yù)測混凝土的宏觀性能具有很大的貢獻(xiàn)。因此通過NMR技術(shù)對五組ASC進(jìn)行CPMG脈沖序列并采集核磁共振數(shù)據(jù)。根據(jù)NMR原理[10-11]，弛豫時間T2與孔徑之間呈正比，T2越小，孔徑越小，存在于孔中的水受到的束縛程度越大，且其峰的面積大小決定著對應(yīng)孔徑的多少。圖4為五組ASC的T2譜分布曲線。T2譜分布面積及各峰比例見表3。

圖4 ASC的T2譜分布曲線

表3 ASC的T2譜分布面積及各峰比例

由圖4可知，五組混凝土核磁共振T2譜主要表現(xiàn)為連續(xù)3～4個峰，且各個峰值信號存在較大差異，但T2譜特征趨于一致。對比發(fā)現(xiàn)：摻入風(fēng)積沙后，ASC的T2譜首峰均出現(xiàn)左移，表明適量的風(fēng)積沙摻入可以較好地填充混凝土內(nèi)部孔隙，提高基體密實(shí)度，使得部分大孔向小孔發(fā)展。由表3可知，五組混凝土的首峰面積所占總面積比列均達(dá)65%以上，高于其余各峰，說明在五組混凝土中小尺寸的孔隙占絕大部分。且首峰面積所占總面積比列隨著風(fēng)積沙替代率的增加呈先增大后減小的趨勢，與宏觀抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律一致，說明小尺寸孔隙所占比列與抗壓強(qiáng)度存在一定的相關(guān)性。

為了進(jìn)一步研究混凝土內(nèi)部不同孔徑對混凝土宏觀性能的影響，對混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行等級劃分，同時引入流體飽和度概念。根據(jù)Powers T C[12]和我國吳中偉[13]院士對孔結(jié)構(gòu)等級的劃分，依據(jù)不同孔徑對應(yīng)的弛豫時間，對混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)劃分為非毛細(xì)孔、毛細(xì)孔和膠凝孔。而流體飽和度是指混凝土孔隙中流體所占的體積分?jǐn)?shù)。圖5為五組混凝土的不同孔徑分布直方圖。表4為五組混凝土標(biāo)樣28d的孔隙特征數(shù)。

表4 五組混凝土標(biāo)樣28d的孔隙特征數(shù)

由圖5可知，ASC內(nèi)部主要孔隙為毛細(xì)孔，占總孔隙的70%～80%，其次為膠凝孔和非毛細(xì)孔，膠凝孔占總孔隙的10%～20%。隨著風(fēng)積沙替代率的增加，混凝土內(nèi)部膠凝孔所占比呈先增大后減小的變化趨勢，且風(fēng)積沙替代率為20%時，膠凝孔所占比最大，達(dá)到了20%。與抗壓強(qiáng)度對比發(fā)現(xiàn)，膠凝孔所占比變化規(guī)律與其抗壓強(qiáng)度的變化趨勢一致。主要原因是，風(fēng)積沙顆粒細(xì)小均勻，當(dāng)風(fēng)積沙等質(zhì)量替代河砂摻入混凝土中，可以有效對微觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，使得大孔數(shù)量降低，小孔增加，細(xì)化了微觀孔結(jié)構(gòu)。因此，膠凝孔所占比例越大對抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越大。

圖5 混凝土孔徑類型比例分布

孔隙特征參數(shù)結(jié)果表明：隨著風(fēng)積沙替代率的增加，混凝土自由流體飽和度呈先減少后增加的趨勢。自由流體飽和度越大，內(nèi)部自由水越多，自由水蒸發(fā)而形成的毛細(xì)孔以及大孔含量增多，進(jìn)而孔隙率增大，宏觀表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的降低。由表4可知，A20組內(nèi)部自由流體飽和度和孔隙率均為最低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，抗壓強(qiáng)度最大。A40組混凝土由于過量風(fēng)積沙的摻入，相對吸水率增大，造成混凝土拌合物流動性降低致使內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率和自由流體飽和度增大，但均小于A0組。因此，A40組混凝土抗壓強(qiáng)度低于A20組，但高于A0組。

3 抗壓強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)關(guān)系模型

圖6為ASC抗壓強(qiáng)度與孔徑分布、孔隙率之間的關(guān)系。由圖6(a)和圖6(b)可知，抗壓強(qiáng)度與毛細(xì)孔和非毛細(xì)孔含量比例之間無明顯的關(guān)系?？箟簭?qiáng)度與膠凝孔所占比、孔隙率之間均存在一定的相關(guān)性。由圖6(c)和圖6(d)可以看出抗壓強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而減少，隨著膠凝孔所占比的增大而增大。這是由于孔隙率在一定程度上可以表征混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙率越小，試件內(nèi)部越密實(shí)。同時該規(guī)律與Mehta[14]認(rèn)為試件強(qiáng)度隨著膠凝孔所占比增多而增大相類似。綜上可知，膠凝孔所占比與孔隙率可在一定程度上表征混凝土的宏觀強(qiáng)度變化。

圖6 抗壓強(qiáng)度與孔徑分布、孔隙率的關(guān)系

在上述單因素分析基礎(chǔ)上，為更好地分析混凝土宏觀抗壓強(qiáng)度與內(nèi)部孔隙特征參數(shù)之間的定量關(guān)系，通過多元回歸建立了考慮膠凝孔所占比與孔隙率兩方面因素的孔結(jié)構(gòu)-強(qiáng)度模型。由單因素可知，強(qiáng)度與膠凝孔所占比、孔隙率之間分別為二次和一次函數(shù)關(guān)系。因此假設(shè)模型為式(1)，回歸結(jié)果見表5。

由表5可知，該模型具有較高擬合精度，相關(guān)系數(shù)R2為0.995。因此，認(rèn)為膠凝孔所占比與孔隙率在一定條件下可以較好地預(yù)測混凝土的抗壓強(qiáng)度。

表5 多元回歸系數(shù)

Rc=β0+β1n+β2e+β3e2

(1)

式中：Rc為混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；n為孔隙率，%；e為混凝土內(nèi)膠凝孔所占比，%；β0，β1，β2和β3為回歸參數(shù)。

4 結(jié)論

(1)風(fēng)積沙等質(zhì)量取代普通河砂對混凝土強(qiáng)度影響較大，當(dāng)風(fēng)積沙替代率為20%時，抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)最優(yōu)，較基準(zhǔn)組大約提高了10%～24%。

(2)在風(fēng)積沙替代率小于20%時，風(fēng)積沙可以較好地發(fā)揮填充作用，增加基體密實(shí)度，有利于提高抗壓強(qiáng)度。當(dāng)風(fēng)積沙替代率較高時，ASC流動性和密實(shí)度下降，使得水泥漿量相對不足引起強(qiáng)度降低。因此要控制風(fēng)積沙在混凝土的摻入量。

(3)ASC的T2譜主要有3～4個連續(xù)峰，風(fēng)積沙摻入混凝土中使孔隙結(jié)構(gòu)出現(xiàn)重分布，非毛細(xì)孔向毛細(xì)孔轉(zhuǎn)變，毛細(xì)孔向膠凝孔轉(zhuǎn)變。當(dāng)風(fēng)積沙替代率為20%時，膠凝孔所占比最大，與強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致。當(dāng)風(fēng)積沙替代率超過20%時，內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果下降，抗壓強(qiáng)度下降。

(4)混凝土孔隙率和膠凝孔所占比在一定條件下可以表征混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。并建立了考慮膠凝孔所占比與孔隙率兩方面因素的孔結(jié)構(gòu)-強(qiáng)度模型，擬合相關(guān)系數(shù)為0.995。