不同養(yǎng)護方式對混合砂漿抗凍性能影響研究

欒利強,趙瑞宇,文雙壽,任俊穎,張靜怡

(桂林理工大學(xué) a. 土木與建筑工程學(xué)院; b. 廣西壯族自治區(qū)北部灣綠色海工材料工程研究中心, 廣西 桂林 541000)

0 引言

現(xiàn)代混凝土種類日漸增多,以適應(yīng)多樣的使用需要,而在河砂稀缺、逐步尋求細(xì)集料合適替代品時,淡化海砂和機制砂成為目前主流的替代選擇。在機制砂和海砂的相關(guān)研究中,劉占鰲等[1]認(rèn)為機制砂中小于0.075 mm的含黏土細(xì)粉對混凝土影響較大,實際應(yīng)用中需要除粉等操作,易產(chǎn)生二次污染;黃亮等[2]在總結(jié)海砂混凝土研究現(xiàn)狀時認(rèn)為,海砂淡化技術(shù)已經(jīng)較為成熟,海砂具有巨大的應(yīng)用前景,但邰雅婷等[3]在研究許多國家海砂開采應(yīng)用的歷史后認(rèn)為,海砂作為一種天然砂過度開采仍將對海洋環(huán)境造成較大影響。淡化海砂和機制砂作為細(xì)集料單獨應(yīng)用在混凝土的澆筑時,其存在的問題和潛在的影響也阻礙了完全替代河砂成為細(xì)集料的進程[4]。目前混合砂的研究也取得一定的進展,普遍認(rèn)為通過混合兩種砂石可以緩解河砂資源問題和獲得適合工程應(yīng)用的建筑用砂,如孫江濤等[5]將尾礦-機制砂混合;羅忠濤等[6]將鉬尾礦砂-河砂混合;王雪艷等[7]將沙漠砂-機制砂混合等。將淡化海砂同機制砂按一定比例制成混合砂具有很大研究前景,但目前研究尚少。

兩者混合能降低淡化海砂中Cl離子在混凝土中的含量,此外也能降低機制砂中石粉在混凝土中的占比,淡化海砂作為天然砂也同樣彌補了機制砂的一些不足[8],混合砂可以有效地解決河砂不足的問題。

在我國大部分季節(jié)性凍融地區(qū),建筑、路面以及橋梁通常都會受到季節(jié)性凍融循環(huán)的影響,進而影響混凝土的其他耐久性。MEHTAL等[9]在對以往50年來混凝土的耐久性研究總結(jié)時也認(rèn)為,凍融破壞是耐久性能研究中的重要內(nèi)容?？到〉萚10]認(rèn)為地處大風(fēng)、干寒、晝夜大溫差、交通不便、施工場地限制等地區(qū), 像蒸汽養(yǎng)護等一些高成本的養(yǎng)護方式并不適用,而在混凝土已經(jīng)確定配合比及材料組成的基礎(chǔ)上,澆筑完成后的養(yǎng)護階段對混凝土的性能有著重要影響。傳統(tǒng)養(yǎng)護下的混凝土損時、費力、耗能,因此找到一種便于實施,并且可以提高抗凍融性能的養(yǎng)護方式具有重大工程意義。

本文為了更好地分析混合砂作為細(xì)集料在混凝土中的作用,排除混凝土中粗骨料的影響,制作砂漿試件,在成型混合砂試件后,選取3種便于實施的養(yǎng)護方式(外養(yǎng)護(YY)、內(nèi)養(yǎng)護(NY)、內(nèi)外養(yǎng)護(NYY))和用于對比的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(BZY),采用更接近實際凍融情況的慢凍法進行試驗,以抗壓強度、質(zhì)量損失率、孔隙率變化等指標(biāo),結(jié)合凍融循環(huán)過程外觀變化和凍融后微觀形貌,對不同養(yǎng)護方式下混合砂砂漿抗凍融性能進行分析。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥為普通硅酸鹽水泥,根據(jù)GB/T8074《水泥比表面積測定方法(勃氏法)》、GB/T1346《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》、GB/T7671《水泥膠砂強度檢驗方法》對所用水泥物理性能進行測試,結(jié)果見表1。

表1 水泥的物理性能Tab. 1 Physical properties of cement

海砂取自北海市鐵山港區(qū)營盤鎮(zhèn)附近經(jīng)晾曬處理過的淡化海砂,機制砂取自桂林市七星區(qū)中信砂場原巖為石灰?guī)r,參照規(guī)范GB/T 14684—2011《建筑用砂》砂石性能,如表2和表3。

表2 砂石的基本性能Tab. 2 Basic properties of sand and gravel

表3 混合砂中淡化海砂機制砂占比和細(xì)度模數(shù)Tab. 3 Proportion and fineness modulus of the desiccated sea sand and mechanism sand in the mixed sand

目前內(nèi)養(yǎng)護的材料分為飽水輕集料(LWA)及高吸水樹脂(SAP)兩類,本文使用的是吉泰化工有限公司生產(chǎn)的萬級高分子吸水樹脂,顆粒大小為30～50目,對應(yīng)粒徑0.3～0.6 mm高吸水樹脂(SAP)。外養(yǎng)護劑使用市售的北京家晟建材有限公司生產(chǎn)的高分子乳液養(yǎng)護劑。

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比確定

參照J(rèn)G/T 98—2010《砌筑砂漿配合比設(shè)計規(guī)程》中混合砂的配比,依據(jù)表2混合砂(比例 4)確定具體砂漿配合比,如表4。

表4 砂漿配合比Tab. 4 Mortar ratio

1.2.2 凍融循環(huán)試驗方法

參照J(rèn)GJ/70—2009《砂漿抗凍性試驗操作規(guī)程》,采用慢凍法試驗,試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件,試件制作完成并脫模后及時養(yǎng)護,當(dāng)采用內(nèi)養(yǎng)護及內(nèi)外養(yǎng)護制作試件時需要加入SAP,占水泥比例的0.3%。外養(yǎng)護在脫模后立即涂刷一層養(yǎng)護劑,隔5 min再次涂抹,重復(fù)3次。內(nèi)外養(yǎng)護加入SAP后脫膜時,同樣方法涂刷養(yǎng)護劑,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。除標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護外的其他試件,實施養(yǎng)護處理后放置在溫度為20 ℃左右、濕度在50%～60%的室內(nèi)。

抗凍試驗進行時,試件凍結(jié)溫度為-20 ℃,每次凍結(jié)時間5 h,凍結(jié)結(jié)束后取出,立即放入水溫20 ℃的恒溫水槽中進行融化,試件在水中的融化時間≥5 h。融化結(jié)束記為1次凍融循環(huán),每隔25次稱量1次質(zhì)量,重復(fù)100次循環(huán)后取出,測試抗壓強度損失率和質(zhì)量損失率。強度測試參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》。采用飽水法測試?yán)碚?測試試件凍融前后孔隙率,試驗時使用真空飽水試驗機充滿混凝土孔隙,通過測定混凝土飽水前后的質(zhì)量變化來計算試件的孔隙率[11]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)前后強度變化

圖1(a)為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下海砂、機制砂、混合砂試件不同齡期的抗壓強度。由圖1(a)可知:機制砂標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(GBZY)和海砂標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(HBZY)試件在早期的抗壓強度較低,而混合砂標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(MBZY)在早期有較高強度,且強度增長穩(wěn)定。在28 d齡期時HBZY抗壓強度為三者中最高,GBZY最低。強度損失是體現(xiàn)抗凍宏觀性能表現(xiàn)的重要因素,圖1(b)為100次凍融循環(huán)前和循環(huán)后的抗壓強度及兩者的強度比,HBZY、MBZY、GBZY強度比分別為0.91、0.95、0.85,混合砂的強度比最高。在力學(xué)性能上混合砂試件的強度發(fā)育以及凍融循環(huán)后的抗壓強度損失高于單一砂類試件。

圖1 凍融循環(huán)后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下3種試件的抗壓強度及強度比Fig. 1 Compressive strength and strength ratio of three specimens under standard conditions after freeze-thaw cycles

對混合砂試件采取4種養(yǎng)護方式,其早期強度對比單一砂類均較高,如圖2(a)所示。采用外養(yǎng)護的混合砂試件抗壓強度最高,內(nèi)養(yǎng)護試件抗壓強度最低,內(nèi)外養(yǎng)護的試件強度接近標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的試件?？箟簭姸葥p失用凍融循環(huán)前后的強度比來衡量,如圖2(b)MYY、MNY、MBZY、MNYY強度比分別為0.98、0.9、0.95、0.96。MYY的強度比最大,MNYY 和MBZY強度比相當(dāng)。

圖2 凍融循環(huán)后4種養(yǎng)護條件下3種試件的抗壓強度及強度比Fig. 2 Compressive strength and strength ratio of three specimens under four curing conditions after freeze-thaw cycles

2.2 凍融循環(huán)前后孔隙率變化

孔隙率測試結(jié)果表明GBZY的孔隙率最大,4種養(yǎng)護方式下混合砂試件的初始孔隙率及凍融循環(huán)后的孔隙率增加量均低于單一砂類,如圖3所示。在4種養(yǎng)護方式中MYY 和MNYY在凍融循環(huán)后的孔隙率分別為16.79%(最大)和15.43%(最小),MNYY孔隙率增加量最少,僅增加0.4%,MYY孔隙率增加最大為2.51%。結(jié)合圖2(b)中MYY凍融循環(huán)前后都具有較高抗壓強度,抗壓強度損失小的特點,而凍融循環(huán)后其孔隙率較大且增加較多,表明MYY具備較好的前期抗凍性,但隨著抗凍次數(shù)的累加,其孔隙率會增長較快,進而加快裂縫形成和擴展,將會不利于更高次數(shù)的抗凍性能。MNYY在經(jīng)過凍融循環(huán)后孔隙率及孔隙率增加均較小,在一定程度上可以反映凍融循環(huán)對其影響較小,抗凍融循環(huán)的性能較好。

圖3 凍融循環(huán)前后孔隙率變化Fig. 3 Porosity changes before and after freeze-thaw cycles

2.3 凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率與試件表觀樣貌變化

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,各試件的質(zhì)量損失率逐漸增大,凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率之間的關(guān)系如圖4所示。在經(jīng)過100次凍融循環(huán)后,質(zhì)量損失率均小于1%。觀察圖5凍融循環(huán)中試件的表觀樣貌,發(fā)現(xiàn)試件的棱角處,隨著凍融次數(shù)的增加,出現(xiàn)不同程度的剝落,表面出現(xiàn)一些細(xì)微的裂縫,試件的表觀樣貌與凍融循環(huán)質(zhì)量損失率大致可以對應(yīng),但直觀感受上試件剝落質(zhì)量大而實測質(zhì)量損失率較小,這是由于試件在剝落的同時也在吸水[12-14]。圖4和圖5結(jié)合來看,MNY質(zhì)量損失率較大,且經(jīng)100次凍融循環(huán)后,其外觀已經(jīng)出現(xiàn)細(xì)微裂縫,而GBZY和HBZY在棱角處剝落較為明顯,質(zhì)量損失率也較大,MBZY、MYY、MNYY則在質(zhì)量損失率和外觀樣貌均相對較完好。

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失率關(guān)系Fig. 4 Relationship between number of freeze-thaw cycles and quality loss rate

圖5 凍融循環(huán)中試件的表觀樣貌Fig. 5 Apparent appearance of specimens in freeze-thaw cycles

2.4 微觀形貌分析

圖6為采用慢凍法對砂漿試件進行100次凍融循環(huán)后,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護組掃描電鏡結(jié)果。圖6(a)和(b)為HBZY試件SEM圖,其表面較為疏松,內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布較多塊狀結(jié)晶體,以六面立方錐體的水化硅酸鈣(C-S-H)為主,并且存在一些長桿狀鈣礬石,存在一些孔隙但裂縫較少。大量六面立方錐體的水化硅酸鈣,具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點,對抗壓強度有利,這也印證了HBZY在圖1(a)中強度較高的特點。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護組掃描電鏡圖Fig. 6 Scanning electron micrograph of standard conservation group

圖6(c)和(d)是GBZY試件SEM圖,圖6(c)中表面有許多長桿狀的鈣礬石,圖6(d)看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有許多裂縫存在,這些裂縫大多是長10 μm的非貫通裂縫,且沒有規(guī)則性,排除存在大量自生裂縫可能,裂縫應(yīng)為凍融循環(huán)過程中產(chǎn)生的裂縫。圖6(e)和(f)為MBZY的微觀內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖6(e)中有較密實和相對平整的內(nèi)部結(jié)構(gòu),無明顯特征晶體,圖6(f)中存在一些小于5 μm的細(xì)小裂縫和孔隙,相較于HBZY和GBZY具備內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實平整,裂縫較小的特征。由于混合砂是由海砂和機制砂按一定比例混合均勻而成,機制砂中的石粉可以附著于海砂顆粒表面,使結(jié)構(gòu)更加密實,而海砂作為天然砂,強度較高,圓度較好,能夠黏附更多膠體,從而使膠體結(jié)構(gòu)更加合理,性能也要優(yōu)于兩種單一砂類制成的膠體試件。

凍融循環(huán)后的電鏡掃描結(jié)果如圖7所示,其中圖7(a)和(b)為MNY掃描圖,圖7(a)表面結(jié)構(gòu)疏松,存在較多孔隙但無明顯裂縫,凍融循環(huán)后并沒有產(chǎn)生裂縫。在圖7(b)中,觀察到一種三維交聯(lián)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的高分子內(nèi)養(yǎng)護材料的SAP,這種結(jié)構(gòu)的周圍,存在許多C-S-H晶體和柱狀鈣礬石。申愛琴等[15]研究發(fā)現(xiàn),加入SAP的內(nèi)養(yǎng)護可以減少有害孔數(shù)量,阻斷混凝土內(nèi)部連通孔,并且在一定程度上增大微孔隙數(shù)量。采用內(nèi)養(yǎng)護的試件會存在初始微孔隙,在凍融循環(huán)過程中,提供了一些釋放水壓力的途徑,從而減少凍融裂縫。SAP的引入也使其周圍的水泥石水化反應(yīng)更充分,達(dá)到有效抑制孔隙周圍裂縫擴展的目的。

圖7 混合砂漿試樣組掃描電鏡圖Fig. 7 Scanning electron microscope image of mixed sand specimen set

在MYY試件的SEM的分析中,圖7(c)表面有大量C-S-H晶體,內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分密實,從圖7(d)可以更細(xì)致地觀察到這些C-S-H晶體和一些細(xì)小的孔隙,內(nèi)部結(jié)構(gòu)中較多結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的晶體有利于形成高強度。外養(yǎng)護可以獲得較密實的結(jié)構(gòu)和高強度,但經(jīng)過凍融循環(huán)后,會產(chǎn)生一些細(xì)小的孔隙,宏觀表現(xiàn)為孔隙率的提高,也印證了2.2節(jié)中的分析。

圖7(e)和(f)是MNYY試件掃描圖,圖7(e)中內(nèi)部結(jié)構(gòu)比內(nèi)養(yǎng)護組更加密實,但表面沒有明顯晶體結(jié)構(gòu),存在少量孔隙,裂縫較少。圖7(f)也更清晰地看到其結(jié)構(gòu)平整,由于表面較少的C-S-H晶體結(jié)構(gòu),宏觀表現(xiàn)上為抗壓強度低于外養(yǎng)護組試件。結(jié)合圖2—圖5宏觀性能的分析,100次凍融循環(huán)后MNYY試件組孔隙率較小,抗壓強度、質(zhì)量損失率較低,凍融后的表觀也相對較完整。認(rèn)為當(dāng)采用內(nèi)外養(yǎng)護兩種養(yǎng)護方式時,在提高抗凍性能的同時,較小的孔隙率增幅在更高次數(shù)的凍融循環(huán)中穩(wěn)定性更好。

3 結(jié)論

(1)淡化海砂和機制砂制備成混合砂,其細(xì)度、級配更加合理,有害成分占比減少?；旌仙俺尚驮嚰W(xué)性能較好;在凍融循環(huán)后,其在質(zhì)量、強度損失率、孔隙率的發(fā)育都要優(yōu)于單一砂類的試件。

(2)在混合砂試件4種平行養(yǎng)護方式的試驗中發(fā)現(xiàn),SAP的引入,形成較多的初始微孔隙,內(nèi)養(yǎng)護可顯著提高試件抗凍融循環(huán)性能;由于作用原理同引氣劑類似,采用這種養(yǎng)護方式,試件抗壓強度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護;采用外養(yǎng)護的混合砂試件,有較高的抗壓強度和密實的結(jié)構(gòu),但在高次數(shù)的凍融循環(huán)中抗凍性能會降低。

(3)采用內(nèi)外養(yǎng)護,初始孔隙率和凍融循環(huán)后的孔隙率增加均最小,抗壓強度、質(zhì)量損失率也較小,且抗壓強度可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的水平。因此混合砂試件采用內(nèi)外養(yǎng)護方式,便于實施,能夠解決傳統(tǒng)養(yǎng)護方式的局限性問題。