混合砂對混凝土力學(xué)性能及孔隙結(jié)構(gòu)的影響

黃維蓉,晏茂豪,仝 贊,何越驍,王 嬌,陳 行

(1.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074;3.江蘇交科交通設(shè)計研究院有限公司,江蘇 淮安 223001)

混凝土作為一種路面材料[1],廣泛應(yīng)用于道路路面層和水穩(wěn)層。作為混凝土原材料之一的天然砂資源逐漸匱乏、不可再生,導(dǎo)致其價格飛速上漲,而過度開采天然砂,則會嚴重破壞生態(tài)環(huán)境,影響工程進展。國內(nèi)外專家認為可采用部分機制砂來取代天然砂,這不僅能在一定程度上降低材料成本,同時也有利于緩解天然砂短缺的問題[2]?？捉Y(jié)構(gòu)包括孔徑尺寸、孔徑分布、孔隙率等,作為混凝土的重要組成部分,孔結(jié)構(gòu)對混凝土力學(xué)性能及耐久性能有很大影響[3-4]。機制砂石粉能有效加強混凝土的內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu),起到填充潤滑作用,可有效降低混凝土孔隙度,使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實,從而提高混凝土強度和彈性模量等力學(xué)參數(shù),改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)[5-6]。李洋等[7]的試驗結(jié)果表明:當機制砂取代率從0、20%、40%、60%、80%、100%遞增時,石粉在混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)中的作用由強到弱,在40%時達最佳,之后骨料附近化學(xué)結(jié)合水逐漸減少,不利于混凝土的強度及抗?jié)B透性能,會降低混凝土的力學(xué)和耐久性能[8-9];閆光明等[10]認為:機制砂石粉可以填充混凝土中的空隙,砂石界面過渡區(qū)與水泥漿體相互結(jié)合,能改善混凝土的強度及彈性模量;楊健輝等[11]認為:孔隙率對混凝土宏觀性能有極大影響,且混凝土強度隨孔隙率的增大而減小,不同的孔徑分布對混凝土強度影響也不同[12]。

基于此,筆者對3種不同細集料所配置的C45水泥混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響規(guī)律進行了研究,探討了混合砂在混凝土中的適用性,為工程建設(shè)中的混合砂混凝土使用提供相關(guān)的理論指導(dǎo)。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

試驗采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,28 d齡期的抗壓強度為44.1 MPa、抗折強度為6.8 MPa;細集料為天然砂、機制砂、混合砂,天然砂含泥量為1.6%、細度模數(shù)為2.80,機制砂含粉量為2.2%,細度模數(shù)為2.86,混合砂為機制砂∶天然砂=1∶1;粗集料選擇4.75～9.5 mm、9.5～19 mm兩檔粒徑碎石,根據(jù)堆積密度確定的最佳混合比例為2∶8,堆積密度為1 610 kg/m3;減水劑為聚羧酸高性能減水劑,減水率為30%;試驗用水為自來水。

1.2 試驗配合比方案

筆者以C45水泥混凝土為研究對象,坍落度要求為180～220 mm。設(shè)計了天然砂混凝土、機制砂混凝土、混合砂混凝土3種試驗樣品(分別用A、B、C代替),經(jīng)試拌調(diào)整后的C45混凝土配合比如表1。

表1 混凝土配合比

當達到設(shè)計坍落度時,這3種不同細集料混凝土的水膠比相同但單位用水量不同。天然砂表面光滑,能填充在集料縫隙之間,其良好的級配容易與水泥和碎石拌合,故所需單位用水量較少;機制砂表面粗糙、棱角多,級配不佳、摩阻力大,石粉含量多,包裹所需水泥漿多,混凝土拌合物單位用水增多;天然砂和機制砂各50%時,石粉含量較低,起到的潤滑作用能很好改善級配,提高流動性,相較于前兩種混凝土,混合砂混凝土的單位用水量適中。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 低場核磁共振分析孔隙結(jié)構(gòu)

筆者分別選出3種混凝土樣品試塊,經(jīng)真空飽水機處理24 h后對樣品進行核磁共振分析,研究混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。低場核磁共振儀采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的NMI20-025V-I核磁共振成像分析儀,孔隙度測試范圍:0.08%～100%,CPMG最多回波數(shù)18 000,最小回波間隔小于160 μs,滿足試驗要求。在外加磁場下,混凝土內(nèi)部水的氫原子先進行旋轉(zhuǎn),在交叉磁場作用下,氫原子發(fā)生自旋,最后撤銷交叉磁場,使得氫原子又回到原來位置,這一過程稱為弛豫[13]。通過分析橫向弛豫T2波譜圖來研究混凝土內(nèi)部孔隙分布。混凝土橫向弛豫T2波譜圖[14]采用CPMG序列來進行測試,低場核磁共振原理如式(1):

(1)

式中:T2為孔隙液態(tài)流體的橫向弛豫時間,s;T2S為表層液態(tài)薄膜的表面馳豫時間,s;T2B為孔隙內(nèi)自由液態(tài)的弛豫時間,s;T2D為氫原子移動的弛豫時間,s。

在均勻磁場下,含水孔隙橫向弛豫時間T2與孔隙比表面積(S/V)近似相關(guān)[15],如式(2)。

(2)

式中:ρ2為表層的弛豫速率,(m/s),這里取ρ2=5 μs/s;S為孔隙表面積,m2;V為液態(tài)體積,m3;S/V為孔隙比表面積,μm-1。

經(jīng)核磁共振得到的橫向弛豫T2波譜與混凝土孔隙分布存在相關(guān)性。T2波譜面積表征面積越大,則孔隙率越大[16];T2波譜時間表征時間越長,則孔徑越大[17]。將式(2)得到的橫向弛豫T2波譜轉(zhuǎn)化為孔隙分布如圖1,孔隙率如表2。

圖1 3種細集料混凝土的孔隙分布

表2 3種細集料混凝土的孔隙率

由圖1可知:低場磁共振測試所得的3種混凝土試件孔徑分布曲線均呈兩峰狀態(tài),左峰面積表示混凝土微孔百分占比;右峰面積表示混凝土小孔百分占比。對比兩峰面積可見,混凝土中絕大部分液態(tài)水分布在內(nèi)部微孔中,自由水含量均很少。其次,A、B、C的微孔主要分布在0.01 μm左右,且C的臨界孔徑及代表微孔的左峰面積明顯在這3者中最小,這也說明其內(nèi)部的微孔含量少,孔徑分布優(yōu)于其他兩種,即結(jié)合天然砂和機制砂的石粉能夠填充混凝土內(nèi)部孔隙,優(yōu)化孔徑尺寸大小,使混凝土更加密實。

由表2可知:A的微孔最多,達到2.3%,除了用于填充混凝土內(nèi)部孔隙外,在天然砂中較大光滑顆粒形成骨架存于混凝土內(nèi),顆粒之間由于沒有更細小顆粒填充,致使微孔數(shù)量略高于另外兩種混凝土,其中比B中的微孔百分比多了近30%,小孔和大孔含量與其他兩種混凝土相差不大;機制砂顆粒特性表面粗糙度大,粒形棱角多、不規(guī)則,隨著天然砂被機制砂完全取代,B內(nèi)部大孔達到1.2%,多于A,水化產(chǎn)生的C-S-H含量急劇下降,對其他組分連接作用減小,使得原本凝膠缺失連接作用下降,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不緊密,產(chǎn)生負面影響程度增加;C的微孔為1.8%,大孔和小孔百分比含量相對于A和C而言要低0.2%～0.3%,這說明機制砂在摻量為50%時能與天然砂較好的填充混凝土,過量則會增多孔隙含量,影響混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),導(dǎo)致力學(xué)性能下降。因此,合適取代率機制砂和天然砂結(jié)合對混凝土性能的積極作用越明顯。

由表2還可知:按照孔徑大小將混凝土內(nèi)部孔隙分為微孔(r≤0.1 μm)、小孔(0.1 μm

2.2 3種不同細集料混凝土力學(xué)性能

混凝土力學(xué)性能測定采用文獻[18]規(guī)定進行,3種細集料混凝土試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量及拉壓比,分別如圖2～圖5。

圖2 3種細集料混凝土的抗壓強度

由圖2可知:這3種不同細集料混凝土的抗壓強度增長速率呈先增大后減小趨勢,且28 d抗壓強度均能達到規(guī)范的指標要求。綜合分析各齡期,在3 d齡期,這3種混凝土抗壓強度基本保持在同一水平,隨著齡期發(fā)展,A、C的抗壓強度差別不明顯,B的抗壓強度最低。C的抗壓強度除了在3 d齡期比A稍低外,在7、28、60、90 d齡期分別比A的抗壓強度增加了3%、3.2%、2.3%、4.8%,強度相差值均在規(guī)范要求范圍內(nèi)?；旌仙熬哂辛己玫募壟?、較小的孔隙率和孔徑,能很好的結(jié)合機制砂和天然砂與粗骨料進行緊密地填充,使得C在后期抗壓強度與A強度相差不大。機制砂取代率為50%的C抗壓強度能滿足設(shè)計強度,從節(jié)約資源、保護環(huán)境的角度,可選擇混合砂作為普通混凝土細集料的替代材料。

由圖3可知:隨著齡期增長,這3種混凝土劈裂抗拉強度增長率呈先增加后平穩(wěn)的趨勢。

圖3 3種細集料混凝土的劈裂抗拉強度

圖3中:C的劈裂抗拉強度值與A基本一致,其中90 d齡期時C的劈裂抗拉強度可達4.9 MPa,略高于B,這說明適量的機制砂能改善混凝土劈裂抗拉強度。在混凝土前中期階段,漿體與集料的黏附作用力較強,抗拉性能好,隨著齡期發(fā)展,漿體強度逐漸提高,受集料影響作用不再明顯,劈裂抗拉強度主要受漿體強度等影響,從而這3種混凝土在后期劈裂抗拉強度相差不大。A、C的劈裂抗拉強度優(yōu)于單摻機制砂混凝土,混合砂在混凝土中強化了內(nèi)部結(jié)構(gòu),提升了抗拉強度。這表明混合兩種砂可配制出抗拉強度良好的混凝土并提升其抗拉性能。C的3、7 d齡期劈裂抗拉強度分別為3.1、3.84 MPa,高于同齡期B的劈裂抗拉強度7.3%、12.9%,這說明當C中機制砂過多時,早期劈裂抗拉強度會有所下降。

從圖4可知:在7 d齡期,C的彈性模量比A和B分別增加了5.9%、41.6%,混合砂對混凝土早期彈性模量提升尤為明顯,主要是因為機制砂形貌及含有石粉和天然砂混合能改善混凝土級配,增加漿體含量提高漿體與集料的黏結(jié)力;在28 d齡期時,C的彈性模量比B高34.9%,與A的彈膜強度相差不大,隨著機制砂取代率超過50%,混凝土彈性模量下降,可能是由于在單摻機制砂混凝土中石粉含量增多,導(dǎo)致漿體數(shù)量也提升,與粗集料填充作用效果較差,對混凝土級配、漿骨比等產(chǎn)生負面影響,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)不均勻,影響了界面過渡區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu),使得彈模強度低于天然砂和混合砂配置的混凝土,這說明適量的機制砂摻量能提高混凝土彈性模量。

圖4 3種細集料混凝土的彈性模量

拉壓比是混凝土脆塑性的一種指標,混凝土脆性越明顯則拉壓比就越小,反之塑性就越好。從圖5可看出:隨著齡期增加,這3種混凝土拉壓比均有所下降,在3、7 d齡期C的拉壓比要高于A和B,這說明混合兩種細集料會提高混凝土的早期塑性。另外,養(yǎng)護到28 d后C的拉壓比急劇下降,在90 d時比同齡期的B低8.5%,這說明越到后期C的脆性就越明顯。出現(xiàn)此現(xiàn)象原因可能是:機制砂對混凝土強度影響在于石粉的填充效應(yīng),未水化的石粉顆粒填充于混凝土孔隙中可增強混凝土的抗壓強度,混凝土抗壓強度增幅大于其劈裂抗壓強度增幅,表現(xiàn)為混凝土拉壓比的降低。

圖5 各齡期拉壓比對比

混凝土孔隙結(jié)構(gòu)中,大孔孔徑也被稱為多害孔,對混凝土的力學(xué)性能影響較大。從圖6可看出:在28 d齡期時這3種混凝土中的大孔百分比與抗壓強度呈負相關(guān),其中大孔與抗壓強度之比分別為1.8%、2.2%、1.6%。說明混合砂級配良好,機制砂與天然砂混合起到了填充作用,大孔孔隙率降低,提升了內(nèi)部密實性,加強混凝土的力學(xué)性能。

圖6 3種混凝土28 d抗壓強度與大孔百分比關(guān)系

2.3 SEM微觀形貌分析

待養(yǎng)護齡期達到56 d后,壓碎混凝土試塊,選出內(nèi)部的砂漿部分,經(jīng)超聲波儀器處理后對樣品試塊進行SEM分析,觀察其微觀形貌。本實驗掃描電子顯微鏡采用德國卡爾蔡司電子光學(xué)公司生產(chǎn)的ZEISS Sigma 300場發(fā)射電子顯微鏡,加速電壓在0.2～30 kV,放大倍數(shù)10 kx,滿足試驗要求。觀察天然砂、機制砂和混合砂分別在水泥混凝土中的微觀結(jié)構(gòu),如圖7。

由圖7(a)可知:A的界面過渡區(qū)為寬5～8 μm的帶狀,附近的水化產(chǎn)物有少量AFt塊狀晶體生成,尺寸較小、形態(tài)結(jié)構(gòu)較松散,但在水泥漿體所占比例有限,對性能提升起到的作用有限,生成物與集料界面過渡區(qū)有明顯裂痕,雖然集料不會參加到水泥水化反應(yīng)中,但集料的粒徑、粒形等影響著生成物的分布和結(jié)構(gòu)[19]。由圖7(b)可知:B的界面過渡區(qū)為寬8～11 μm的帶狀,水化產(chǎn)物聚在界面過渡區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)間,且存有較多的C-S-H凝膠,同時也看到附著在集料表面的顆粒;界面過渡區(qū)周圍結(jié)構(gòu)疏松,水化產(chǎn)物之間連接不密實,結(jié)構(gòu)密實度下降,雖有C-S-H膠凝物質(zhì)在生成,但孔隙沒有被填充,塊狀晶體間有明顯孔隙;當石粉超過一定范圍后,使得混凝土微集料比偏離最佳值,多余石粉會影響集料與水泥石結(jié)構(gòu)黏結(jié),微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出劣化趨勢,對混凝土強度及耐久性會產(chǎn)生影響[20]。由圖7(c)可知:C的界面過渡區(qū)為寬7～10 μm的帶狀,中有少量微裂縫,石粉微粒會對Ca(OH)2與C-S-H的早期水泥水化過程起結(jié)晶作用,能加速熟料礦物的水化反應(yīng)過程,提高早期強度,與水泥中的C3A和C4AF發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣,使得界面更為致密,提升了漿體密實性,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定致密[21]。

微集料顆粒進入混凝土后能填充在水泥微?？p隙中,優(yōu)化級配,進一步提升了漿體與界面過渡區(qū)的致密程度。當機制砂取代率為50%時,混凝土內(nèi)部孔隙附著有水化反應(yīng)生成的鈣礬石、C-S-H凝膠等生成物,很好地形成了相互交錯、鑲嵌成網(wǎng)格狀或蜂窩狀,使得孔隙半徑逐漸減小,界面過渡區(qū)得到改善。水泥水化漿固體產(chǎn)物強度主要來源于范德華引力的存在[22],利于穩(wěn)定孔隙結(jié)構(gòu),提升混凝土的力學(xué)、耐久性。

3 結(jié) 論

1)根據(jù)低場核磁共振對3種混凝土的微觀表征,C中的總孔隙率為3.4%,優(yōu)于A和B;通過C的孔隙分布發(fā)現(xiàn):微孔、小孔和大孔百分占比分別為1.8%、0.7%、0.9%,低于A和B,在一定程度上改善了孔結(jié)構(gòu)的分布,同時降低了混凝土的大孔含量,這對混凝土力學(xué)性能有積極作用。

2)在力學(xué)性能上,A與C相差不明顯,B的強度不能滿足要求,適當取代率的機制砂可改善C的力學(xué)性能。當機制砂與天然砂摻量各為50%時,C的力學(xué)性能最佳,其28 d抗壓強度為57.4 MPa,劈裂抗拉強度為4.67 MPa,彈性模量為3.48×104MPa。為節(jié)約資源、保護環(huán)境,選擇混合砂作為混凝土的細集料比較合適。

3)利用SEM對這3種不同細集料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察,發(fā)現(xiàn)混合砂中兩種細集料和水泥漿體緊密結(jié)合,微集料顆粒進入混凝土后可有效填充水泥微粒間縫隙,優(yōu)化級配,進一步提升漿體與界面過渡區(qū)的致密程度,使得C的力學(xué)性能提升。