延永東, 王 鑫, 陸春華, 陶松濤, 季光前
(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
機(jī)制砂(manufactured sand,MS)是由巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣經(jīng)過加工制成的人工細(xì)骨料,從材料本身來看是河砂的優(yōu)良替代品.近年來,多地政府出臺(tái)了大力發(fā)展機(jī)制砂混凝土(manufactured sand concrete,MSC)的相關(guān)政策,采用機(jī)制砂混凝土進(jìn)行工程建設(shè)已成為未來的發(fā)展趨勢(shì).但是與天然砂相比,通過機(jī)械破碎制成的機(jī)制砂中石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒形狀及其表面性能等都有很大的差異.
由于機(jī)制砂來源及生成方式不同,機(jī)制砂混凝土的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能均與傳統(tǒng)混凝土有所不同.文獻(xiàn)[1]研究發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂與天然砂按一定比例混合后,具有優(yōu)于天然砂的性能.文獻(xiàn)[2]將硫酸鈣晶須加入機(jī)制砂混凝土中,研究其對(duì)石粉的改性作用,發(fā)現(xiàn)未摻硫酸鈣的機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度隨著石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低,加入晶須后可使極限石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至15%,此時(shí)機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度與彈性模量最高.對(duì)氯鹽環(huán)境下服役的機(jī)制砂混凝土來說,其抗氯離子侵蝕性能對(duì)其耐久性壽命有重要影響.因此,為探究機(jī)制砂混凝土在沿海環(huán)境的應(yīng)用情況,有必要對(duì)其抗氯離子侵蝕性能進(jìn)行研究.文獻(xiàn)[3]研究發(fā)現(xiàn),機(jī)制砂混凝土的抗氯離子侵蝕性能隨花崗斑巖石粉摻量的增加而提高,且在摻量為8%時(shí)達(dá)到峰值,當(dāng)摻量大于8%時(shí),機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能和耐久性能發(fā)生不同程度降低.文獻(xiàn)[4-5]研究了石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)不同機(jī)制砂混凝土耐久性能的影響,均發(fā)現(xiàn)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的石粉可使混凝土的性能達(dá)到最佳,且優(yōu)于河砂混凝土.文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn):適量石粉能有效提高混凝土抗?jié)B性能;由于機(jī)制砂中的細(xì)粉是由與母巖化學(xué)成分相同的石粉和黏土質(zhì)泥粉組成的混合物,石粉和泥粉的吸附性能存在顯著差異,因此可依據(jù)GB/T 14684—2022《建設(shè)用砂》,采用亞甲藍(lán)值來表征細(xì)粉顆粒吸附性能.文獻(xiàn)[7]研究發(fā)現(xiàn),對(duì)C30、C60混凝土,亞甲藍(lán)值分別超過10 g/kg和7 g/kg后,其抗氯離子滲透性能會(huì)降低.文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)適量的凝灰?guī)r粉能顯著改善混凝土的氯離子結(jié)合能力.文獻(xiàn)[9]發(fā)現(xiàn)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~10%的石粉有利于提高機(jī)制砂混凝土的抗氯離子侵蝕性能.文獻(xiàn)[10]對(duì)水泥基機(jī)制砂漿進(jìn)行瞬態(tài)電遷移試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂機(jī)制砂漿的抗氯離子擴(kuò)散性能較好,但若采用摻量為100%的機(jī)制砂,其氯離子擴(kuò)散系數(shù)將增大.綜上,機(jī)制砂摻量、石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對(duì)機(jī)制砂混凝土的抗氯離子侵蝕性能有一定影響,但影響規(guī)律尚不明確.
為進(jìn)一步探究海洋環(huán)境下機(jī)制砂混凝土的抗氯離子侵蝕性能及其影響因素,筆者考慮機(jī)制砂替代率、粉煤灰摻量和機(jī)制砂中石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素的影響,開展干濕循環(huán)下的氯鹽侵蝕試驗(yàn),分析各參數(shù)對(duì)機(jī)制砂混凝土內(nèi)氯離子傳輸?shù)挠绊?并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)機(jī)制砂混凝土在干濕循環(huán)條件下的耐久性壽命.
試驗(yàn)采用江蘇鶴林P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,初凝時(shí)間為140 min,終凝時(shí)間為260 min,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.5%,沸煮安定性合格,齡期為3、28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為27.1、42.5 MPa,表觀密度為3 100 kg/m3.細(xì)骨料采用天然河砂和機(jī)制砂,其中機(jī)制砂來自福建省三明市某礦山,細(xì)骨料物理性能指標(biāo)如表1所示.細(xì)骨料的級(jí)配數(shù)據(jù)如表2所示.
表1 細(xì)骨料物理性能指標(biāo)
表2 細(xì)骨料級(jí)配數(shù)據(jù)
由表2可知,天然砂在Ⅱ區(qū)級(jí)配范圍內(nèi),機(jī)制砂在Ⅰ區(qū)級(jí)配范圍內(nèi),兩種砂的級(jí)配有所區(qū)別,但均滿足GB/T 14684—2022要求.粗骨料采用粒徑為5~20 mm的連續(xù)級(jí)配碎石,表觀密度為2 630 kg/m3.拌和水為自來水.由于目前氯鹽環(huán)境下服役的實(shí)際混凝土一般摻加粉煤灰以增強(qiáng)其耐久性,因此,筆者同時(shí)還研究粉煤灰摻量對(duì)機(jī)制砂混凝土耐久性的影響.其中,粉煤灰為鎮(zhèn)江高資電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰,表觀密度為2 300 kg/m3;減水劑采用聚羧酸高性能減水劑;緩凝劑采用羥丙基甲基纖維素醚.混凝土水膠質(zhì)量比均為0.38.各編號(hào)機(jī)制砂混凝土內(nèi)的水、碎石、減水劑和纖維素醚的用量分別為157.0、957.0、6.2和6.2 kg/m3.不同編號(hào)機(jī)制砂混凝土水泥、粉煤灰及細(xì)骨料用量如表3所示,其中E為機(jī)制砂替代率,其后數(shù)字0、3、5和7分別表示混凝土內(nèi)機(jī)制砂質(zhì)量為細(xì)骨料質(zhì)量的0%、30%、50%和70%;F為粉煤灰摻量,其后數(shù)字0、2、3和4分別表示粉煤灰用量為膠凝材料用量的0%、20%、30%和40%;S為機(jī)制砂內(nèi)的石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù),其后數(shù)字0、1和2分別表示石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、5.8%和11.6%.
表3 水泥、粉煤灰及細(xì)骨料用量 kg/m3
評(píng)價(jià)氯離子在混凝土內(nèi)傳輸行為的指標(biāo)主要包括暴露一定時(shí)期后氯離子在混凝土內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等.不同深度的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的檢測(cè)方法如下:每種配合比澆筑一個(gè)150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到28 d后取出,待表面自然晾干后,將試件的一個(gè)澆筑側(cè)面作為侵蝕面,其余表面用環(huán)氧樹脂密封處理;然后將試件置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的NaCl溶液中進(jìn)行“3 d干燥-3 d浸泡”的干濕循環(huán)試驗(yàn),其過程如圖1所示.
圖1 機(jī)制砂混凝土干濕循環(huán)過程
由圖1可見,浸泡時(shí),試件侵蝕面朝上,溶液高于侵蝕面不少于20 mm,分別于浸泡90 d和180 d后將試件取出,進(jìn)行自然晾干.再用鉆孔機(jī)從暴露表面向試樣內(nèi)每隔5 mm鉆孔,取粉樣一次,同一齡期下每個(gè)試件在3個(gè)位置上進(jìn)行取樣,并將相同深度的3個(gè)粉樣混合,保證每一個(gè)深度的粉樣總質(zhì)量不少于5.0 g.然后烘干粉樣,并篩除粒徑大于0.63 mm的粉樣,在剩下的粉樣中取1.5 g浸泡于10 mL蒸餾水中,攪拌均勻后靜置24 h.最后用離子選擇電極法測(cè)定其電位,然后采用文獻(xiàn)[11]方法,根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的參數(shù)值,將測(cè)得的電位轉(zhuǎn)化為自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).
測(cè)得隨深度分布的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)后,根據(jù)Fick第二定律的理論解,對(duì)同一試件的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行回歸,可得出整個(gè)干濕循環(huán)期間混凝土的氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù).同時(shí),為了得到某一齡期的氯離子擴(kuò)散系數(shù),筆者采用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)》中推薦的非穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)加速氯離子遷移試驗(yàn)(RCM法),測(cè)試養(yǎng)護(hù)至28 d和56 d混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù).
氯鹽環(huán)境下,干濕循環(huán)90、180 d時(shí),不同機(jī)制砂替代率wj下混凝土內(nèi)自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖2所示.由圖2可知:混凝土內(nèi)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度增加而逐漸減小;與天然砂混凝土相比,同一深度機(jī)制砂混凝土內(nèi)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所減小,說明摻入機(jī)制砂可以提高混凝土抗氯離子侵蝕性能,其中機(jī)制砂替代率為50%時(shí)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小.可見,本研究中機(jī)制砂最優(yōu)替代率為50%.這是因?yàn)闄C(jī)制砂粗糙多棱角的特性與適量石粉的填充,使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部更加致密,導(dǎo)致其抗氯離子滲透性能有所提高;當(dāng)機(jī)制砂替代率大于5%時(shí),混凝土內(nèi)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)增加,超出填充孔隙所需,多余石粉會(huì)吸附游離水,且在內(nèi)部進(jìn)行堆積,從而使混凝土內(nèi)部密實(shí)性減小,氯離子侵蝕速度加快.
圖2 不同機(jī)制砂替代率下氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線
氯鹽溶液環(huán)境下,干濕循環(huán)90、180 d時(shí),不同粉煤灰摻量wm的機(jī)制砂混凝土內(nèi)自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖3所示.由圖3可知,相同深度處,摻入30%粉煤灰的機(jī)制砂混凝土在兩種齡期下的自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均最小,說明粉煤灰摻量為30%時(shí),機(jī)制砂混凝土抗氯離子侵蝕性能最佳.
圖3 在不同粉煤灰摻量下氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線
造成這一現(xiàn)象的主要原因如下:粉煤灰可以與混凝土內(nèi)的Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化硅酸鋁,生成的產(chǎn)物部分或全部填充了混凝土內(nèi)部孔隙,使其密實(shí)度提高,因此合適摻量的粉煤灰可提高機(jī)制砂混凝土的抗氯離子侵蝕性能;當(dāng)粉煤灰過多時(shí),其與Ca(OH)2的反應(yīng)會(huì)消耗大量水,造成部分水泥無(wú)法水化,多余粉煤灰也會(huì)在混凝土內(nèi)堆積,造成機(jī)制砂混凝土抗氯離子滲透性能減弱.
氯鹽溶液環(huán)境下,干濕循環(huán)90、180 d時(shí),不同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)ws的機(jī)制砂混凝土內(nèi)的自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖4所示.由圖4可知:在0~20 mm深度內(nèi),氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,此時(shí)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.8%機(jī)制砂混凝土內(nèi)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低,表明其抗氯離子侵蝕性能最好;無(wú)石粉機(jī)制砂混凝土內(nèi)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)次之,說明機(jī)制砂內(nèi)含有合適質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石粉對(duì)混凝土的抗氯離子侵蝕性能有一定好處.
圖4 不同石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線
造成上述現(xiàn)象的主要原因如下:石粉可以填充機(jī)制砂混凝土的部分孔隙結(jié)構(gòu),使其內(nèi)部更加致密,從而減小了氯離子的侵蝕速度;當(dāng)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少時(shí),隨石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,混凝土中被填充的孔隙增多,其抗氯離子滲透性能也越好;當(dāng)超過混凝土孔隙填充所需時(shí),剩余石粉會(huì)堆積在混凝土內(nèi)部,使其致密性降低,為氯離子侵入混凝土增加新的通道.
干濕循環(huán)條件下,氯離子在機(jī)制砂混凝土內(nèi)的傳輸方式比較復(fù)雜,尤其是混凝土表層(約為0~7 mm)的氯離子,在干燥和濕潤(rùn)過程中有不同的傳輸方式.但在混凝土內(nèi)部,氯離子基本以濃度梯度驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)散方式傳輸,可近似用Fick第二定律來描述其傳輸過程.另外,氯離子在混凝土內(nèi)以自由氯離子和結(jié)合氯離子的形式并存,其一維狀態(tài)下的傳輸方程[12]為
(1)
式中:t為服役時(shí)間;D為氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;wt為距離混凝土侵蝕表面x處的總氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù),wt=wf+wb,wf和wb分別為混凝土內(nèi)自由氯離子和結(jié)合氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù).
用R表示氯離子與混凝土的結(jié)合能力,R=wf/wt,根據(jù)文獻(xiàn)[13],R=0.85.
在本試驗(yàn)條件下,上述方程的初始條件為混凝土內(nèi)部的初始氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)w0,即w(x>0,t=0)=w0;邊界條件為混凝土表面的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc,即w(x=0,t>0)=wc.由此可以得到式(1)的如下解析解:
(2)
根據(jù)式(2),對(duì)侵蝕90、180 d后機(jī)制砂混凝土各深度處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行擬合.為消除表面其他傳輸方式的影響,擬合時(shí)不考慮0~5 mm處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).圖5為采用干濕循環(huán)后取樣測(cè)試法(RCT法)得到的機(jī)制砂混凝土中氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)變化的曲線.圖6為采用RCM法得到的對(duì)應(yīng)配合比混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化的曲線.
圖5 RCT法測(cè)得的氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)變化的曲線
圖6 RCM法得到的氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化的曲線
由圖5、6可知:受到水泥持續(xù)水化的影響,同一試驗(yàn)方法得到的機(jī)制砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨齡期增加而減小,這是因?yàn)殡S著齡期增加,混凝土水化產(chǎn)物不斷增加,使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸致密,混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小;隨著機(jī)制砂替代率的增加,90 d和180 d齡期下相同配合比混凝土的氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)均先減小,后增大,機(jī)制砂替代率為50%時(shí)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小(見圖5a、6a);隨著粉煤灰摻量增加,兩種齡期下機(jī)制砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)先減小,后增大,其中粉煤灰摻量為30%時(shí)機(jī)制砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小(見圖5b、6b);與不摻石粉及摻加11.6%石粉的機(jī)制砂混凝土相比,摻加5.8%石粉的機(jī)制砂混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小(見圖5c、6 c).
上述結(jié)果再次說明,機(jī)制砂替代率、粉煤灰摻量和石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土內(nèi)的氯離子傳輸速率有一定影響,三者在機(jī)制砂混凝土內(nèi)均有最優(yōu)取值.
已有研究[14-15]表明,海洋環(huán)境下海水干濕交替區(qū)是氯離子侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域,也是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命最不易得到保證的區(qū)域.為推廣機(jī)制砂混凝土在沿海環(huán)境中的使用,有必要提前對(duì)此環(huán)境下服役的機(jī)制砂混凝土耐久性壽命進(jìn)行預(yù)測(cè).可采用確定性分析或概率分析的方法進(jìn)行混凝土耐久性壽命預(yù)測(cè).由于目前采用機(jī)制砂拌制的混凝土在氯鹽環(huán)境下使用壽命較短,暫無(wú)法得到關(guān)鍵參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值,因此筆者采用確定性方法進(jìn)行近似分析.
氯鹽環(huán)境下服役的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)有鋼筋脫鈍、混凝土銹脹開裂、承載力達(dá)到極限等.由于鋼筋脫鈍后混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化較快,剩余壽命較短,因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者將鋼筋表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到閾值作為氯鹽環(huán)境下服役的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài).計(jì)算公式如下:
wf(w,t)≤wf,cr,
(3)
式中:wf,cr為鋼筋脫鈍時(shí)的臨界自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).wf(w,t)可利用式(2)來計(jì)算.當(dāng)計(jì)算得到的wf(w,t)剛好滿足式(3)時(shí),所對(duì)應(yīng)的服役時(shí)間t即為混凝土結(jié)構(gòu)的近似耐久性壽命.
采用式(2)計(jì)算時(shí),混凝土的表面自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc采用歐洲規(guī)范DuraCrete推薦的公式[16]進(jìn)行計(jì)算,即
wc=Ac(m(水)/m(膠)),
(4)
式中:Ac為擬合系數(shù),對(duì)于海水干濕循環(huán)區(qū)可取值為7.76%;m(水)/m(膠)為混凝土水膠比,本試驗(yàn)中取值為0.38.由此得到混凝土表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.95%.
不同機(jī)制砂替代率混凝土的氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)由式(2)擬合得到,混凝土保護(hù)層厚度為50 mm,wf,cr為0.2%[17].根據(jù)以上數(shù)據(jù),得到機(jī)制砂替代率分別為0%、30%、50%和70%的混凝土內(nèi)鋼筋表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的曲線及對(duì)應(yīng)的耐久性壽命預(yù)測(cè)值(t0、t30、t50和t70)如圖7所示.由圖7可知:隨著機(jī)制砂替代率增大,混凝土內(nèi)部50 mm深度處達(dá)到臨界氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)所需的侵蝕時(shí)間呈先增加、后減少的趨勢(shì);機(jī)制砂替代率分別為30%、50%和70%時(shí),對(duì)應(yīng)的機(jī)制砂混凝土的耐久性壽命預(yù)測(cè)值為68.83、88.94和77.76 a,分別為天然砂混凝土的1.26、1.63和1.43倍,這說明摻入適量機(jī)制砂可以有效提高混凝土在氯鹽環(huán)境下的耐久性壽命;當(dāng)機(jī)制砂替代率超過一定范圍時(shí),混凝土耐久性壽命會(huì)逐漸縮短.因此,在耐久性要求較高的沿海工程中,建議采用機(jī)制砂與天然砂混合的方式配制混凝土,其中機(jī)制砂替代率宜控制在50%左右.
圖7 不同機(jī)制砂替代率下,氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)
1) 隨著機(jī)制砂替代率的增加,混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈先減小、后增大的趨勢(shì),抗氯離子滲透性能呈先增強(qiáng)、后減弱的趨勢(shì),當(dāng)機(jī)制砂替代率為50%時(shí)混凝土抗氯離子滲透性能最好.
2) 機(jī)制砂混凝土內(nèi)摻入適量粉煤灰可以提高其抗氯離子侵蝕性能,但粉煤灰摻量不宜過大,否則會(huì)降低機(jī)制砂混凝土的抗氯離子侵蝕性能,本試驗(yàn)得到的最優(yōu)粉煤灰摻量為30%.
3) 機(jī)制砂內(nèi)含有適量石粉可以提高混凝土的抗氯離子滲透性能,但不宜太多,否則會(huì)減小混凝土的抗氯離子滲透性能,其最佳值為5.8%.
4) 海水干濕循環(huán)下機(jī)制砂混凝土耐久性壽命預(yù)測(cè)結(jié)果表明,機(jī)制砂摻量為50%的混凝土在氯鹽環(huán)境中的耐久性壽命最長(zhǎng).因此,在耐久性要求較高的沿海工程中,建議采用機(jī)制砂與天然砂混合的方式配制混凝土,其中機(jī)制砂替代率宜控制在50%左右.