石粉掺量对机制砂混凝土强度和抗冻性能的影响

王晓海, 詹奇淇, 陈 慧, 张元朔, 章家海

(1.安徽省建筑科学研究设计院,安徽 合肥 230031; 2.安徽省建筑工程质量第二监督检测站,安徽 合肥 230031; 3.绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室,安徽 合肥 230031)

随着工程建设规模的扩大以及天然砂的限采、禁采,现阶段各地市场普遍出现用砂成本高、缺口大等问题。机制砂替代天然砂的方式也因此受到广泛关注,其应用可有效缓解市场用砂日益突出的供需矛盾和资源短缺现状。

机制砂为粒径小于4.75 mm的岩石颗粒,与天然砂的主要区别在于其生产过程中会附带产生部分石粉。石粉质量分数与混凝土工作性、力学性能以及长期性能均存在较强的相关性[1],而且石粉中还常掺杂少量泥粉,易对混凝土各项性能产生损害,因此国内有关机制砂的标准规范都对石粉质量分数作出严格限定。由于工程技术人员普遍认为石粉在混凝土中的作用弊大于利,工程中也严禁机制砂混凝土在道路、桥梁及水坝等长期易受外界因素损害的工程中应用。这些问题较大地限制了机制砂产品的推广。

石粉质量分数是机制砂特有的技术指标,目前针对石粉在混凝土中的应用研究已有一些成果。文献[2]研究表明随着机制砂石粉质量分数的提高,混凝土坍落度减小,坍落度经时损失增大,在适量石粉范围内,混凝土的强度变化不大;文献[3]发现石粉的存在有利于完善机制砂的级配、增强混凝土的密实性,进而改善混凝土的力学性能和耐久性;文献[4]探讨石粉在混凝土内部界面间的作用,发现适量石粉使得水泥石结构和界面间结合得更加致密,减少了硬化混凝土内渗透通道的数量,可有效提高混凝土的密实性;文献[5]通过试验发现适量石粉可以改善混凝土的力学性能和抗冻性,母岩类型对混凝土的性能没有明显影响;文献[6]结果表明机制砂0.075 mm以下颗粒中石粉质量分数较高,其危害性有限,而泥粉质量分数虽然较低,但危害性较大。

因此,为更深入挖掘石粉在机制砂混凝土中的作用及机理,扩大机制砂在工程中的应用范围,同时为安徽省地方标准《机制砂应用技术规程》的编制工作提供基础数据和理论支撑,本文制定石粉等量取代机制砂的试验方案,在控制混凝土坍落度的条件下研究石粉对混凝土力学性能和抗冻性能的影响规律,并采用压汞试验测定机制砂混凝土的孔结构变化,使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观测机制砂混凝土界面过渡区及硬化水泥石的微观结构,系统地研究石粉质量分数对机制砂混凝土强度和抗冻性能的影响。

1 原材料及试验

1.1 原材料

(1) 水泥。试验所用的水泥为巢湖海螺42.5级普通硅酸盐水泥,其物理、力学性能指标见表1所列。

表1 硅酸盐水泥的物理、力学性能指标

(2) 机制砂。机制砂由中国电力建设集团安徽长九新材料股份有限公司提供,主要成分为石灰岩,其细度模数为3.1,Ⅱ区级配砂,堆积密度为1 463 kg/m3,紧密密度为1 720 kg/m3,表观密度为2 720 kg/m3,石粉质量分数为8.2%,泥块质量分数为2.2%,吸水率为0.8%,含水率为0.5%,压碎值指标为23.4%,亚甲蓝(methylene blue,MB)值为0.7。

(3) 石粉原料。将机制砂置于孔径为0.075 mm的圆形筛上,通过振动筛除粒级大于0.075 mm的颗粒,剩余过筛颗粒即为试验用石粉原料。

(4) 粉煤灰。粉煤灰取自合肥东凯新型建材有限公司,为Ⅱ级粉煤灰,需水量比为104%,细度为24.6%,含水量为0.1%,烧失量为2.1%。

(5) 石子。石子由合肥东凯新型建材有限公司提供,其粒径范围为5.0～31.5 mm连续级配。

(6) 减水剂。减水剂由合肥东凯新型建材有限公司提供,为聚羧酸高性能减水剂,含固量为14.6%,减水率为30.0%。

(7) 拌合用水为实验室自来水。

1.2 试验配合比

本文基础配合比选用工程中较为常用的C40混凝土,研究石粉质量分数对机制砂混凝土抗压强度和抗冻性的影响规律。试验配合比见表2所列。

表2 C40机制砂混凝土试验配合比 单位:kg

人为淘洗去除粒径小于等于0.075 mm的石粉,再在C40配合比的基础上,石粉等量取代机制砂,研究不同石粉质量分数(0%、3%、5%、10%、15%、20%)对机制砂混凝土抗压强度和耐久性的影响规律。维持水胶比不变,使用减水剂调节混凝土拌合物性能,坍落度控制在(180±20) mm内。

1.3 试验方法

(1) 机制砂石粉质量分数和MB值参照文献[7]进行测定。

(2) 混凝土坍落度按文献[8]进行测试,不同龄期抗压强度按文献[9]进行测试,依据文献[10]中的快冻法测定混凝土试件的冻融循环次数、相对动弹性模量和质量损失率。

(3) 压汞试验。将养护至28 d的混凝土试块劈裂,并在试块中心部位截取直径5 mm且不含粗骨料的混凝土试样,在105 ℃下烘干至恒定质量;然后,将制好的试样进行压汞试验,使用压汞仪测定机制砂混凝土的孔结构分布情况。

(4) SEM分析。本文采用SEM分析手段,对不同石粉掺量(质量分数)下机制砂混凝土的形貌、微观结构和各种水化产物进行观察和分析。

2 试验结果与分析

2.1 石粉质量分数对抗压强度的影响

不同石粉质量分数下试件的抗压强度如图1所示。C40机制砂混凝土7 d和28 d抗压强度随石粉掺量增加而逐渐提升,但石粉掺量对混凝土7 d抗压强度影响的显著性明显小于28 d。当石粉掺量为15%时,混凝土试样28 d抗压强度相较于基准组提高53.1%,7 d抗压强度较基准组提高21.4%;石粉掺量继续增加5%,7 d及28 d抗压强度反而下降,说明过量的石粉不利于维持混凝土的抗压强度。同时随着石粉在浆体中质量占比的提高,新拌混凝土的黏度增强,和易性大幅下降;不掺石粉时,混凝土拌合物离析、泌水。因此,适宜掺量石粉有利于维持机制砂混凝土的工作性和力学性能。

图1 石粉质量分数对抗压强度的影响

2.2 石粉质量分数对抗冻性能的影响

2.2.1 对冻融循环相对动弹性模量的影响

C40机制砂混凝土在不同石粉质量分数和冻融循环次数下的相对动弹性模量变化规律如图2所示。同一石粉掺量下,随着冻融循环次数增加,动弹性模量逐渐降低;前100次冻融循环时,各石粉掺量试样的相对动弹性模量均高于60%,呈现出良好的抗冻性。但在100次冻融循环后,不同石粉掺量试样的动弹性模量变化规律差异性较大,其中5%石粉掺量试样的动弹性模量降幅最小,175次冻融循环后为89.2%;15%石粉掺量试样的动弹性模量降低幅度最大,175次冻融循环后为24.2%。

在同一冻融循环次数下,0～5%石粉掺量范围内,机制砂混凝土的相对动弹性模量有较小幅度提升,并于5%石粉掺量时出现最大值;继续将石粉掺量提高至5%以上时,机制砂混凝土的动弹性模量损失较为显著,并于15%石粉掺量时出现相对动弹性模量最小值,需注意的是,石粉掺量不高于10%时,试件相对动弹性模量均未低于60%。

图2 石粉质量分数对相对动弹性模量的影响

2.2.2 对冻融循环质量损失率的影响

石粉质量分数对冻融机制砂混凝土质量损失率的影响如图3所示。同一石粉掺量下,25、50、75次冻融后不同石粉掺量机制砂混凝土有一定的质量损失,但幅度不是很大,这是由于在冻融前期,试样内部会产生微裂缝,使得试样从外部吸水,从而造成吸水量和剥落量基本相等,试样质量变化不大[11]。而达到100次冻融后,不同石粉掺量机制砂混凝土质量损失率增幅较大,说明混凝土冻融循环时的剥落量明显高于吸水量,质量损失率开始上升。在同一冻融循环次数下,随着石粉掺量提高,机制砂混凝土质量损失率先降低后上升,并于3%石粉掺量时出现最小值,说明适量的石粉可降低混凝土冻融循环后的质量损失率,不掺石粉或者掺加过量石粉均不利于保证机制砂混凝土具有足够好的抗冻性能。

图3 石粉质量分数对质量损失率的影响

0、3%、15%石粉掺量下,机制砂混凝土试件在175次冻融循环后的破坏情况如图4所示。

图4 175次冻融循环后混凝土试件破坏情况

0、15%石粉掺量机制砂混凝土呈外表整体脱落,质量损失率较大,而3%石粉掺量试件的表面破坏形式为局部剥落。由此可见,适宜石粉掺量下的机制砂混凝土抗冻性有较大程度提升,3%石粉掺量的机制砂混凝土抗冻次数甚至可达到300次,而且质量损失率仍然小于5%。

2.3 压汞法测定机制砂混凝土内部孔隙结构

将标准养护至28 d的不同石粉掺量混凝土试样分别进行压汞测试,结果如图5所示。6组试样内部累计孔体积从大到小按石粉掺量排序依次为10%、5%、3%、20%、0、15%,随着石粉掺量提高,机制砂混凝土试样内部累计孔体积先降低后上升,10%石粉掺量时,试样内部出现最小累计孔体积,0～20%石粉掺量对应内部累计孔体积分别为9.88%、8.44%、5.03%、4.37%、11.59%、8.03%。

图5 单位质量试样压汞累计孔体积曲线

除内部累计孔体积,混凝土的性能还与孔径分布密切相关,有研究表明混凝土孔分为无害孔(≤20 nm)、少害孔(20～100 nm)、有害孔(100～200 nm)、多害孔(≥200 nm)4种[12],本文采用此分类方法对压汞法测得的孔结构分布进行分析,结果如图6所示,见表3所列。

图6 28 d混凝土压汞试样的孔径分布

图6中,D孔隙、V孔隙分别为压汞试样内部孔直径和孔体积。

表3 不同石粉掺量下20 nm和20～200 nm孔体积占比

不同石粉掺量机制砂混凝土试样的孔隙直径主要集中在200 nm以下,200 nm以上的多害孔体积占比较小。结合表3分析可得,当石粉掺量不高于10%时,随着石粉掺量提高,试样20～200 nm直径的孔隙逐渐减少,而20 nm直径的孔隙相应却得到增加,在宏观上表现为机制砂混凝土强度增加,抗冻性能也得到不同程度提高,这是由于直径小于20 nm的孔隙属于凝胶内孔和凝胶微晶间孔,其体积大小与混凝土强度和抗冻性成正比,而20～200 nm孔隙多为过渡孔,其体积大小与混凝土强度和抗冻性成反比,但影响的显著性程度较小[13]。继续提高石粉掺量至15%及以上,试样在孔径分布上主要增加20～200 nm的孔,在宏观性能上表现为抗冻性下降,抗压强度

增长幅度减小。

这说明,适量石粉可降低机制砂混凝土内部过渡孔和有害孔的体积占比,提高混凝土强度和抗冻性,充分发挥石粉的充填效应。但是随着石粉掺量进一步增加,试件内部的孔隙率降低,石粉的充填效应减弱,过量石粉的掺入产生了对混凝土不利的稀释效应;而且石粉水化活性较低,参与水泥水化反应生成的水化产物较少,同时大掺量的石粉也间接地造成混凝土需水量增加,拌合物性能降低,形成的C—S—H凝胶难以形成较为密实的水化结构,过渡孔和有害孔体积较适宜石粉掺量组明显增大[14]。

2.4 不同石粉掺量试件的SEM分析

不同石粉质量分数下机制砂混凝土试样的微观形貌如图7、图8所示。

图7 不掺石粉机制砂混凝土试样的微观形貌

图8 不同石粉质量分数下机制砂混凝土试样的微观形貌

不掺石粉试件的水化产物主要是针棒状钙矾石和呈团簇状的C—S—H凝胶,特别在界面过渡区结构中有较多的针棒状钙矾石晶体,使水泥石与集料界面之间结构劣化,整体水化结构呈多孔状,较为疏松,因此试件强度和抗冻性不高;3%和10%石粉掺量时,石粉与水泥、粉煤灰颗粒形成紧密堆积结构,有效地细化了水化体系内的孔隙,这说明适量石粉在硬化浆体中起到的填充作用在很大程度上增强了水化结构体系的密实性,也进一步证实适量石粉下机制砂混凝土强度高、抗冻性强的原因;而继续提高石粉掺量至15%时,试样微观结构的孔隙与适量石粉组相比明显增多,石粉颗粒周围明显成为有害孔聚集的地方,这与宏观上机制砂混凝土抗冻性增长幅度和强度下降表现一致。

3 结 论

(1) 石粉对机制砂混凝土7 d抗压强度的影响显著性明显小于28 d,适宜石粉掺量可提高机制砂混凝土的工作性和力学性能。

(2) 对于抗冻性,最适宜石粉掺量为3%～5%。石粉掺量不高于10%时,175次冻融循环后机制砂混凝土的相对动弹性模量仍高于60%,质量损失率小于5%。

(3) 适量石粉可有效降低机制砂混凝土内部过渡孔和有害孔的体积占比,提高混凝土抗压强度和抗冻性;大掺量石粉下,机制砂混凝土有害孔体积占比明显增加。对于试件内部孔隙结构的优化,最适宜石粉掺量为10%。

(4) 不掺石粉时,机制砂混凝土水泥石与集料界面之间结构劣化,整体水化结构呈多孔疏松状,试件强度和抗冻性不高;掺加适量石粉可有效提高水化结构体系的密实性,试件强度和抗冻性增强;掺加过量石粉时,试样微观结构孔隙明显增多,有害孔在石粉颗粒周边聚集,试件强度增幅放缓、抗冻性下降。