机制砂岩性与级配对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

2022-07-05程华才马子宸关博文

硅酸盐通报 2022年6期

徐良，程华才，马子宸，关博文

(1.安徽省交通控股集团有限公司，合肥 230088；2.安徽省高速公路试验检测科研中心有限公司，合肥 230601； 3.长安大学材料科学与工程学院，西安 710064；4.长安大学交通铺面材料教育部工程研究中心，西安 710064)

0 引言

混凝土是由水泥、细集料(砂)、粗集料(碎石或卵石)、水以及外加剂所组成的复合材料，被广泛应用于结构工程和道路建材领域[1]。砂作为混凝土中的细集料，与级配碎石协同产生骨架作用，是混凝土强度的重要来源。砂的岩性、质量和掺配比例对混凝土的施工和易性、力学性能及在使用过程中的耐久性起到重要的作用[2]。天然砂是目前混凝土施工中使用最多的细集料，过度开采天然砂会给环境带来负面影响，并且大规模、长距离运输天然砂也会增加成本[3]。因此，在满足环境和经济效益的前提下，寻找新的砂源以保证基础设施建设用砂正常供给是十分必要的。

机制砂是指母岩在开采后，经过出土、破碎、筛分等一系列操作后粒径小于4.75 mm的集料。通常情况下机制砂棱角多，石粉含量大且表面粗糙，同时机制砂岩性也会对混凝土性能造成不同的影响。有学者[4-5]对比研究了石灰石机制砂、石英质机制砂和凝灰岩机制砂的砂强度与混凝土强度，结果表明机制砂混凝土的强度略高于天然砂混凝土，且机制砂混凝土的强度与配比及石粉含量有关。相关研究侧重于机制砂岩性对混凝土力学性能的影响，而未对混凝土中机制砂级配参数进行统一，因此可比性差。此外，在我国西部盐渍地区和东部沿海地区，机制砂混凝土还面临着硫酸盐侵蚀等一系列耐久性问题[6-7]。有学者[8]对比研究了低温环境下石灰石机制砂混凝土和天然砂混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的劣化行为，发现机制砂级配及石粉变化会影响硫酸盐对混凝土的侵蚀行为。

鉴于以上原因，本文在四种级配条件下对三种机制砂混凝土和天然河砂混凝土展开对比研究，探讨机制砂岩性对混凝土工作性和力学性能的影响。此外，对四种混凝土进行抗硫酸盐侵蚀试验，研究机制砂岩性及级配类型对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响。研究结果可为机制砂混凝土在硫酸盐环境下的耐久性评估提供技术指导。

1 实验

1.1 原材料

采用海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥。细集料分别选用石灰石(SH)、玄武岩(XW)和花岗岩(HG)三种岩性的机制砂和天然河砂(HS)。其中SH属于钙质机制砂，XW和HG属于硅质机制砂。对三种岩性机制砂进行X射线荧光分析(XRF)，结果如表1所示。四种砂的基本性能如表2所示。粗集料为5～20 mm连续级配碎石，减水剂采用聚羧酸型减水剂。

表1 不同岩性机制砂化学组成Table 1 Chemical composition of different lithological manufactured sand

表2 砂的基本性能Table 2 Basic properties of sand

1.2 配合比设计

1.2.1 机制砂级配设计

参照GB/T 14684—2011，以二区砂上限和下限为边界，在石粉含量相同的情况下设计四种机制砂级配，具体参数如表3所示，级配曲线如图1所示。其中级配4为中值级配，级配1～3的细度模数不断增加。级配1在1.18 mm以上的部分较少，接近级配下限，在混凝土中更易形成悬浮结构；级配3在1.18 mm以上部分接近上限，在混凝土中更易形成骨架结构。对三种机制砂和天然河砂分别进行四种级配设计，以研究级配类型对混凝土性能的影响。

表3 机制砂的级配参数Table 3 Gradation parameters of manufactured sand

图1 机制砂级配曲线Fig.1 Gradation curves of manufactured sand

1.2.2 混凝土配合比设计

表4为混凝土配合比，参照表4对四种岩性机制砂进行混凝土配合比设计，制备尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，成型后24 h脱模并放入标准养护箱内进行养护。

表4 混凝土配合比Table 4 Mix proportions of concrete

1.3 测试方法

参照GB/T 50080—2016对四种混凝土拌合物进行工作性测试。参照GB/T 50081—2019对四种混凝土标准养护3 d、7 d和28 d的立方试件进行体抗压强度测试,强度换算系数为0.95，试验过程中连续均匀加荷，加荷速度为0.5 MPa/s。参照GB/T 50082—2009对四种混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能进行测试，侵蚀溶液为5%(质量分数)的硫酸钠溶液。采用浸泡-风干-升温-冷却的干湿循环制度，每个循环周期为24 h，同时按照式(1)计算四种混凝土的抗蚀系数。以上每组试件进行三次平行试验以避免偶然误差。

(1)

式中：Kf为抗蚀系数,%；fcn为n次干湿循环后受硫酸盐侵蚀混凝土的抗压强度,MPa；fc0为同龄期标准养护下混凝土的抗压强度,MPa。

2 结果与讨论

2.1 机制砂岩性对混凝土工作性的影响

表5为级配4(中值级配)条件下不同岩性机制砂混凝土与天然河砂混凝土的工作性。在相同级配条件下，HS的保水性、黏聚性和流动性均较好，施工和易性优异。三种机制砂混凝土的工作性略有差异，其中HG流动性差，保水性和黏聚性一般；SH和XW的流动性稍强于HG，但仍弱于HS。混凝土工作性受机制砂表面形貌、化学组成以及吸附性能影响很大。相较于HS，机制砂颗粒更为粗糙，棱角较多，从而影响了其工作性。此外，机制砂岩性会对外加剂的适应性以及石粉的吸附性能造成很大影响，有学者[9]发现钙质机制砂石粉的吸附性能较低，因此其分散性优于硅质机制砂。机制砂混凝土的工作性比天然河砂混凝土差，在施工过程中可以通过增加外加剂掺量和调整砂率来降低其负面影响。

表5 级配4条件下不同岩性机制砂混凝土与天然河砂混凝土的工作性Table 5 Workability of different lithological manufactured sand concrete and natural river sand concrete under grade 4

2.2 机制砂岩性对混凝土抗压强度的影响

图2 不同岩性机制砂混凝土与天然河砂混凝土的抗压强度Fig.2 Compressive strength of different manufactured sand concrete and natural river sand concrete

图2为不同岩性机制砂混凝土与天然河砂混凝土在级配2条件下不同龄期的抗压强度变化。其中掺HS的混凝土抗压强度最低，掺SH、HG和XW的混凝土3 d抗压强度相较于HS分别提高了18.2%、16.1%和14.0%；7 d抗压强度相较于HS分别提高了13.4%、8.7%和9.8%。在标准养护28 d后，SH的抗压强度最高，为51.4 MPa，其次是XW和HG，强度分别为49.6 MPa和49.2 MPa，对照组HS的28 d抗压强度为45.8 MPa。混凝土的抗压强度受多种因素影响，在级配相同的情况下，四种细集料砂的亚甲蓝值差异较大，SH的黏土质含量最低，故其强度增长最高；而对照组HS的黏土质含量较高，影响了HS混凝土的强度增长[10]。此外，有学者[9]认为机制砂混凝土的强度与其化学组成密切相关，钙质机制砂吸附性低，展现出良好的分散性，从而在强度上优于硅质机制砂。

上述结果表明,机制砂对混凝土的力学性能有提高作用，尤其是3 d和7 d抗压强度。此外，三种机制砂混凝土的强度相近，均高于HS对照组，仅从抗压强度来看，机制砂混凝土的力学性能与机制砂岩性相关性不大。

2.3 机制砂级配类型对混凝土抗压强度的影响

图3～图6为三种机制砂混凝土和天然河砂混凝土的抗压强度在四种级配条件下的变化规律。混凝土在级配3条件下的抗压强度最高，其次为级配2和级配4，级配1下的抗压强度较低。以混凝土在级配1下的28 d抗压强度为基准，SH、HG、XW和HS在级配3下的28 d抗压强度分别提高了15.9%、11.8%、12.64和12.4%。

上述结果表明，机制砂级配类型对混凝土力学性能的影响较大，这是因为级配1以较细的集料为主，细集料细度模数小致使混凝土的强度较低。相反，级配3的细度模数最大，以1.18 mm以上的集料为主，在混凝土中起到了骨架结构，因此混凝土在级配3条件下的抗压强度最高。级配2与级配4的组成相近,两者的细度模数介于级配1与级配3之间，以0.15～0.60 mm的集料为主，因此抗压强度差异不大。

图3 不同级配下石灰石机制砂混凝土的抗压强度Fig.3 Compressive strength of SH manufactured sand concrete with different gradations

图4 不同级配下花岗岩机制砂混凝土的抗压强度Fig.4 Compressive strength of HG manufactured sand concrete with different gradations

图5 不同级配下玄武岩机制砂混凝土的抗压强度Fig.5 Compressive strength of XW manufactured sand concrete with different gradations

图6 不同级配下天然河砂混凝土的抗压强度Fig.6 Compressive strength of HS concrete with different gradations

2.4 机制砂岩性对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

图7为四种混凝土在级配2条件下经过不同硫酸盐侵蚀周期后的抗压强度。从图中可以看出，四种混凝土的抗压强度在硫酸盐侵蚀循环前期(20～30次循环)均有一定的提升，在硫酸盐侵蚀30个循环后三种机制砂(SH、HG和XW)混凝土的强度分别提高了14.1%、14.6%和17.7%，而HS对照组也提高了近10%。造成这种现象的主要原因是混凝土中的Ca(OH)2在硫酸盐侵蚀循环前期会与Na2SO4发生反应生成CaSO4，并与固态水化铝酸钙生成钙钒石，从而在混凝土中起到填充密实作用，进而增强抗压强度。此外，石膏也会在此过程中以晶体的形式析出，相关反应如式(2)～(4)所示。

Na2SO4·10H2O+Ca(OH)2→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O

(2)

3(CaSO4·2H2O)+3CaO·Al2O3·12H2O+14H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

(3)

Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH

(4)

钙钒石溶解度较低，会结合大量的结晶水从而增大膨胀应力，导致混凝土膨胀开裂。石膏晶体体积增大，从而产生内应力，在硫酸盐侵蚀循环后期同样会导致混凝土膨胀开裂[11]。此外，在石膏的生成过程中会消耗Ca(OH)2，这也会导致混凝土后期强度下降。造成这种现象的原因可能是不同岩性机制砂混凝土在水化过程中，不同成分的砂石之间会发生相互作用[12]。在循环60次后，混凝土强度基本与初始强度相近，继续侵蚀会迅速降低混凝土强度。

图8为四种混凝土在不同硫酸盐侵蚀周期下抗蚀系数的变化情况。四种混凝土的抗蚀系数变化情况基本接近，均表现为先增大后减小。对四种混凝土的抗蚀系数进行多项式拟合，效果良好。根据拟合曲线可以发现，四种混凝土在90～100次硫酸盐侵蚀周期下抗蚀系数会下降到0.75，发生失效。根据抗蚀系数0.75这一临界值来看，三种机制砂混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能略好于天然河砂混凝土，石灰石机制砂混凝土的耐硫酸盐侵蚀效果相对最好，其次是花岗岩机制砂混凝土和玄武岩机制砂混凝土。

图7 四种混凝土在不同硫酸盐侵蚀周期下的抗压强度Fig.7 Compressive strength of four concrete under different sulfate corrosion cycles

图8 抗蚀系数在不同硫酸盐侵蚀周期下的变化Fig.8 Change of corrosion resistance index under different sulfate corrosion cycles

2.5 机制砂级配类型对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

图9～图12分别为三种机制砂混凝土和天然河砂混凝土的抗蚀系数在四种级配条件下的变化情况。抗蚀系数在前20或30个循环次数内会略微增大，随后出现不同程度的降低。混凝土在级配4和级配2条件下的抗蚀系数最好，其次为级配3，级配1最差。在前20个硫酸盐干湿循环内，各级配之间的差距不大；而30个硫酸盐干湿循环后抗蚀系数的差距增大。上述结果表明，机制砂级配类型显著影响混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。

级配1中缺失1.18 mm以上的集料，混凝土中骨料级配间断，因此抗蚀系数在20个硫酸盐干湿循环后便迅速下降。级配3中以0.60 mm及以上的集料居多，混凝土在级配3下的骨架结构增强了混凝土的力学性能，但内部空隙较大，从而更易受硫酸盐侵蚀的影响，因此造成了30个硫酸盐干湿循环后抗蚀系数迅速降低。混凝土在级配2和级配4下的抗硫酸盐侵蚀性能更好，特别是级配4中0.30 mm及0.60 mm的集料含量更高，增大了混凝土的比表面积进而提高了其抗硫酸盐侵蚀性能[13]。

图9 不同级配下石灰石机制砂混凝土的抗蚀系数Fig.9 Corrosion resistance index of SH manufactured sand concrete with different gradations

图10 不同级配下花岗岩机制砂混凝土的抗蚀系数Fig.10 Corrosion resistance index of HG manufactured sand concrete with different gradations

Arulmoly等[14]对机制砂与天然河砂混凝土的空隙结构进行研究，并提出了三种空隙结构形态(见图13)。机制砂棱角性更好，但空隙更大，因此若不控制级配则会降低机制砂混凝土的耐久性。不良级配下机制砂多以图13(b)中骨架结构出现，这种级配类型会增大混凝土空隙；适当调整级配或增加石粉含量可以改善混凝土空隙结构(见图13(c))，进而增强机制砂混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。本研究中级配1为不良级配，缺失部分粒径集料，与图13(b)类似。而级配3中0.60 mm及以上部分占比为65%，较粗的集料增强了混凝土强度但减少了总比表面积，细集料较少时不足以填充粗集料之间的空隙体积，因此级配3下混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能较差[15]。

控制级配可以较好地改善混凝土内空隙结构进而增强机制砂混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。上述结果表明，机制砂岩性并不会对混凝土耐久性带来负面影响，机制砂混凝土耐久性的降低是由级配导致的。