C40风积砂混凝土孔结构-强度模型研究

张慧梅,郑世航,景盼园,袁 超,李玉根

(1.西安科技大学 a.理学院;b.建筑与土木工程学院, 陕西 西安 710054;2.中国冶金地质总局一局,河北 廊坊 065201;3.榆林学院 建筑工程学院, 陕西 榆林 719000)

0 引言

随着中国基础建设的快速发展,混凝土的使用量不断上升。然而,建筑用砂的资源供应与需求之间的矛盾也日益突出,成为限制基础设施建设的一个重要因素[1]。天然细骨料匮乏问题是目前建筑工程领域所面临的难题,寻找能替代天然细骨料的资源已经成为主流研究课题[2]。此外,荒漠化的持续扩张构成了全球性的环境挑战,荒漠化防治已成为世界性难题[3]。风积砂作为沙漠的产物,资源丰富,若能充分利用其资源,不仅能够缓解天然细骨料供不应求的局面,还可有效改善沙漠化问题,满足可持续发展理念[4-6]。

文献[7-8]验证了风积砂作为混凝土细骨料的可行性。文献[9-12]认为掺入适量的风积砂可以改善混凝土的工作性能,随风积砂掺量增加,混凝土抗压强度先增大后减小,风积砂在混凝土中主要起到填充效应,并且风积砂存在最佳替代率。但文献[13-14]得出,风积砂对于混凝土力学性能仅有削弱作用(亦即强度随风积砂替代率的增大而减小)。影响规律存在差异的主要原因在于风积砂的产地、成因、物理及化学特性不同。文献[15-16]对风积砂混凝土的力学性能进行的多尺度研究表明,风积砂提升混凝强度的原因与其自身粒径小、吸水率较高等物化特征有关。

混凝土是一种多相、非均质的多孔材料,硬化后的混凝土中会产生许多大小不等、形状不同的孔,进而影响其强度。文献[17]研究了孔隙特征对风积砂混凝土强度的影响机理,得出少害孔与28 d抗压强度的关联度最高。文献[18]通过灰熵关联度分析了风积砂混凝土孔隙分布,建立了抗压强度与孔隙半径占比的灰色模型。文献[19]根据灰熵关联理论建立了风积沙混凝土的气泡参数和其抗压强度之间的关系。然而,关于风积砂混凝土孔隙结构特征与强度关系的现有研究成果较少,特别是考虑到无害孔占比的变化鲜有报道。

因此,本文以毛乌素沙漠风积砂等质量代替河砂制备C40风积砂混凝土,通过扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)测试砂浆与骨料间的界面过渡区,利用核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)技术分析混凝土孔隙结构特征,探究不同替代率风积砂混凝土孔隙结构与力学性能的内在关系,揭示其影响机理,建立适用于风积砂混凝土的双因素孔结构-强度模型。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究使用密度为3 151 kg/m3的P·O42.5普通硅酸盐水泥,检测其3 d及28 d抗压强度分别为24.1 MPa和47.3 MPa。粗骨料为直径5～20 mm的级配碎石,表观密度为2 640 kg/m3,堆积密度为1 652 kg/m3,含泥量为2%(质量分数)。采用Ⅱ级粉煤灰,比表面积为352 m2/kg,密度为2 150 kg/m3。细骨料为混合砂,其中河砂为中砂,风积砂取自毛乌素沙漠,主要物理性质和化学成分分别如表1和表2所示。水选用普通自来水。

表1 试验用砂主要物理性质

表2 试验用砂主要化学成分 %

图1为试验用砂级配曲线。从表1和图1可以看出,河砂的含水率较低而含泥量较高,且颗粒级配良好;风积砂表面浑圆,含水率较高而含泥量较低,颗粒粒径均匀且较小、级配不良。经检测,风积砂中的SiO2及Al2O3均有活性,这使风积砂具有更好的催化和吸附性能。相比之下,河砂pH值为7.05,而风积砂为7.49,表明风积砂呈弱碱性。

1.2 配合比

本试验设计混凝土强度等级为C40,参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》,水胶比为0.42,砂率为0.32,利用一定质量分数的风积砂等质量代替河砂,风积砂替代率分别为0%、20%、40%、60%、80%和100%(分别以ASC-0、ASC-20、ASC-40、ASC-60、ASC-80和ASC-100表示)。配合比设计详见表3。

1.3 试验方法

依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》制备了尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件6组,其中5组用于力学特性试验,1组用于制备核磁共振φ50×100 mm试样,每组3个平行试样。

采用YAW-2000B型微机控制电液式压力试验机对达到既定龄期(3 d、7 d、14 d、21 d和28 d)的风积砂混凝土进行抗压强度试验,分析抗压强度随风积砂替代率和养护龄期的变化规律;选用德国蔡司公司生产的σ300型场发射SEM,从试件不同位置选取尺寸约为15 mm×15 mm×5 mm的薄片进行表面清洁后观察,揭示风积砂替代率对混凝土界面过渡区(interfacial transition zone, ITZ)结构及水化产物形貌的影响机理。

采用钻心机对28 d龄期试件钻取φ50×100 mm的芯样,经105 ℃干燥24 h后抽气、真空饱水24 h后用MacroMR12-150H-Ⅰ型NMR仪进行测试,分析风积砂替代率对混凝土孔隙结构参数(孔隙率和孔径分布)的影响规律。

2 结果和分析

2.1 抗压强度

风积砂混凝土抗压强度随风积砂替代率、养护龄期的变化曲线,如图2所示。

(a) 风积砂替代率 (b) 养护龄期

由图2a可知,随着风积砂替代率的增加,风积砂混凝土抗压强度经历了“先上升后下降”的过程,在替代率为20%～80%时,风积砂混凝土的抗压强度均高于普通混凝土,替代率为20%时抗压强度最高。以替代率为20%的风积砂混凝土为例,其28 d抗压强度较替代率为0%时增加了8.87%,较替代率为40%时增加了4.86%,较替代率为60%时增加了4.42%,较替代率为80%时增加了9.25%,较替代率为100%时增加了13.24%。由图2b可知,当替代率一定时,风积砂混凝土抗压强度随养护龄期增长规律与普通混凝土相似,各试件抗压强度前期增长速率明显快于中后期。0～7 d时,抗压强度增加速度随着替代率的增加依次分别为5.4 MPa/d、6.47 MPa/d、5.84 MPa/d、5.79 MPa/d、5.88 MPa/d和4.90 MPa/d;21～28 d时抗压强度增加速度依次分别为0.13 MPa/d、0.10 MPa/d、0.11 MPa/d、0.08 MPa/d、0.08 MPa/d和0.27 MPa/d。这是由于在混凝土养护的不同阶段,水泥的水化反应速率是不一样的。在养护前期,水化反应发生迅速,导致混凝土的抗压强度迅速增长。然而,在养护后期,水化反应逐渐趋于平稳,导致混凝土的抗压强度增长速度减慢。

2.2 微观形貌分析

为进一步分析风积砂替代率对风积砂混凝土微观结构的影响,选取养护龄期为28 d的ASC-0、ASC-20、ASC-100的试样微观形貌进行观察。图3为混凝土界面过渡区及水化产物的微观形貌。

由图3a和图3d可以看出,ASC-0试样ITZ密实度稍差,可见连通的大孔隙及少量收缩微裂缝,其水化产物主要为网状的水化硅酸钙(Ca5Si6O16(OH)·4H2O,C—S—H)凝胶,同时周围存在许多针棒状晶体(钙矾石,6CaO·Al2O3·3SO3·32H2O,AFt),微观结构较为松散。由图3b和图3e可以看出,ASC-20试样ITZ结构连接更为紧密,有少量的孔隙和微裂缝,没有明显的薄弱区,水化产生的C—S—H能够形成致密的网状结构,使得整体结构更加紧密可靠,内部氢氧化钙[Ca(OH)2]晶体较少。由图3c和图3f可以看出,ASC-100试样ITZ结构能发现明显的长裂缝,以及许多小孔隙,密实度较其他两组混凝土最为松散,观察其水化产物形态可知,其内部富集着大量的AFt,且连接较为松散,同时存在有片状的Ca(OH)2晶体,其强度较其他产物来说更低,同时稳定性也较差。

(a) ASC-0界面过渡区 (b) ASC-20界面过渡区 (c) ASC-100界面过渡区

混凝土的这种微观界面结构在一定程度上反映了其宏观力学特性[10]。分析原因可知,风积砂的细小粒径和较大比表面积能够适度减少骨料表面的水分富集以及水膜的厚度,使混凝土内部的“微区泌水”效应减弱,ITZ结构得到改善。然而,当风积砂替代率较高时,在相同用水量下,混凝土的拌合物流动性会降低,造成包裹骨料的水泥砂浆不足,孔隙增多,微裂缝出现在界面过渡区,从而减弱了砂浆与骨料的粘结作用,进而导致混凝土的强度下降。

2.3 孔径分布

混凝土材料是一种多相、多层次的复合材料,其宏观性能是由微观结构决定的[20]。微观结构的复杂性、不确定性决定了材料宏观物理特征的多变性及不规则性。核磁共振作为一种无损检测技术,在表征微观孔隙方面有独到优势。根据核磁共振原理[21-23],弛豫时间和孔隙尺寸成正比,受材料内孔隙比表面积影响,假设孔隙为理想球体,则可将T2图谱转化为材料孔径分布[24],如图4所示。

图4 风积砂混凝土孔径分布

图4中孔径分布曲线表明了各孔径孔隙占全部孔隙的百分比,百分比越高表示该孔径孔隙数量越多,曲线起始位置表示混凝土中存在的最小孔隙孔径,而曲线最大峰值则表示孔隙中占比最高的孔隙孔径,即最可几孔径。可以看出,混凝土孔径分布大部分处于0.001～0.1 μm,各曲线由3～4个峰组成,主要呈现“主次峰”结构,第一峰面积占比在85%以上,且第一峰面积远远超过其他峰。随着风积砂替代率的增加,曲线起始位置先左移动后右移,表明材料内最小孔径先减小后增加,第一峰幅值逐渐降低,结束位置逐渐左移,表明最大孔径逐渐减小,大孔隙占比不断减小,说明风积砂的加入有利于混凝土大孔隙向小孔隙转化,减少混凝土的总孔隙。

2.4 孔隙结构与力学性能的关系

混凝土作为多孔材料,其力学特性受到孔隙尺寸即孔隙结构的影响,且不同尺寸的孔隙对混凝土力学特性的影响程度不同。同时,孔隙率是表征多孔材料孔隙结构的一个重要指标,在早期的相关研究中,混凝土材料的孔隙率是强度模型的唯一因素。根据文献[25]对混凝土内孔径大小的分类标准,孔结构可以分为无害孔(d≤20 nm)、少害孔(20200 nm)。据此将图4中的孔径分布进行分类统计,结合孔隙率,并考虑对抗压强度的影响,结果如图5所示。

(a) 孔径分布 (b) 孔隙率

由图5a与图5b可以看出,随风积砂替代率的增加,混凝土抗压强度先增加后减小,无害孔占比先上升后下降,少害孔占比先下降后上升,有害孔占比逐渐上升,多害孔占比呈波浪式下降,孔隙率与无害孔隙率呈现先减小后增加的趋势,在风积砂替代率为20%时,孔隙率达到最小且混凝土抗压强度最高。分析原因可知,风积砂颗粒级配不良,粒径较为集中,可以填充粗骨料与河砂之间的孔隙,增强骨料间的密实度,使混凝土抗压强度呈现先增加后减小,因此当风积砂替代率发生变化时,孔隙半径更集中于无害孔和少害孔。同时,可以看出无害孔的占比与混凝土抗压强度发展规律具有一致性,孔隙率呈现出相反的趋势,在一定程度上表征风积砂混凝土的抗压强度变化,因此可以判断无害孔占比与孔隙率是影响混凝土强度发展的重要因素。

2.5 风积砂对混凝土力学性能的影响机理

材料的微观结构将决定其宏观性能,SEM与NMR表征结果表明,硬化后的混凝土中会产生许多大小不等、形状不同的孔,进而影响其力学性能。由图3可知,在混凝土中掺入少量风积砂可以提高抗压强度,但掺量过高时,反而不利于混凝土强度发展。风积砂对混凝土力学性能的影响机理如图6所示。

图6 风积砂对混凝土力学性能的影响机理

通过分析其内在原因可知,风积砂粒径较小且表面浑圆,可以发挥“填隙”和“滚珠”效应。适量的风积砂的加入,改善了混凝土骨料级配,使风积砂、河砂及石子间粒径尺寸近似满足连续级配理论,实现了不同粒径颗粒间相互填隙;支撑ITZ为结构骨架,细化孔隙,减少了粗骨料间的孔隙体积,使“微区泌水”效应减弱,ITZ厚度与受荷面初始损伤减小,使混凝土宏观性能增强。当风积砂加入过多时,容易造成体系内骨料级配不良甚至缺失,砂子对粗骨料的“干涉”作用减弱,形成更多孔隙,同时会加剧“边界”效应,使混凝土内形成更多临近的水泥松散堆积体及局部高水灰比区域,增加了孔隙率,降低了界面过渡区结构的密实度,进而使混凝土力学性能下降。

3 孔结构-强度模型

通过对图5a与图5b的分析,混凝土抗压强度与无害孔占比和无害孔隙率之间存在一定的相关性。具体而言,随着无害孔占比的增加,抗压强度增大,随着无害孔隙率的增大,抗压强度则减小。此外,通过图7可以进一步观察风积砂混凝土抗压强度与无害孔占比和无害孔隙率之间的关系,可以看出无害孔占比和无害孔隙率与强度发展均存在一定的相关性,因此可以在一定程度上描述风积砂混凝土的强度变化。

(a) 无害孔占比 (b) 无害孔隙率

通常采用单因素表征混凝土的宏观强度变化,但基于上述研究,本文尝试建立C40风积砂混凝土无害孔占比和无害孔隙率双因素的孔结构-强度模型,假设孔结构-强度关系表达式为:

fc=α+β1ph+β2nh,

其中:fc为抗压强度,MPa;ph为混凝土的无害孔占比,%;nh为混凝土的无害孔隙率,%;α,β1,β2为回归参数。

通过回归分析,得到孔结构-强度关系表达式参数,如表4所示。

表4 多元回归系数

经计算,抗压强度的预测值与试验值之间一致性较好,表明该模型具有足够的精度,具体结果如图8所示。因此,认为无害孔占比与无害孔隙率在一定条件下可以较好地预测混凝土的抗压强度。

图8 模型预测与试验值对比

4 结论

(1)随风积砂替代率的增加,抗压强度先增大后减小,随养护龄期的增加,强度增长速率先快后慢,最优风积砂替代率为20%。

(2)随风积砂替代率的增加,曲线起始位置先左移后右,孔隙率与无害孔占比先减后增,微观结构先紧密后松散,促使了大孔隙向小孔隙转化。

(3)风积砂增强混凝土力学性能的机理在于适量的风积砂改善了界面区结构及混凝土内部的孔径分布,细化孔隙,使受荷面初始损伤减小,混凝土宏观性能增强。

(4)建立了以无害孔占比和无害孔隙率表征混凝土的抗压强度的孔结构-强度模型,能很好地预测C40风积砂混凝土强度。