機(jī)制砂石粉含量對(duì)摻火山灰混凝土性能的影響

鄢佳佳1，葉仙松1，李毅超，劉 松1，常 豹1，余 軍

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040； 2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430010)

1 前 言

火山灰以火山噴發(fā)為背景，與熔巖同步產(chǎn)生，集合了熔巖碎屑與粉塵，在水中或地面沉積，更多以松散狀態(tài)存在，隸屬火山灰質(zhì)礦物微粉[1]。放眼全球，火山灰并不少見，存儲(chǔ)規(guī)模巨大，主要集中在火山帶[2]，尤其在500座以上[3]的活火山中分布更為廣泛。對(duì)于一些特殊區(qū)域，盡管礦渣、粉煤灰等摻合料儲(chǔ)量不足，但是鑒于火山的存在，尤其是對(duì)于一些早期火山，在不斷活動(dòng)過程中，火山噴發(fā)物種類較多，衍生礦物復(fù)雜，形成了更具天然性質(zhì)的火山灰質(zhì)材料類型。如果混凝土與火山灰相互作用，拌合物和易性得到改善，可抑制堿骨料反應(yīng)，增強(qiáng)抗硫酸鹽的侵蝕性能，同時(shí)還能降低水 熱。如果氫氧化鈣與火山灰相結(jié)合，生成水化物，會(huì)大大提高混凝土的密實(shí)度[4-6]。因此，火山灰成為混凝土礦物摻合料的重要組成材料，應(yīng)用具有廣泛性，進(jìn)入行業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，在公路建設(shè)中尤其突出，也對(duì)水利建設(shè)具有重要作用。

目前天然河沙存儲(chǔ)量處于不斷減少的趨勢(shì)，這在一定程度上增加了機(jī)制砂的應(yīng)用機(jī)會(huì)。但是，機(jī)制砂的母巖各不相同，工藝各異，直接決定其粒型，與級(jí)配水平關(guān)系緊密[7-8]。機(jī)制砂的特征是促使其區(qū)別于天然砂混凝土的主要原因。在機(jī)制砂生產(chǎn)進(jìn)程中，石粉的產(chǎn)生很難避免，這是導(dǎo)致其與天然砂出現(xiàn)性能不同的主要原因。具體講，機(jī)制砂中的石粉與天然砂中的泥的粒徑都小于75μm，但是成分卻不一致，粒徑分布狀況也各自不同，直接影響其使用功能的發(fā)揮。

機(jī)制砂的性能與機(jī)制砂顆粒以及石粉含量有著不可分割的關(guān)系。另外，外加劑種類以及摻量也是敏感因素，直接導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土的泌水現(xiàn)象，誘發(fā)粘聚性差的問題。因此，如果能在保證混凝土的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能的前提下，將火山灰和機(jī)制砂同時(shí)用于混凝土生產(chǎn)，不但可以大幅度節(jié)約工程成本，而且還能保護(hù)環(huán)境，維持生態(tài)平衡。本文以機(jī)制砂石粉含量差異為基準(zhǔn)，探討石粉對(duì)高性能火山灰混凝土性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥期標(biāo)號(hào)為P.Ⅱ42.5，產(chǎn)自肯尼亞Bamburi Cement公司，性能指標(biāo)如表1所示。試驗(yàn)所用粉煤灰，產(chǎn)自印度，級(jí)別為F-60的Ⅰ級(jí)，其性能指標(biāo)見表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用水泥的性能指標(biāo) Table 1 Performance criteria for cement

表2 粉煤灰的性能指標(biāo) Table 2 Performance criteria for flyash

火山灰由肯尼亞內(nèi)馬鐵路項(xiàng)目部通過磨細(xì)肯尼亞火山巖自產(chǎn)所得，其性能指標(biāo)見表3，其化學(xué)成分見表4所示。火山灰的粒徑分布見圖1，圖中左縱坐標(biāo)表示各粒徑火山灰的含量，右縱坐標(biāo)表示各粒徑火山灰的累計(jì)含量，掃描電子顯微鏡照片(SEM)見圖2。

表3 火山灰的性能指標(biāo)Table 3 Performance criteria for volcanic ash

圖1 火山灰粒度分布圖Fig.1 Particle size distribution of volcanic ash/μm

表4 火山灰的各化學(xué)成分重量百分比Table 4 Chemical composition of volcanic ash /wt%

在試驗(yàn)中，機(jī)制砂定義為凝灰?guī)r機(jī)制砂類型，性能參數(shù)見表5，同時(shí)，石粉掃描電鏡照片見圖3。

表5 機(jī)制砂的性能指標(biāo)Table 5 Performance criteria for manufactured sand

2.2 試驗(yàn)方法

在本文的研究中，研究目標(biāo)設(shè)定為C55梁機(jī)制砂高性能火山灰混凝土，探討不同含量石粉對(duì)高性能火山灰混凝土工作特性、耐久性的影響。在進(jìn)行試配的時(shí)候，要結(jié)合工作性的要求，對(duì)砂率及外加劑的含量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)配，以獲取更高性能的火山灰混凝土。表6為不同的配合比參數(shù)。檢測(cè)的主要性能如下：

2.2.1混凝土拌合物特性 對(duì)于拌合物的性能，主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面，即初始坍塌度、擴(kuò)展度的經(jīng)時(shí)損失以及容重等指標(biāo)，一般以GB/T 50080-2002《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法》為依據(jù)進(jìn)行測(cè)試。

圖3 砂石粉SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM of micro fines

表6 C55梁機(jī)制砂火山灰混凝土配合比Table 6 Mix proportion of C55 beam manufactured sand volcanic ash concrete

a：橡膠筒(內(nèi)徑100，外徑114～120，高150～170)；b：陽極液；c：陽極板(不銹鋼網(wǎng))；d：試件；e：陰極液；f：陰極板(不銹鋼板)；g：有機(jī)玻璃支撐；h：試驗(yàn)槽(有機(jī)玻璃)圖4 RCM-D型全自動(dòng)非穩(wěn)態(tài)氯離子電遷移試驗(yàn)儀 (a) A RCM-D試驗(yàn)儀系統(tǒng)控制顯示器; (B) RCM-D試驗(yàn)示意圖Fig.5 RCM-D type automatic non-stationary chlorine ionic migration tester

2.2.2對(duì)硬化混凝土特性 其中，以力學(xué)性能為主。靜力受壓彈性模量試件尺寸150mm×150mm×300mm，選用試塊對(duì)應(yīng)兩面安裝千分表的方法測(cè)其變形。

2.2.3碳化試驗(yàn) 采用CCB-70型混凝土碳化試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)，碳化試驗(yàn)試件尺寸為100mm×100mm×100mm，成型后在標(biāo)養(yǎng)條件下養(yǎng)護(hù)28d后再進(jìn)行碳化實(shí)驗(yàn)。將試件置于60℃的烘箱，時(shí)間持續(xù)48h，然后針對(duì)其非碳化面進(jìn)行合理處理，常用的辦法是石蠟密封。密封結(jié)束之后，置于碳化箱中進(jìn)行碳化試驗(yàn)。

2.2.4混凝土在氯鹽背景下的抗氯離子滲透性能 依托電快速氯離子遷移系數(shù)法，選用全自動(dòng)混凝土氯離子擴(kuò)散系統(tǒng)，測(cè)定儀如圖4。Cl-擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試試件尺寸為直徑Φ(100±1)mm、高度h(50±2)mm的圓柱體。

3 結(jié)果與討論

3.1 石粉含量對(duì)混凝土工作性能的影響

表7為機(jī)制砂石粉含量對(duì)C55梁火山灰混凝土工作性能的影響。由表中數(shù)據(jù)可見，一旦石粉含量達(dá)到3%，工作性能處于最低值，而7%是最佳性能參數(shù)值；其它各組的工作性能也會(huì)隨機(jī)制砂石粉含量的不同而有所差異，但整體上工作性能比L-MS7差，比L-MS3的工作性能要好。

表7 機(jī)制砂石粉含量對(duì)C55梁火山灰混凝土工作性能的影響Table 7 Effect of the stone dust content in manufactured sand on the workability of C55 beam volcanic ash concrete

出現(xiàn)上述結(jié)果的主要原因是：因?yàn)槭蹖?duì)機(jī)制砂混凝土工作性影響存在兩個(gè)相反的作用：一方面，石粉比表面積較小，石粉的存在彌補(bǔ)了機(jī)制砂混凝土漿體材料不足的缺陷；同時(shí)石粉漿體 補(bǔ)了機(jī)制砂表面粗糙的缺點(diǎn)，有利于減少機(jī)制砂與碎石之間的摩擦，在根本上有效改善了混凝土拌合物的和易性。另外，石粉含量的增加必然引發(fā)水量增加，直接降低拌合物流變性能。從本質(zhì)上講，石粉的作用大小既受機(jī)制砂中石粉含量的影響，受機(jī)制砂的含量的影響，同時(shí)，也與混凝土拌合物膠凝材料性能關(guān)系緊密，尤其是水膠比的影響力更大。石粉的表面積遠(yuǎn)比機(jī)制砂大，因此，石粉的加入必然增強(qiáng)漿體的粘滯性，勢(shì)必帶來拌合物粘聚性的提升。為此，隨石粉的加入，會(huì)降低混凝土拌合物的坍落度和從而減少機(jī)制砂混凝土的泌水現(xiàn)象。

3.2 石粉含量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

表8為機(jī)制砂石粉含量對(duì)火山灰混凝土力學(xué)性能的影響，從表8可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂含量與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系體現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。一旦機(jī)制砂石粉含量達(dá)到7%，抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值。另外，對(duì)于硬化混凝土，其抗壓彈性與機(jī)制砂石粉含量的關(guān)系體現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢(shì)。

表8 機(jī)制砂石粉含量對(duì)C55梁火山灰混凝土力學(xué)性能的影響Table 8 Effect of the stone dust content in manufactured sand on the mechanical properties of C55 beam volcanic ash concrete

同時(shí)，石粉含量為7%時(shí)，抗壓彈性也達(dá)最大值。在根本上分析，這種情況的出現(xiàn)主要源于微集料填充效應(yīng)與成核加速水泥水化反應(yīng)作用，水泥石的密實(shí)度得到大幅增強(qiáng)[11-12]，從而有利于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。但當(dāng)石粉含量太高時(shí)，會(huì)使得混凝土中漿體量增大，反而使混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量下降。

3.3 石粉含量對(duì)混凝土耐久性能的影響

3.3.1碳化分析 圖5為混凝土碳化試驗(yàn)結(jié)果。

在初期，L-MS10的碳化深度處于較小階段，而L-MS3的碳化深度處于最大時(shí)期。在 碳化齡期不斷加長(zhǎng)的過程中，混凝土試塊的深度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是，深度卻不會(huì)一直持續(xù)快速增長(zhǎng)。究其原因，在齡期不斷延長(zhǎng)的過程中，混凝土水泥石發(fā)生水化反應(yīng)，空隙率降低，結(jié)構(gòu)密實(shí)度增強(qiáng)，在根本上有效避免二氧化碳對(duì)混凝土的滲透。另外，在齡期延長(zhǎng)的過程中，碳化處于不斷增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，碳化形成非溶解性鈣鹽的體積大于反應(yīng)物體積，會(huì)將更多細(xì)孔堵塞。在后期齡期增長(zhǎng)過程中，碳化增長(zhǎng)速度趨緩，在達(dá)到28天時(shí)，L-MS3的碳化深度最大， L-MS7的最小。所以，從嚴(yán)控制石粉含量，保證級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)，可使混凝土保持高的密實(shí)度水平，避免水化現(xiàn)象發(fā)生，增強(qiáng)混凝土致密性[13]，從而提高抗碳化性能。

圖5 混凝土碳化深度Fig.5 Concrete carbonation depth

3.3.2氯離子擴(kuò)散系數(shù) 由圖6可知，表6中的五個(gè)配合比成型試件，基于不同齡期的Cl-擴(kuò)散系數(shù)存在差異。隨著機(jī)制砂石粉含量的升高，各組混凝土試塊的氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，L-MS7的氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小，而L-MS3的氯離子擴(kuò)散系最大。這與上述強(qiáng)度和抗碳化性能呈現(xiàn)出的規(guī)律一致。同時(shí)，這也充分表明，機(jī)制砂中科學(xué)合理的石粉含量有利于混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度的增強(qiáng)。石粉在滿足混凝土填充作用的同時(shí)，還能作為膠凝材料的補(bǔ)充繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)，從而使得混凝土中的漿體量增加，促使內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度增強(qiáng)。為此，一旦機(jī)制砂石粉含量處于7%水平，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)也出現(xiàn)最小值；但當(dāng)石粉含量過多時(shí)，會(huì)變成混凝土中骨料間的惰性填充物，給Cl-的滲透提供了更多的通道，大幅度降低了混凝土的抗?jié)B性。由此可見，7%的石粉含量是加強(qiáng)混凝土抗氯離子擴(kuò)散性的重要限值。

圖6 Cl-擴(kuò)散系數(shù)DRCM，0Fig.6 Chloride diffusion coefficient DRCM，0

4 結(jié) 論

1.機(jī)制砂石粉含量是影響高性能火山灰混凝土性質(zhì)的根本因素。其中，7%的石粉含量能夠促使混凝土工作性能達(dá)到最佳水平。同時(shí)，抗壓強(qiáng)度與抗壓彈性都達(dá)到最佳值。

2.在機(jī)制砂的應(yīng)用中，石粉含量的控制工作十分關(guān)鍵，是保障混凝土耐久性的重要參數(shù)。同時(shí)，7%的石粉含量能夠保障混凝土較高的抗碳化性，維持最小的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。