機(jī)制砂的亞甲藍(lán)(MB)值對水工混凝土碳化性能的影響分析

張 亮

(遼寧省綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 綏中 125205)

砂是配制水工混凝土的重要原材料之一，其體積占比通常達(dá)到30%以上，砂的性能在一定程度上決定了水工混凝土的質(zhì)量[1-3]。近年來，隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)以及水利工程建設(shè)數(shù)量的增多，河砂尤其是優(yōu)質(zhì)河砂短缺問題日趨嚴(yán)峻，市場價格不斷上升，機(jī)制砂逐漸替代河砂成為重要來源[4]。相較于天然河砂，機(jī)制砂存在明顯差異，如顆粒表面粗糙、棱角偏多、含有一定數(shù)量的石粉(粒徑75μm以下)等，特別是機(jī)制砂水工混凝土受石粉含量的影響較大。亞甲藍(lán)(MB)值是應(yīng)用機(jī)制砂和判定石粉顆粒吸附性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，用于衡量石粉中的黏土質(zhì)物質(zhì)含量。為合理控制機(jī)制砂MB值，工程中通常選用水洗措施，既造成水資源的浪費(fèi)，還會帶來一定的環(huán)境污染[5]。

針對機(jī)制砂石粉含量，中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)利用MB值給出了明確規(guī)定，許多學(xué)者也開展了深入研究，有學(xué)者等提出砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣與機(jī)制砂MB值的大小密切相關(guān)[6]；李盤升等[7]認(rèn)為混凝土的早期收縮和開裂受MB值的影響較大，尤其是MB值超過1.35時更加顯著；王稷良等[8]研究發(fā)現(xiàn)混凝土抗鹽凍剝蝕性能隨MB值的增加逐漸下降，對低強(qiáng)度混凝土的劣化作用更加明顯。然而，現(xiàn)有研究較少考慮水工混凝土碳化性能受機(jī)制砂MB值的影響。

混凝土碳化是指空氣、水中的CO2與內(nèi)部的CO2發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)，自然條件下生成碳酸鹽，內(nèi)部堿度下降，故也稱為中性反應(yīng)，反應(yīng)方程：Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。碳化破壞了鋼筋表面與堿性物質(zhì)氫氧化鈣生成的鈍化膜，碳化大于保護(hù)層厚時就會完全喪失防護(hù)功能，即在不利條件下引起鋼筋銹蝕破壞[9]。文章通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了水工混凝土談話性能、彈性模量、抗壓強(qiáng)度、減水劑摻量受機(jī)制砂MB值的影響，并利用孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)揭示MB值的作用機(jī)理，以期為MB值的合理設(shè)定和機(jī)制砂的推廣應(yīng)用提供一定借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的材料如下：

1)石灰石機(jī)制砂：松散堆積孔隙率40%，松散堆積密度1620kg/m3，表觀密度2700kg/m3，最大單級壓碎指標(biāo)16.6%，需水比105%，細(xì)度模數(shù)2.90，石粉含量10.0%。

2)石灰石石粉：7d活性指數(shù)75%，需水比98%，含水量0.42%，密度2650kg/m3，比表面積460m2/kg，流動比105%，使用前過0.075mm篩。

3)黏土泥粉：其液塑限、塑限和液限指數(shù)依次為17%、20%、38%，使用前過0.075篩。

4)花崗巖碎石：按3：5：2的比例混合20～30mm級配、10～20mm級配、5～10mm級配碎石，混合后的壓碎指標(biāo)8.1%，針片狀含量0.5%。

5)天瑞P·O 42.5級通用硅酸鹽水泥：3d、28d抗壓強(qiáng)度32.8MPa和57.2MPa，初凝、終凝時間為160min和250min，比表面積328m2/kg，標(biāo)稠用水量27.5%。

6)綏中電廠F類Ⅱ級粉煤灰：28d活性指數(shù)76%，細(xì)度15.1%。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)物理力學(xué)性能和耐久性能現(xiàn)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，測試水工混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和碳化深度。

對于砂漿孔結(jié)構(gòu)的測試，將養(yǎng)護(hù)28d的砂漿破碎取出內(nèi)核，設(shè)定真空干燥箱溫度105℃，把砂漿內(nèi)核烘干24h后自然冷卻，然后利用全自動壓汞儀測試砂漿孔結(jié)構(gòu)，揭示各組試樣的內(nèi)部特征。

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)利用外加泥粉的方式調(diào)整所需要的MB值，通過復(fù)合添加粒徑0.075mm以下的泥粉和石粉控制來機(jī)制砂MB值，從而探討水工混凝土碳化性能受機(jī)制砂MB值的影W響，機(jī)制砂水工混凝土試驗(yàn)配合比，見表1。

表1 機(jī)制砂水工混凝土試驗(yàn)配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 對外加劑摻量的影響

通過調(diào)整減水劑摻量控制拌合物坍落度處于180～220mm之間，不同MB值的減水劑摻量，見圖1。從圖1可以看出，C30水工混凝土減水劑摻量隨機(jī)制砂MB值的增大表現(xiàn)出上升趨勢，MB值處于0.3～0.9之間時減水劑摻量上升幅度相對緩慢，MB值>1.2后減水劑摻量呈明顯上升趨勢。究其原因，機(jī)制砂MB值就是通過測試細(xì)小泥粉和石粉顆粒吸附亞甲藍(lán)量的多少，來判定其吸附性能，MB值越大則機(jī)制砂的吸附性越強(qiáng)。水工混凝土配制過程中選用MB值較大的機(jī)制砂，摻入減水劑后則機(jī)制砂中吸附性較強(qiáng)的細(xì)小顆粒會優(yōu)先吸附減水劑，減水劑被膠凝材料吸附的概率減小，從而使得部分減水劑失去其應(yīng)有的效應(yīng)，所以減水劑摻量隨著機(jī)制砂MB值的增大呈現(xiàn)出上升趨勢。此外，隨機(jī)制砂MB值變化C40水工混凝土減水劑變化規(guī)律與C30保持一致。

圖1 不同MB值的減水劑摻量

2.2 對力學(xué)性能的影響

研究分析水工混凝土力學(xué)性能受機(jī)制砂MB值的影響，不同MB值的水工混凝土力學(xué)性能，見圖2。從圖2(a)可以看出，隨機(jī)制砂MB值的增加C30水工混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先緩慢增大后快速減小的變化趨勢，機(jī)制砂MB值為0.3、0.6、0.9時56d抗壓強(qiáng)度依次為46.1MPa、46.6MPa、47.8MPa，較MB值0.3時上升了1.1%和3.7%；機(jī)制砂MB值為1.2、1.5、1.8、2.1時56d抗壓強(qiáng)度分別為46.7MPa、45.5MPa、45.0MPa、43.4MPa，較MB值0.9時下降了2.3%、4.8%、5.9%、9.2%。深入分析引起該變化規(guī)律的原因，抗壓強(qiáng)度較低時因混凝土中的砂漿較少而機(jī)制砂顆粒比表面積相對較大，從而增大了拌合物的泌水性，泌水時產(chǎn)生的自由水富集在骨料表面，使得漿體與骨料的結(jié)合力減小，抗壓強(qiáng)度也隨之下降，在機(jī)制砂MB值較大情況下，因泥粉具有較強(qiáng)的吸附性使得混凝土保水性明顯增強(qiáng)，拌合物泌水性減小，界面過渡區(qū)有效改善，有利于混凝土強(qiáng)度的提升。另外，泥粉的吸水作用會抑制水泥水化，其吸水變軟后還會在硬化漿體內(nèi)形成缺陷，對混凝土強(qiáng)度造成不利影響。綜上分析，上述兩方面因素均會影響水工混凝土強(qiáng)度，對于MB值較小的機(jī)制砂有利因素發(fā)揮主導(dǎo)作用，隨著MB值的增大混凝土強(qiáng)度有所提升，但MB值>1.2時不利因素發(fā)揮主導(dǎo)作用，此時隨著MB值的增大混凝土強(qiáng)度逐漸減小。

(a)56d抗壓強(qiáng)度

從圖2(b)可以看出，隨機(jī)制砂MB值的增大C30水工混凝土彈性模量表現(xiàn)出快速減小趨勢，究其原因可能是混凝土內(nèi)部的泥粉吸附大量自由水，使得濕度明顯下降，增大內(nèi)部微裂縫的形成概率，并且泥粉吸水后呈多孔隙疏松狀，致使硬化后形成缺陷，這兩種因素的共同作用使得彈性模量明顯下降。

隨機(jī)制砂MB值的增大C40水工混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量變化規(guī)律與C30基本相同，但MB值較大時抗壓強(qiáng)度減小幅度不明顯，表明水膠比較低、膠凝材料用量較高時，泥粉對減弱混凝土強(qiáng)度的不利影響降低。此外，對于強(qiáng)度等級較高的水工混凝土其彈性模量仍然受泥粉量增加的負(fù)面效應(yīng)影響較大[10]。

2.3 對碳化性能的影響

研究分析水工混凝土碳化性能受機(jī)制砂MB值的影響，不同MB值的水工混凝土碳化深，見圖3。從圖3(a)可以看出，水工混凝土碳化深度隨機(jī)制砂MB值的增大而變深，抗碳化性能逐漸減弱，在MB值<0.9時碳化變深的幅度較緩，MB值>1.2時碳化變深的幅度明顯增大。機(jī)制砂MB值為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8、2.1時28d齡期碳化深度依次為6.8mm、6.6mm、7.0mm、7.3mm、7.7mm、8.0mm、8.6mm，較MB值0.3時分別增大了-2.9、2.9%、7.4%、13.2%、17.6%、26.5%。深入分析引起該變化規(guī)律的原因，較低MB值情況下，泥粉吸附拌合物中的自由水達(dá)到了保水作用，降低了新拌混凝土泌水性，使得漿體與骨料之間的界面過渡區(qū)明顯改善，對于弱化混凝土抗碳化性能MB值的作用效應(yīng)不明顯；較高M(jìn)B值情況下，泥粉吸附大量的自由水抑制了水泥水化，從而使得內(nèi)部微裂縫明顯增多，多孔疏松狀的泥粉形成內(nèi)部缺陷，這些不利影響嚴(yán)重降低了混凝土的抗碳化性能[11]。

(b)C30混凝土 (b)C40混凝土

從圖3(b)可以看出，C40水工混凝土碳化性能受機(jī)制砂MB值的影響規(guī)律與C30基本相同，即碳化深度均隨著機(jī)制砂MB值的增大而變深，在MB值<0.9時碳化變深的幅度較緩，MB值>1.2時碳化變深的幅度明顯增大。C40水工混凝土相對于C30強(qiáng)度等級的碳化深度明顯減小，以MB值1.2為例，C40水工混凝土3d、7d、14d、28d碳化深度依次為2.5mm、3.4mm、4.3mm、5.4mm，較C30強(qiáng)度等級3.4mm、4.6mm、5.5mm、7.0mm減小了26.5%、26.1%、21.8%、22.9。究其原因，水工混凝土密實(shí)度隨著水膠比的減小、膠凝材料用量的提高而增大，其抗碳化性能也隨之明顯增強(qiáng)。

2.4 對孔隙結(jié)構(gòu)的影響

試驗(yàn)選用0.3、0.9、1.5、2.1四種不同MB值的機(jī)制砂配制砂漿，將表1中的C40水工混凝土粗骨料去掉后即為砂漿配合比，研究分析孔結(jié)構(gòu)受機(jī)制砂MB值的影響機(jī)理，砂漿孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表2。

由表2可知，MB值越高則砂漿的孔隙率和平均孔徑越大，機(jī)制砂MB值為0.9、1.5、2.1時砂漿孔隙率依次為18.15%、18.34%、19.78%，較MB值0.3時依次增大了8.6%、9.8%、18.4%；機(jī)制砂MB值為0.9、1.5、2.1時砂漿平均孔徑依次為14.5mm、14.8mm、16.0mm，較MB值0.3時依次增大了20.8%、23.3%、33.3%；此外，砂漿孔結(jié)構(gòu)的孔徑分布還會受機(jī)制砂MB值變化的影響，漿體中100～200nm無害孔和≥200有害孔所占比例隨著機(jī)制砂MB值的增大而增多，而漿體中<20mm無害孔和20～100mm過渡孔所占比例隨機(jī)制砂MB值的增大逐漸減小，究其原因是機(jī)制砂中的泥粉劣化了漿體孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙明顯增多，這也是隨MB值的增大水工混凝土抗碳化性能變差的原因之一[12-13]。

表2 砂漿孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

1)水工混凝土減水劑摻量隨機(jī)制砂MB值的增大表現(xiàn)出上升趨勢，MB值處于0.3～0.9之間時摻量上升幅度較緩，而MB值>1.2后減水劑摻量呈明顯上升趨勢。

2)隨機(jī)制砂MB值的增大水工混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先緩慢增大后快速減小的變化趨勢，其彈性模量則表現(xiàn)出快速減小趨勢，碳化深度也不斷加深，并且MB值處于0.3～0.9之間時碳化變深幅度較緩，而MB值>1.2后碳化變深幅度明顯增大。

3)MB值越高則砂漿的孔隙率和平均孔徑越大，究其原因是機(jī)制砂中的泥粉劣化了漿體孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙明顯增多，這也是隨MB值的增大水工混凝土抗碳化性能變差的原因之一。