復(fù)摻高性能礦粉對高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的影響

郝卓佳 張永亮

(1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545616;2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

隨著我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大,對天然砂的需求也與日俱增,不可避免地導(dǎo)致了天然砂資源的急劇減少和短缺[1-2]。作為天然砂的主要替代材料,機(jī)制砂已被廣泛用于混凝土體系中[1-5]。機(jī)制砂是指使用制砂機(jī)和其他輔助設(shè)備加工的砂,最終成品比較均勻,可以加工成各種所需粒徑的砂從而適應(yīng)不同工藝的需要。與天然砂相比,機(jī)制砂的顆粒表面不均勻,棱角較多[6],這也是其與表面較為光滑規(guī)則的天然砂的最主要區(qū)別。機(jī)制砂不規(guī)則的表面形態(tài),會導(dǎo)致其具有更大的比表面積從而需要更多體積的漿體來包裹,從而影響其早期和易性以及容易泌水。機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能的影響因素眾多,包括石粉含量、砂率和級配等。與天然砂相同,不同粒徑分布的機(jī)制砂會顯著影響混凝土骨料的密實填充狀態(tài),從而影響混凝土的力學(xué)強(qiáng)度[7-9]。與此同時,有研究表明,較高含量的石粉不利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展,并且還會導(dǎo)致機(jī)制砂的級配不良從而降低混凝土體系的和易性[10-11]。因此目前的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)仍然對石粉含量有嚴(yán)格的限制。

高強(qiáng)混凝土材料致密且堅硬,抗?jié)B透和抗碳化性優(yōu)良,具有高強(qiáng)度和高耐久等特性[12-14]。目前,高強(qiáng)混凝土除了應(yīng)用在高層建筑和大跨度橋梁等工程以外,還可被應(yīng)用在海洋等對耐海水侵蝕和沖刷能力要求較高的領(lǐng)域。由于其更為廣泛的工程應(yīng)用范圍和前景,高強(qiáng)混凝土仍是目前混凝土行業(yè)具有發(fā)展前景的方向。與此同時,由于水泥的生產(chǎn)需要消耗大量能源以及排放二氧化碳,礦物摻合料作為局部代替水泥用量的組分被越來越廣泛地應(yīng)用在膠凝材料中,因此它們也可被稱為替代膠凝材料[15-17]。礦粉、粉煤灰和偏高嶺土是目前較為常見的礦物摻合料,其中礦渣粉是煉鐵工業(yè)的廢料,以玻璃質(zhì)為主且具有火山灰特性。相關(guān)研究表明:摻入礦渣可增加混凝土的氯離子滲透性和水泥漿體在新拌階段的流動性[18-19]。由此可見,礦粉已經(jīng)成為配制大多數(shù)混凝土常用的礦物摻合料。綜上所述,將機(jī)制砂和高性能礦粉引入混凝土體系中能夠在達(dá)到天然砂所對應(yīng)混凝土強(qiáng)度的前提下,進(jìn)一步節(jié)省混凝土材料成本、能源消耗和碳排放。本研究分別從坍落度和擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度、彈性模量和氯離子遷移系數(shù)等方面分析了高性能礦粉對高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土力學(xué)特性的影響,為優(yōu)化機(jī)制砂混凝土性能提供理論和試驗參考。

1 試 驗

1.1 原材料及配合比

采用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥作為主要膠凝材料,復(fù)摻的高性能高爐礦渣為S95 級。其中,水泥和礦渣的密度和比表面積分別為3.11 g/cm3、341 m2/kg 和2.97 g/cm3、408 m2/kg。水泥和礦粉的化學(xué)組成見表1。采用聚羧酸減水劑來分散水泥漿體中的絮凝結(jié)構(gòu)以改善其流動性,其減水率為22.7%。本研究采用的機(jī)制砂和碎石母巖均為玄武巖,其主要指標(biāo)分別見表2 和表3。

表1 水泥和高性能礦渣粉化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of cement and high performance slag powder %

表2 機(jī)制砂的主要指標(biāo)Table 2 Main indicators of machine-made sand

表3 碎石的主要指標(biāo)Table 3 Main indicators of crushed stone

本研究的5 組配合比見表4,從C1到C5依次為每組混凝土試樣進(jìn)行編號。本研究C80 高強(qiáng)混凝土膠凝材料用量根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55—2011)確定為500 kg/m3,高性能礦粉摻量為0～25%,水膠比恒定為0.3,砂率為40%,減水劑根據(jù)調(diào)整后確定其摻量為6%。

表4 機(jī)制砂混凝土配合比Table 4 Manufactured sand concrete mix ratio kg/m3

1.2 試驗方法

(1)坍落度和擴(kuò)展度。坍落度和擴(kuò)展度均按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)進(jìn)行測試。在進(jìn)行坍落度試驗之前,將坍落度筒置于板的中心,并用濕布濕潤內(nèi)壁。用雙腳踩下坍落度筒底部的腳踏板,防止其在緩慢將混凝土倒入筒內(nèi)過程中產(chǎn)生滑動。坍落度測量方法為:混凝土在坍落度圓筒靜置1 min 后,垂直提升坍落度圓筒,并記錄混凝土頂部和底部之間下落高度的差異。擴(kuò)展度則為混凝土停止流動后的最大擴(kuò)展直徑。

(2)力學(xué)性能?；炷恋目箟簭?qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 和100 mm×100 mm×400 mm 的試塊測試。當(dāng)混凝土澆筑完畢后,立即將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)1 d,然后拆模繼續(xù)標(biāo)養(yǎng)至指定齡期。力學(xué)性能測試按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行。

(3)彈性模量。本研究彈性模量測試采用尺寸為100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱體試件,所用儀器設(shè)備為TM-2 型混凝土彈性模量測定儀。其千分表量程為0～1 mm,上下環(huán)中心距為150 mm,下環(huán)離底部為75 mm。

(4)抗氯離子滲透?？孤入x子滲透試驗基于《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行,采用快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM)來測試。試件尺寸為?50 mm×100 mm 圓柱體。試驗前,將所有試件利用真空飽水試驗機(jī)飽水18 h 后,用紙擦拭表面水分,在壓力機(jī)上軸向劈裂成兩個試塊并在斷面處涂0.1 mol/L 的AgNO3溶液,15 min 后可測量顯色的分界線。氯離子滲透系數(shù)計算公式為

式中,U為所用電壓絕對值,V;T為陽極溶液初始溫度和最終溫度平均值,℃;L為試樣厚度,mm;Xd為滲透深度平均值,mm;t為試驗持續(xù)時間,h。

2 試驗結(jié)果

2.1 坍落度和擴(kuò)展度

機(jī)制砂混凝土在摻入不同高性能礦粉后的坍落度和擴(kuò)展度變化特征如圖1 所示。由于擴(kuò)展度是在提起坍落度筒后任混凝土自然流淌至靜止時所測得的擴(kuò)展直徑,根據(jù)這一過程的特點,可以認(rèn)為坍落度和擴(kuò)展度兩個參數(shù)更多地與屈服應(yīng)力相關(guān),即混凝土介于流態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)之間的應(yīng)力值。由圖1 可知:5組混凝土試樣的坍落度為180～215 mm,擴(kuò)展度為370～415 mm。當(dāng)機(jī)制砂混凝土體系中不含礦粉時,坍落度和擴(kuò)展度值均為5 組混凝土試樣中最低,為180 mm 和370 mm。隨著礦粉摻量增大,坍落度和擴(kuò)展度均表現(xiàn)為逐漸增大趨勢,其中當(dāng)?shù)V粉摻量從10%增加至15%時,坍落度由188 mm 增加至215 mm,擴(kuò)展度由392 mm 增大為415 mm,兩者增幅均較為顯著。隨著礦渣含量升高,坍落度和擴(kuò)展度都略有減小。已有研究表明[20]:礦粉等礦物摻合料的摻入會使得混凝土流動性逐漸增大。礦粉的摻入降低了漿料的需水量,并且與粉煤灰相似,在水泥顆粒體系中可以起到潤滑作用。在以上因素作用下,礦粉提高了機(jī)制砂混凝土的坍落度和擴(kuò)展度。

圖1 高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土的坍落度和擴(kuò)展度Fig.1 Slump and expansion of high-strength manufactured sand concrete

2.2 力學(xué)性能

不同礦粉摻量混凝土試件在不同齡期下(3、7、28 d)的抗壓強(qiáng)度變化如圖2 所示。由圖2 可知:各組混凝土的早期強(qiáng)度(3 d)均可以達(dá)到28 d 強(qiáng)度的1/2 以上。養(yǎng)護(hù)3 d 后,抗壓強(qiáng)度隨著礦粉摻量的增加而下降,但幅度不顯著。其中,礦粉摻量在5%以內(nèi),各齡期的抗壓強(qiáng)度近似相同;當(dāng)?shù)V粉摻量超過10%時,機(jī)制砂混凝土3 d 抗壓強(qiáng)度則有所降低。然而,礦粉摻量對混凝土28 d 齡期抗壓強(qiáng)度的影響很小,不摻入礦粉和摻20%礦粉的混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度分別為87.4 MPa 和87.1 MPa。這說明礦粉的摻入可能會導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度有所降低,然而對于后期強(qiáng)度,則沒有顯著影響。在水泥體系中摻入礦粉后,礦粉由于其火山灰活性會與水泥一同發(fā)生水化反應(yīng)生成C—S—H 凝膠[21]。相關(guān)研究表明:礦粉的摻入會使得膠凝體系的早期水化速率有所降低,從而減小早期水化產(chǎn)物的成核和生長[22]。更低的水化產(chǎn)物生長速率會導(dǎo)致強(qiáng)度有所降低,這也體現(xiàn)在圖2 中3 d 強(qiáng)度隨著礦粉摻量增加而降低的變化趨勢中。

圖2 礦粉摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of mineral powder content on compressive strength of concrete

機(jī)制砂混凝土的抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間和礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化特征如圖3 所示。礦粉除了對混凝土抗壓強(qiáng)度有影響外,還對混凝土的早期和硬化后抗折強(qiáng)度有影響。在3 d 時,礦粉摻量為10%以內(nèi),抗折強(qiáng)度幾乎沒有顯著變化,范圍穩(wěn)定于4.3～4.7 MPa。當(dāng)?shù)V粉摻量由10%增至15%時,抗壓強(qiáng)度則由3.2 MPa 下降至2.9 MPa。對于28 d 抗壓強(qiáng)度,礦粉摻量從5%增加到10%強(qiáng)度下降最為顯著,由6.8 MPa降至6.1 MPa。由此可見,礦粉摻量的增加使得早期和后期抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)一定的下降趨勢。

圖3 礦粉摻量對混凝土抗折強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of slag content on flexural strength of concrete

2.3 彈性模量

彈性模量是混凝土材料的重要指標(biāo)參數(shù),能夠表征材料在承受應(yīng)力狀態(tài)時的變形特性,準(zhǔn)確測量彈性模量能夠?qū)?gòu)件受力產(chǎn)生的形變進(jìn)行進(jìn)一步量化[23-26]。強(qiáng)度等級C80 混凝土摻入高性能礦粉對機(jī)制砂混凝土彈性模量的影響如圖4 所示。由圖4 可知:當(dāng)?shù)V粉摻量控制在5%以內(nèi),彈性模量處于較高水平,其中摻量為5%的彈性模量最高為4.13×104MPa。當(dāng)?shù)V粉摻量大于10%時,彈性模量隨著礦粉摻量的增加有所減小,礦粉摻量由5%增至10%的彈性模量減小幅度最為顯著,由4.13×104MPa 降至4.01×104MPa,下降幅度為3%。礦粉摻量為20%所對應(yīng)的機(jī)制砂混凝土彈性模量最低為3.93×104MPa。

圖4 礦粉摻量對混凝土彈性模量的影響Fig.4 Effect of mineral powder content on the elastic modulusofconcrete

2.4 抗氯離子滲透

目前,絕大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu),然而鋼筋的銹蝕是該復(fù)合結(jié)構(gòu)的重要影響因素,也是結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。氯離子對鋼筋的銹蝕會起到顯著的加速作用,因此研究混凝土氯離子滲透性能對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)尤為重要。有研究表明,氯離子在混凝土結(jié)構(gòu)中的滲透是綜合作用下的結(jié)果,包括滲透作用、擴(kuò)散作用、毛細(xì)孔作用和電化學(xué)作用等。不同配合比機(jī)制砂混凝土的氯離子遷移系數(shù)隨礦粉摻量的變化特征如圖5 所示。每組配比試驗重復(fù)進(jìn)行3 次以確保試驗結(jié)果準(zhǔn)確性,并求取3 次試驗結(jié)果的平均值。由圖5 可知:雖然3 次氯離子遷移系數(shù)的平均值存在一定波動,但范圍較小均處于可控范圍內(nèi)。對于3 組系數(shù)的平均值,隨著礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,氯離子遷移系數(shù)有所降低。當(dāng)?shù)V粉摻量為20%時,氯離子遷移系數(shù)最小為3.93×10-12m2/s。

圖5 礦粉摻量對氯離子遷移系數(shù)的影響Fig.5 Effect of mineral powder dosage on chloride ion mobility coefficient

3 討論

由上述試驗結(jié)果可知,在一定摻量以內(nèi)礦粉的摻入能夠使得體系坍落度和擴(kuò)展度均增大,即宏觀上表現(xiàn)為體系流動度增大。此外,混凝土早期抗壓強(qiáng)度雖然隨著礦粉摻量增加有所下降,后期抗壓強(qiáng)度則無顯著差異。水泥—礦粉體系在早期水化速率相對于純水泥較慢,反應(yīng)程度較低。由于水泥中的C3S 和C3A在4 種熟料中水化速率較快,因此它們的水化也會對混凝土早期流動度產(chǎn)生較大影響[15]。高性能礦粉的摻入使得這兩種礦物含量有所降低,減緩了體系水化速率和主要水化產(chǎn)物鈣礬石和C—S—H 凝膠的生成,因而導(dǎo)致混凝土流動度增大以及早期力學(xué)性能降低[20]。然而,隨著養(yǎng)護(hù)時間延長,礦粉的火山灰活性在體系的高堿性環(huán)境中逐漸得到激發(fā),使得后期抗壓強(qiáng)度能夠與純水泥混凝土相當(dāng)。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)?shù)V粉摻量為0～20%,隨著礦粉摻量增加,高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均呈增大趨勢。當(dāng)?shù)V粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%增至15%時,坍落度由188 mm 增加至215 mm,擴(kuò)展度則由392 mm 增大為415 mm,兩者增幅均較為顯著。

(2)礦粉摻量為0～20%時,機(jī)制砂混凝土的早期力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度)均隨摻量的增加有所下降。在28 d 齡期時,混凝土抗折強(qiáng)度表現(xiàn)為下降趨勢,然而不同配合比混凝土抗壓強(qiáng)度的差異則較小。

(3)當(dāng)?shù)V粉摻量控制在5%以內(nèi),彈性模量在5組配合比試驗中處于較高水平;摻量為5%的彈性模量最高為4.13×104MPa;當(dāng)?shù)V粉摻量超過10%后,彈性模量顯著下降。

(4)5 組配合比試驗均表現(xiàn)出良好的抗氯離子滲透性,其中各組配合比混凝土氯離子遷移系數(shù)3 次重復(fù)試驗的平均值隨著礦粉摻量增加而有所降低。