骨料品种对混凝土界面结构及性能的影响

邵凯南

摘要：再生粗骨料的应用既解决了建筑及市政拆除更新的垃圾处理问题，又节约了自然资源，是一种可持续发展的绿色建材制品。但再生粗骨料的原材料来源受废弃混凝土原始强度和使用环境、破碎工艺等因素影响较大，不同企业生产出的再生粗骨料土存在明显的差异，目前国内已有的研究成果的还不足以建立完善的技术指导体系。因此，再生粗骨料要真正达到大量应用于实际工程中，无论是理论研究还是对施工技术的研究，都有诸多技术难题需要解决，尤其在对提高强度、耐久性能、结构力学等方面还要进行相关研究。

关键词：骨料品种；混凝土；性能

引言

骨料是混凝土的主要组成材料，在混凝土中，骨料占其总体积的四分之三以上，骨料特性对混凝土的技术性能和经济效益产生重要影响。骨料的化学和矿物组成以及表面结构会影响水化产物特别是Ca（OH）2和钙矾石（AFt）的成核生长，从而影响界面过渡区的微观结构，进而导致界面过渡区的力学性能存在差异；另一方面骨料的形状、表面结构和长期吸水率也会影响水泥浆体的孔隙结构。

1、试验

1.1、试验原材料

采用峨胜42.5中热硅酸盐水泥，宣威I级粉煤灰，北京冶建JG-3型缓凝高效减水剂及山西黄河的HJAE-A型引气剂；5种人工骨料分别为灰岩、玄武岩、砂岩、大理岩和花岗岩。

1.2、试验方法

把玄武岩、花岗岩、大理岩、板岩、砂岩加工成2.5～5.0mm粒级，作为8字模抗拉强度试验中混凝土“粗骨料”，将大理岩人工砂筛除大于2.5mm的颗粒后作为试验中混凝土“细骨料”，按照粉煤灰掺量35%，水胶比0.30，成型小尺寸混凝土8字模抗拉强度试件。试件成型后标准养护至28d，采用CMT4304型30kN微机电子万能试验机进行8字模抗拉强度观测。把各种岩性的粗骨料（灰岩、玄武岩、砂岩、大理岩、花岗岩）加工成10mm×22mm×20mm规则块状体，成型时将饱和面干的骨料块体置于8字模腰部，按照粉煤灰掺量35%、水胶比0.30，配制砂浆填充8字模，并与骨料块体一同振捣密实，养护至28d，采用CMT4304型30kN微机电子万能试验机进行骨料-砂浆黏结抗拉强度试验。把颗粒尺寸在2.5～5mm范围内的不同岩性骨料，按照粉煤灰掺量35%，水胶比0.30，浆骨体积比为40%，成型40mm×40mm×40mm立方体小试块，每组4块，养护至28d，切片抛光后进行显微硬度测试，切片厚度为10mm。将大理岩、灰岩、砂岩、玄武岩、花岗岩骨料5种骨料研磨至100μm以下。将1份水泥和4份去离子水按质量比在500mL塑料瓶中混合，机械搅拌，得到水泥-去离子水悬浊液。将悬浮液放置4h之后，使用慢速滤纸过滤，得到的水泥溶液用塑料瓶密封保存，水泥溶液中含有钙、钾、钠、铝、硅、氢氧根离子和其他微量离子。采用250mL锥形瓶中，将25g骨料粉末分别悬浮置于150mL水泥溶液和150mL去离子水中。塞紧锥形瓶防止水分蒸发，缓缓地摇动锥形瓶混合以上悬浮液，然后在70℃的恒温水箱中保存。到3、7、28、90d测试龄期，采用带过滤装置的医用针筒抽取出5mL左右的溶液，采用ICP测试分析溶液中的金属离子含量。

2、试验结果及分析

2.1、骨料-水泥浆体界面过渡区显微硬度

不同骨料在混凝土中的界面显微硬度试验结果见图1。

由图1可见，在距骨料界面100μm范围内，界面过渡区显微硬度由高到低依次为灰岩>砂岩>花岗岩>玄武岩>大理岩。钙矾石的簇团生长以及Ca（OH）2晶体的择优生长，使玄武岩和大理岩骨料界面过渡区增大，C/S明显高于其他界面区，显微强度明显低于其他三种骨料。灰岩和砂岩界面区钙矾石的簇团生长以及Ca（OH）2晶体的择优生长情况较少，C/S相对较低，显微强度较高。界面过渡区宽度由高到低依次为大理岩>玄武岩>花岗岩>砂岩>灰岩，界面过渡区的宽度与粗骨料的吸水率相关。

2.2、骨料-水泥浆化学反应

花岗岩在水中1dCa2+溶出较高，但少于砂岩、大理岩和灰岩，后逐渐减少，SO32-溶出量大幅增加，7d后幅度较大，Na+、K+浓度随龄期溶出量增加，56～90d剧增。花岗岩在水泥中的Ca2+持续降低，28d加速降低，SO32-浓度持续增加。大理岩在水中1dCa2+溶出高，后逐渐减少，SO32-溶出量逐渐增加，大于砂岩，Na+随龄期溶出量增加，早期溶出量小于砂岩、花岗岩，和玄武岩，与灰岩类似，大理岩在水中K+少量溶出，溶出量少于砂岩、花岗岩和玄武岩，56d剧增。大理岩在水泥溶液中的Ca2+浓度持续下降，在水泥中的SO32-浓度随龄期持续增加，增加明显。

玄武岩与花岗岩类似，在水中1d时Ca2+溶出高，但少于砂岩、大理岩和灰岩，后逐渐减少，SO32-溶出量逐渐增加，Na+随龄期溶出量增加，早期溶出量与其他4种骨料相比增高，在水中的K+少量溶出，溶出量随龄期变化较小，有减小趋势。玄武岩在水泥中的Ca2+浓度随龄期降低，后期保持恒定，表明与其他骨料相比玄武岩吸收水泥溶液中Ca2+的能力较弱。SO32-浓度持续增加，与花岗岩类似。研究的所有骨料都具有明显的化学活性，但化学活性随着骨料品种和浸泡骨料的溶液品种而变化。在水泥溶液和去离子水中，骨料化学反应活性在7d内增加。整体来看，砂岩和灰岩是本研究骨料中活性最强的，骨料不仅吸附大量离子，也释放离子，表明骨料表面发生了化学反应。玄武砂、花岗岩以及大理岩在水泥溶液和水中都呈现出较低的化学活性。水泥溶液中的OH-离子浓度并不会受灰岩骨料的影响。

整体来看，砂岩和灰岩是本研究骨料中活性最强的，骨料不仅吸附大量离子，也释放离子，表明骨料表面发生了化学反应。玄武砂、花岗岩以及大理岩在水泥溶液和水中都呈现出较低的化学活性。水泥溶液中的 OH-离子浓度并不会受灰岩骨料的影响。结果显示骨料比传统观点认为的更具活性，可以预测骨料与水泥溶液之间会发生各种不同的化学反应，这些反应可能会对混凝土界面过渡区的结构产生影响。虽然砂岩的化学反应最为强烈，界面过渡区最薄，界面性质最好。但抗拉较高，黏结性能较高，表明界面过渡区更多与抗拉强度以及界面黏结性质有关。

结论

（1）骨料與砂浆黏结强度与混凝土抗拉强度结果一致。界面性质较好的砂岩和灰岩混凝土中，骨料与浆体的结合情况良好，因而抗拉强度和黏接强度较高，而界面性质较差的玄武岩和花岗岩混凝土，抗拉强度和黏接强度偏低。因此，混凝土抗拉强度和骨料与砂浆的黏接强度更多与混凝土的界面特征相关。（2）界面过渡区显微硬度由高到低依次为灰岩>砂岩>花岗岩>玄武岩>大理岩。界面过渡区显微硬度与钙硅比呈负相关，钙硅比越高显微硬度越小。（3）砂岩和灰岩是本研究骨料中活性最强的，骨料不仅吸附大量离子，也释放离子，表明砂岩和灰岩骨料表面发生了化学反应。玄武砂、花岗岩以及大理岩在水泥溶液和水中都呈现出较低的化学活性，水泥溶液中的钙离子、OH-离子浓度并不会受玄武砂、花岗岩以及大理岩骨料的影响。

参考文献

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（作者单位：大连市建筑科学研究设计院股份有限公司）