风积沙混凝土微观结构及孔隙特征研究*

银英姿， 雷雅楠， 苏 英

(内蒙古科技大学土木工程学院， 包头 014010)

0 引言

我国西北地区荒漠化严重，长期以来困扰着西部地区的建设与发展。风积沙是一种来自沙漠、戈壁的特细砂，是经风吹动，通过自然力冲积到平原形成的沙层。若将我国丰厚的风积沙资源应用于建筑项目工程中不仅可以抑制荒漠化、保护生态环境免遭破坏，还可减少实际工程中粗砂的采集和运输成本，降低工程造价[1-2]。

抗压强度是混凝土最基本和最主要的力学性能指标，也是划分混凝土强度等级的重要指标。因此，对风积沙替代普通河砂制备的风积沙混凝土(Aeolian Sand Concrete，ASC)进行立方抗压强度试验时，对其强度分析是必不可少的。Benabed等人[3]利用特细砂配制自密实砂浆，对其力学性能开展了研究，当特细砂取代河砂不超过50%时，砂浆的力学性能没有下降，替代率超过75%时，流动度有所下降，结果表明特细砂可以作为砂浆细骨料的替代材料。维利思等人[4]利用灰色理论对不同ASC的抗压强度和内部孔隙规律进行研究，结果表明当小孔越多，大孔越少时，抗压强度越大。付杰、陈俊杰等人[5-6]通过正交试验，分析了沙漠砂替代率、水胶比、粉煤灰掺量和灰砂比对沙漠砂混凝土性能的影响，结果表明沙漠砂替代率为20%时，对抗压强度的贡献最大。杨维武等人[7]设计正交试验,研究水胶比、砂率、粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对不同龄期高强混凝土抗压强度的影响，结果表明沙漠砂可替代中砂配制高强混凝土，沙漠砂在高强混凝土中的最佳替代率为0～40%。

综上，ASC已经得到了较多研究，并取得了丰硕的研究成果，但对微观方面的研究较少。风积沙掺入改变了混凝土水化产物和孔结构，而孔结构是混凝土的重要组成部分，与混凝土的抗压强度密切相关[8]。因此，本文通过风积沙等质量替代普通河砂制备ASC，对其进行立方抗压强度试验，通过扫描电镜(SEM)和核磁共振(NMR)技术对其微观形貌和孔结构进行测试，并开展强度、孔结构研究，探讨不同孔径以及孔隙率与抗压强度的影响，建立ASC强度-孔结构的定量关系模型，揭示风积沙对混凝土力学和微观结构的内在控制因素和影响机制。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥：P·O 42.5。粉煤灰：内蒙古某公司生产的Ⅱ级粉煤灰。河砂：颗粒级配良好的天然河砂，细度模数2.87，堆积密度1 530kg/m3，表观密度2 580kg/m3，化学成分见表1。风积沙：内蒙古库布齐沙漠，主要颗粒粒径0.075～0.25mm，堆积密度1 580kg/m3，表观密度2 650kg/m3，化学成分见表1。石子：包头市周边采石场普通碎石，5～31.5mm连续级配，堆积密度1 650kg/m3，表观密度2 680kg/m3。水：当地普通饮用水。外加剂：聚羧酸复合高效减水剂，减水率22%。

表1 风积沙与天然河砂主要化学成分

1.2 ASC配合比设计

本试验混凝土配合比按照C40强度等级进行设计，内掺10%粉煤灰替代水泥，经多次试配和调整，确定外加剂质量为胶凝材料的2%，水胶比为0.42，砂率为0.43。分别以质量比为10%，20%，30%和40%的风积沙取代普通河砂制备ASC，混凝土配合比见表2。

表2 ASC配合比/(kg/m3)

1.3 试验设计

(1)抗压强度试验：参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行混凝土立方体抗压强度测试，测试龄期为3，7，28d。

(2)扫描电镜(SEM)分析：对试件进行制样，放置于样品托上涂布导电胶带，置于离子溅射仪中进行喷金处理，并采用Hitachi S-4800型场发射电镜观测ASC水化产物的微观形貌。

(3)采用MesoMR23-060-I型核磁共振分析系统，测定标养28d的ASC的孔隙特征。将试块切割钻芯为φ48×50的圆柱体试件并在真空饱和装置中进行24h真空饱水，使其达到饱和状态，测量混凝土的T2谱特征值。

2 试验结果与讨论

2.1 ASC立方抗压强度

图1和图2分别为ASC抗压强度与风积沙替代率和龄期之间的关系。由图1，2可知，立方抗压强度随着风积沙替代率的增加呈先增大后减小的趋势，且试验组强度均比基准组A0高。当风积沙替代率为20%时，各龄期ASC的抗压强度达到最大，较基准组分别提高了23.84%，11.12%，10.20%。分析其原因，主要由于风积沙属于特细砂，在同一水胶比下，适量的风积沙可以较好地填充混凝土内部孔隙，优化孔结构，增强机体密实度，从而使抗压强度增大；风积沙吸水性较强，要得到同样流动性的混凝土需要增加用水量，当替代率大于20%时，混凝土流动性会随着风积沙替代率的增加而降低，进而影响混凝土的密实度。同时风积沙替代率较高时，虽然风积沙填充了孔隙，但由于风积沙比表面积较大，需要的水泥浆量大幅度增加，导致混凝土的水泥量相对不足，引起混凝土强度下降[9]。

图2 ASC抗压强度与龄期的关系

2.2 ASC微观结构和孔隙特征

2.2.1 SEM形貌分析

为了深入观察风积沙替代普通河砂对混凝土微观形貌的变化，选取龄期为28d的A0，A20和A40三组ASC进行电镜扫描，图3为混凝土水化产物形貌和细骨料与水泥石界面过渡区形貌。由图3(a)可以看出A0组有大量未水化的六角形片状Ca(OH)2晶体，其周围富集着许多针棒状晶体，微观结构较松散，密实度稍差。由图3(d)可知A0组ASC内水泥石与普通河砂胶结不够紧密，有明显的裂缝和孔洞，水化产物比较单一。图3(b)和图3(e)可以看出A20组ASC内风积沙与水化产物紧密结合在一起，界面区几乎看不到裂缝的存在，水化生成的网状C-S-H凝胶和针棒状晶体交织在一起形成空间网络结构填充于风积沙与水泥石界面之间。图3(c)和图3(f)中观察可以发现A40组ASC内部Ca(OH)2晶体明显较少，水泥石与骨料界面区连接较为紧密，可以看出存在微裂缝，密实性相对较A0组好，但不如A20组。

图3 各组试件28d的SEM图

对上述现象进行分析发现，针棒状水化产物为钙矾石(Aft)，且能拉结块状化合物颗粒起到胶结作用。其次片层状的Ca(OH)2晶体自身强度和稳定性要小于网状C-S-H凝胶和针棒状Aft。由于Ca(OH)2晶体自身强度更低，外力作用下很容易断裂，造成混凝土内部结构破坏。所以A0组抗压强度最低。同时上述试验现象也说明了当风积沙替代率为20%时，大量C-S-H凝胶和针棒状Aft晶体提高了ASC内部结构的密度，改善了水泥石的界面结构，因此A20组宏观表现为抗压强度最大。当风积沙替代率较高时，由于风积沙比表面积较大，在相同用水量下，混凝土拌合物流动度下降，孔隙增多，界面过渡区出现微裂缝，砂浆与骨料粘结作用减弱，导致强度降低。因此A40组宏观表现立方抗压强度低于A20组，但高于A0组。

2.2.2 NMR孔隙特征分析

孔隙结构是混凝土的重要组成部分，其对预测混凝土的宏观性能具有很大的贡献。因此通过NMR技术对五组ASC进行CPMG脉冲序列并采集核磁共振数据。根据NMR原理[10-11]，弛豫时间T2与孔径之间呈正比，T2越小，孔径越小，存在于孔中的水受到的束缚程度越大，且其峰的面积大小决定着对应孔径的多少。图4为五组ASC的T2谱分布曲线。T2谱分布面积及各峰比例见表3。

图4 ASC的T2谱分布曲线

表3 ASC的T2谱分布面积及各峰比例

由图4可知，五组混凝土核磁共振T2谱主要表现为连续3～4个峰，且各个峰值信号存在较大差异，但T2谱特征趋于一致。对比发现：掺入风积沙后，ASC的T2谱首峰均出现左移，表明适量的风积沙掺入可以较好地填充混凝土内部孔隙，提高基体密实度，使得部分大孔向小孔发展。由表3可知，五组混凝土的首峰面积所占总面积比列均达65%以上，高于其余各峰，说明在五组混凝土中小尺寸的孔隙占绝大部分。且首峰面积所占总面积比列随着风积沙替代率的增加呈先增大后减小的趋势，与宏观抗压强度变化规律一致，说明小尺寸孔隙所占比列与抗压强度存在一定的相关性。

为了进一步研究混凝土内部不同孔径对混凝土宏观性能的影响，对混凝土内部孔结构进行等级划分，同时引入流体饱和度概念。根据Powers T C[12]和我国吴中伟[13]院士对孔结构等级的划分，依据不同孔径对应的弛豫时间，对混凝土内部孔结构划分为非毛细孔、毛细孔和胶凝孔。而流体饱和度是指混凝土孔隙中流体所占的体积分数。图5为五组混凝土的不同孔径分布直方图。表4为五组混凝土标样28d的孔隙特征数。

表4 五组混凝土标样28d的孔隙特征数

由图5可知，ASC内部主要孔隙为毛细孔，占总孔隙的70%～80%，其次为胶凝孔和非毛细孔，胶凝孔占总孔隙的10%～20%。随着风积沙替代率的增加，混凝土内部胶凝孔所占比呈先增大后减小的变化趋势，且风积沙替代率为20%时，胶凝孔所占比最大，达到了20%。与抗压强度对比发现，胶凝孔所占比变化规律与其抗压强度的变化趋势一致。主要原因是，风积沙颗粒细小均匀，当风积沙等质量替代河砂掺入混凝土中，可以有效对微观孔结构进行填充，使得大孔数量降低，小孔增加，细化了微观孔结构。因此，胶凝孔所占比例越大对抗压强度的贡献越大。

图5 混凝土孔径类型比例分布

孔隙特征参数结果表明：随着风积沙替代率的增加，混凝土自由流体饱和度呈先减少后增加的趋势。自由流体饱和度越大，内部自由水越多，自由水蒸发而形成的毛细孔以及大孔含量增多，进而孔隙率增大，宏观表现为抗压强度的降低。由表4可知，A20组内部自由流体饱和度和孔隙率均为最低，内部结构密实，抗压强度最大。A40组混凝土由于过量风积沙的掺入，相对吸水率增大，造成混凝土拌合物流动性降低致使内部结构疏松，孔隙率和自由流体饱和度增大，但均小于A0组。因此，A40组混凝土抗压强度低于A20组，但高于A0组。

3 抗压强度与孔结构关系模型

图6为ASC抗压强度与孔径分布、孔隙率之间的关系。由图6(a)和图6(b)可知，抗压强度与毛细孔和非毛细孔含量比例之间无明显的关系。抗压强度与胶凝孔所占比、孔隙率之间均存在一定的相关性。由图6(c)和图6(d)可以看出抗压强度随着孔隙率的增大而减少，随着胶凝孔所占比的增大而增大。这是由于孔隙率在一定程度上可以表征混凝土内部的孔隙结构，孔隙率越小，试件内部越密实。同时该规律与Mehta[14]认为试件强度随着胶凝孔所占比增多而增大相类似。综上可知，胶凝孔所占比与孔隙率可在一定程度上表征混凝土的宏观强度变化。

图6 抗压强度与孔径分布、孔隙率的关系

在上述单因素分析基础上，为更好地分析混凝土宏观抗压强度与内部孔隙特征参数之间的定量关系，通过多元回归建立了考虑胶凝孔所占比与孔隙率两方面因素的孔结构-强度模型。由单因素可知，强度与胶凝孔所占比、孔隙率之间分别为二次和一次函数关系。因此假设模型为式(1)，回归结果见表5。

由表5可知，该模型具有较高拟合精度，相关系数R2为0.995。因此，认为胶凝孔所占比与孔隙率在一定条件下可以较好地预测混凝土的抗压强度。

表5 多元回归系数

Rc=β0+β1n+β2e+β3e2

(1)

式中：Rc为混凝土抗压强度，MPa；n为孔隙率，%；e为混凝土内胶凝孔所占比，%；β0，β1，β2和β3为回归参数。

4 结论

(1)风积沙等质量取代普通河砂对混凝土强度影响较大，当风积沙替代率为20%时，抗压强度表现最优，较基准组大约提高了10%～24%。

(2)在风积沙替代率小于20%时，风积沙可以较好地发挥填充作用，增加基体密实度，有利于提高抗压强度。当风积沙替代率较高时，ASC流动性和密实度下降，使得水泥浆量相对不足引起强度降低。因此要控制风积沙在混凝土的掺入量。

(3)ASC的T2谱主要有3～4个连续峰，风积沙掺入混凝土中使孔隙结构出现重分布，非毛细孔向毛细孔转变，毛细孔向胶凝孔转变。当风积沙替代率为20%时，胶凝孔所占比最大，与强度变化规律基本一致。当风积沙替代率超过20%时，内部孔结构优化效果下降，抗压强度下降。

(4)混凝土孔隙率和胶凝孔所占比在一定条件下可以表征混凝土的抗压强度变化规律。并建立了考虑胶凝孔所占比与孔隙率两方面因素的孔结构-强度模型，拟合相关系数为0.995。