石粉对C60 高强机制砂混凝土碳化后性能影响研究

郑孙博，陈嘉健*，刘炽豪，段登辉，汪文学

（1.佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院，广东 佛山 528225；2.九州大学 应用力学研究所，日本 佛冈市8 168580）

随着机制砂行业的发展，机制砂已经在实际工程中得到了比较广泛的应用［1-3］。机制砂的典型特征是含有粒径小于0.075 mm 的石粉［4］。研究表明，石粉对于改善机制砂混凝土性能有着重要作用，一定含量的石粉能改善机制砂混凝土的和易性，同时也能提高力学和耐久性能［5-13］。杨海成［14］研究发现，石粉控制在4.5 %～6.5 %范围内，能对高强C80 机制砂混凝土的力学性能、和易性和抗氯离子性能有一定的正作用；王建国［15］在实验中发现，使用石粉质量分数为5 %～7 %的玄武岩机制砂制备C70 高强机制砂混凝土，其力学性能最优；李嵩林［16］研究表明，C50 机制砂混凝土在石粉掺量5 %～7 %时抗压强度最优，石粉掺量在12 %以内对抗冻性能和氯离子渗透影响不大。

近年来，关于石粉对高强机制砂混凝土性能的影响，已有不少学者开展了很多工作［17-18］，但对石粉含量影响高强机制砂混凝土碳化后的性能鲜有研究。因此，本文通过使用石灰岩和花岗岩两种机制砂制备机制砂混凝土，同时与河砂混凝土对比，进一步研究石粉对C60 高强机制砂混凝土碳化后的性能影响。

1 试验原材料及配比

1.1 试验原材料

石井牌P.O42.5R 级普通硅酸盐水泥，表1 为其主要的性能指标；佛山地区的Ⅱ级粉煤灰；石粉经石灰岩机制砂和花岗岩机制砂过筛而得，其粒径小于0.075 mm；佛山地区的河砂、花岗岩机制砂和石灰岩机制砂，符合Ⅱ区砂标准，其细度模数分别为2.6、3.0 和2.7；两种机制砂经水洗除石粉、自然晾干及干燥箱烘干处理，河砂不做筛粉处理按天然级配进行试验；石灰岩碎石采用粒径为10～25 mm 和5～10 mm 的大小碎石，其质量比为3:7；聚羧酸系列高性能减水剂；实验室普通市政自来水。

表1 水泥主要性能指标

1.2 试验配比

试验设定水胶比为0.3，胶凝材料总用量为500 kg/m3，砂率为44 %，塌落度值为200±20 mm。以5 %为梯度，配制石粉含量为0、5 %、10 %、15 %和20 %的机制砂，研究不同石粉含量对C60 机制砂混凝土碳化后性能的影响。配比中H 表示花岗岩机制砂、S 表示石灰岩机制砂、R 表示河砂，具体试验配合比见下表2。

表2 C60 机制砂混凝土配合比

2 碳化试验过程

依据规范［19］进行C60 机制砂混凝土碳化试验，采用边长为100 mm 非标准立方体混凝土试块。试件制备完成后，待试件养护至26 d 时，将试件放入鼓风干燥箱中，以60 ℃的温度烘48 h，随后使用石蜡密封试件相对的两个面，密封完成后将试件放入HTX-12 型混凝土碳化箱，再进行龄期为3 d、7 d、14 d 和28 d 的快速碳化试验。注意试验过程中碳化箱中始终保持湿度在70 %±5 %、温度在20±2 ℃以及CO2浓度在20 %±3 %。

待达到相应的碳化龄期后，将试件取出并用劈裂夹具把试件从中间劈开，随后用刷子清扫表面残余粉末；紧接着在劈裂面喷上溶度为1 %的酚酞溶液；最后用游标卡尺测量劈裂面四个边线的碳化深度，每间隔10 mm 为一个测点，取各测点的均值作为最后的碳化深度值，具体的试验流程如图1。

图1 混凝土碳化试验流程图

3 C60 机制砂混凝土碳化试验结果与分析

3.1 碳化深度结果与分析

碳化深度结果列于表3。观察表3 可以发现，在3 d 龄期时各组的混凝土碳化深度均为0。当石粉含量为0 时，河砂混凝土在各龄期（7 d、14 d、28 d）的碳化深度都要比花岗岩机制砂混凝土和石灰岩机制砂混凝土的小。其中7 d 龄期的混凝土碳化深度，花岗岩组和石灰岩组比河砂组分别增加136.3 %和218.8 %；14 d 龄期分别增加81.1 %和108.8 %；28 d 龄期则分别增加70.7 %和97.8 %。石粉含量为5 %～20 %时，碳化7 d、14 d 和28 d 龄期后，花岗岩机制砂各组的碳化深度都小于各组石灰岩机制砂。试验所有配比的碳化深度并不大，根据规范《混凝土耐久性检验评定标准》［22］中碳化深度Ⅳ级的标准，规范规定混凝土碳化深度在0.1～10 mm 范围内为Ⅳ级抗碳化等级。由于河砂具有较好的级配，使得河砂混凝土具有较密实的填充效果，从而具有较好的抗碳化能力。石粉含量为0 时，花岗岩和石灰岩机制砂混凝土缺少石粉填充内部的孔隙，混凝土的填充密度较小且密实性差，这将导致进入混凝土内部的二氧化碳含量增加，这无疑会加剧混凝土的碳化反应，故两种机制砂混凝土的碳化深度更大。

表3 不同石粉含量各龄期混凝土碳化深度

随着石粉含量的变化，花岗岩机制砂混凝土不同碳化龄期的碳化深度变化如图2 所示。观察图2不难发现，混凝土的碳化深度随着石粉含量从0 增加至20 %时会产生先增加后减少变化规律。当石粉含量为10 % 时，7 d、14 d 和28 d 龄期的混凝土碳化深度均出现最小值，对应的碳化深度分别为0.75 mm、1.38 mm 和1.85 mm。石粉含量为0 时，混凝土碳化深度最大，在7 d、14 d 和28 d 的碳化深度分别为1.89 mm、2.88 mm 和3.84 mm。C60 花岗岩机制砂混凝土抗碳化能力符合规范Ⅳ级标准［22］，特别是石粉在5 %～15 %时表现更优。花岗岩石粉在混凝土内部能够起到填充混凝土孔隙的作用，混凝土密实度的增加能有效阻止CO2和H2O 进入混凝土内部，从而提高了抗碳化能力。

图2 不同石粉含量花岗岩机制砂混凝土碳化深度

从图3 可以发现，随着机制砂石粉含量的增加，各龄期（7 d、14 d 和28 d）石灰岩机制砂混凝土碳化深度也同样呈现先增大再减小的趋势，其中石粉含量控制为10 %时，碳化深度出现最小值，表明其抗碳化的能力最优。石粉含量从0 增加至5 %时，7d 龄期的碳化深度降低21.2 %，14 d 龄期的碳化深度降低22.9 %，28 d 龄期的碳化深度降低25.2 %。石粉含量在5 %～10 %范围内变化时，7 d 龄期的碳化深度降低43.8 %，14 d 龄期的碳化深度降低37.1 %，28 d 龄期的碳化深度降低38.4 %。

图3 不同石粉含量石灰岩机制砂混凝土碳化深度

石灰岩石粉可以促进水泥的水化，水化程度增大会引起混凝土收缩值的增大，进而使混凝土内部及外部更容易产生裂缝［23］，更多的CO2和H2O 从裂缝进入混凝内部，导致混凝土碳化程度加深。故在石粉含量一致，且碳化环境一样的条件下，石灰岩机制砂混凝土的碳化深度要比花岗岩机制砂混凝土的大。除了小部分的石粉参与水泥水化，其余大部分的石灰岩石粉在混凝土中起到填充作用，提高了混凝土的孔隙率和填充密度，致使混凝土抗碳化能力可以得到增强。但石粉含量过大时，会导致混凝土中骨料和胶浆的体积比例降低，影响了混凝土骨架结构，降低密实度，从而会导致碳化深度增加。

3.2 碳化后强度结果与分析

一定程度上，混凝土碳化会对混凝土的强度造成影响，使混凝土的脆性增大。为了更好地探索碳化后对混凝土强度的影响，进行了龄期为3 d、7 d、14 d 和28 d 的混凝土碳化试验，同时对碳化后的混凝土进行抗压及劈裂抗拉强度试验。

3.2.1 碳化后抗压强度结果与分析

观察图4 可以发现，花岗岩机制砂混凝土石粉含量为0、5 %、10 %、15 %和20 %时，随着碳化时间的增加，各组的抗压强度均有所增加，且各碳化龄期的抗压强度在石粉含量10 %时达到峰值。碳化至3 d、7 d、14 d 和28 d 龄期后，混凝土抗压强度的增幅分别为8.9 %、7.3 %、3.4 %和3 %；石粉含量从0增至20 %时，碳化28 d 龄期后的抗压强度各增加了9.9 %、10 %、19.9 %和15.8 %。

图4 花岗岩机制砂不同石粉含量碳化后抗压强度

石灰岩机制砂混凝土随着石粉含量变化，经过3 d、7 d、14 d 和28 d 龄期碳化后的抗压强度增长曲线图示于图5。相对于标养的28 d 抗压强度，碳化3 d 后不同石粉含量的各组强度分别提高1.9 %、1.1 %、8.1 %、4.5 %和0.6 %；碳化7 d 后分别提高2.6 %、1.8 %、10.2 %、7.1 %和3.4 %；碳化14 d 后分别提高5.7 %、4.4 %、17.6 %、16.2 %和8.1 %；同样，碳化28 d 后分别提高8.6 %、7.6 %、19.6 %、18.2 %和12.6 %。

图5 石灰岩机制砂不同石粉含量碳化后抗压强度

碳化后两种机制砂混凝土的抗压强度均有小幅度增加，其中在石粉含量为5 %～15 %范围内，抗压强度有较大增加幅度。从试验结果来看，不同石粉含量28 d 碳化能使花岗岩机制砂混凝土和石灰岩机制砂混凝土抗压强度有不少的提高。引起碳化后混凝土抗压强度提高的原因大致可以分为两方面：第一个方面是标准养护28 d 后，混凝土内水泥尚未水化完全，随着水化反应的进行两种机制砂混凝土的抗压强度仍会继续增长；第二个方面则是CO2进入混凝土内部后，与Ca（OH）2等水泥水化产物反应，生成密实度较高的固体产物CaCO3［21］，有效地改善了混凝土界面过渡区，而且很大程度上提高了混凝土密实度，故而能提高混凝土的抗压强度。上述两种效应里第2 种是主要的。因为不碳化情况下，强度随着龄期增加的幅度大致和龄期对数增加的幅度相当，而碳化时间增加带来的强度增加幅度超过强度随着龄期增加的幅度。

3.2.2 碳化后劈裂抗拉强度结果与分析

从图6 和图7 可以看出，花岗岩机制砂混凝土在0～20 %石粉含量范围内，碳化3 d 时的劈裂抗拉强度均略有增加；石粉含量5 %、10 %、15 %和20 %的各组石灰岩机制砂组的劈裂抗拉强度都出现了一定程度的降低。当碳化龄期大于3 d 时，不同石粉含量的两种C60 机制砂混凝土，对应的劈裂抗拉强度都出现逐渐下降的趋势。碳化14 d 时，与未碳化时相比，石粉含量从0 增长至20 %时，花岗岩组的劈裂抗拉强度分别下降了2.7 %、5.6 %、-1 %、2.5 %和5.7 %；石灰岩组则分别下降了7.8 %、8.6 %、8.7 %、10.1 %和11.1 %。当碳化至28 d 时，与未碳化时相比，石粉含量从0 增长至20 %时，花岗岩组的劈裂抗拉强度分别下降了9.1 %、9.6 %、5.2 %、5.7 %和11 %；石灰岩组则分别下降了10.8 %、12.3 %、12.7 %、11.6 %和16 %。

图6 花岗岩机制砂不同石粉含量碳化后劈裂抗拉强度

图7 石灰岩机制砂不同石粉含量碳化后劈裂抗拉强度

碳化至28 d 时，不同石粉含量的花岗岩和石灰岩机制砂混凝土劈裂抗拉强度都有所降低，其中石灰岩机制砂混凝土降幅较大些。这是可能是由于石灰岩中的碳酸钙能促进水泥水化，进而加剧混凝土的收缩，造成混凝土内部产生裂缝并破坏骨架结构［23］，最终导致石灰岩机制砂混凝土的劈裂抗拉强度下降较大。但随着碳化反应的进行，水泥水化产物钙矾石也开始发生碳化，钙矾石碳化后会使混凝土内部产生较大的体积收缩，造成混凝土开裂，进而导致混凝土的劈裂抗拉强度下降［24］。

4 结论

（1）随着石粉含量的增加，石灰岩和花岗岩机制砂混凝土的碳化深度先下降后上升。其中石粉含量为10 % 时，碳化深度最小，具有较好的抗碳化能力。花岗岩机制砂混凝土的抗碳化性能更优。

（2）不同石粉含量的花岗岩和石灰岩机制砂混凝土的抗压强度均随着碳化时间的增大有所提高，其中在石粉含量为5 %～15 %范围内，碳化后混凝土的抗压强度增幅较大。

（3）碳化3 d 可以一定程度上提高不同石粉含量的花岗岩机制砂混凝土劈裂抗拉强度，继续碳化则降低其劈裂抗拉强度；石灰岩机制砂混凝土在石粉含量0～20 %范围内，其劈裂抗拉强度强度均随着碳化龄期的增加而下降。