钙质石粉质量分数对机制砂混凝土性能的影响

顾春平,聂晓荣,杨 杨,余泽泽,沈 建,邱观贵

(1.浙江工业大学 土木工程学院,浙江 杭州 310023;2.浙江省建设投资集团股份有限公司,浙江 杭州 310013;3.浙江省建材集团有限公司,浙江 杭州 310011)

为保护河道生态环境,改变河砂资源短缺的现状,工程实践中已经广泛使用机制砂代替天然河砂配制混凝土。机制砂是岩石经机械破碎、筛分后粒径小于4.75 mm的颗粒[1]。机制砂具有来源多样、取材便利和级配可调等优点,在道路和桥梁建设、商品混凝土等领域有许多成功的应用案例,是目前广泛使用的细集料。在生产机制砂过程中会产生较多的细小颗粒,尤其是粒径小于0.075 mm的粉料——石粉,其质量分数为10%～20%[2]。《建设用砂》(GB/T 14684—2011)中规定,石粉含量是指机制砂中粒径小于0.075 mm的颗粒含量(按质量计),即机制砂中粒径小于0.075 mm颗粒的质量分数。在工程实践中制备机制砂的矿源广泛,矿物组成复杂,其含有的石粉主要为钙质石粉(主要成分为碳酸钙)和硅质石粉(主要成分为二氧化硅),成分不同的石粉对机制砂混凝土性能的影响有一定差别[3-5]。因此,研究钙质石粉质量分数对机制砂混凝土性能的影响在工程实践中是十分必要的。

Ding等[6]在研究钙质石粉质量分数对机制砂混凝土的影响时发现：当石粉质量分数为9%时,机制砂混凝土的工作性最佳；当水胶比大于0.45和小于0.40,最优石粉质量分数分别为13%和9%时,机制砂混凝土的抗压强度最高。Li等[7]研究了钙质石粉对路面机制砂混凝土的影响,结果表明:机制砂最优石粉质量分数为10%,此时混凝土的抗压强度和抗折强度均最高。阳晏等[8]研究了钙质石粉质量分数对C30机制砂泵送混凝土性能的影响,发现最优石粉质量分数为10%,此时机制砂混凝土的坍落度和抗压强度最高,抗渗性能最佳。刘凯等[9]研究了钙质石粉质量分数对C60自密实混凝土的影响,发现7%石粉为最优质量分数,相应混凝土的坍落度、扩展度和抗压强度最高。笔者主要研究钙质石粉质量分数(0%,3%,5%,7%,10%,15%)对机制砂混凝土主要性能(工作性、抗压强度、劈裂抗拉强度、干燥收缩和抗氯离子渗透性能)的影响,以期为机制砂混凝土的配制与应用技术的发展以及相关标准的编制提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及混凝土配合比

试验所用原材料包括:水泥、粉煤灰、碎石、水清洁机制砂、钙质石粉、减水剂和水。水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥,比表面积为343.1 kg/m2,3 d水泥胶砂抗折和抗压强度分别为4.9,27.1 MPa,28 d水泥胶砂抗折和抗压强度分别为7.8,54.1 MPa,初凝时间和终凝时间分别为181,281 min。粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰,需水量比为98%,活性指数为70%。石粉为钙质石粉,主要成分为CaCO3和MgCO3,质量分数分别为77.6%和18.2%。水泥、粉煤灰和钙质石粉的主要化学成分如表1所示。

表1 水泥、粉煤灰和钙质石粉的主要化学成分Table 1 Main chemical compositions of cement, fly ash and calcareous stone powder

碎石为5.0～31.5 mm连续级配碎石,性能满足《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)标准。机制砂为水清洁机制砂(去除0.075 mm以下颗粒),细度模数3.1,满足《建设用砂》(GB/T 14684—2011)标准。碎石、机制砂的级配分别如表2,3所示。减水剂为江苏苏博特生产的400P聚羧酸系高性能减水剂,白色粉末,减水率>35%。试验用拌合水为杭州市生活自来水。水泥、粉煤灰和钙质石粉的粒径分布如图1所示。

表2 碎石级配Table 2 Particle grading of crushed stone

表3 机制砂级配Table 3 Particle grading of manufactured sand

图1 水泥、粉煤灰和钙质石粉粒度分布Fig.1 Particle size distributions of cement, fly ash and calcareous stone powder

以坍落度(180±20) mm,工作性良好的C40混凝土为基准混凝土。保持其他原材料用量不变,钙质石粉部分取代机制砂,取代量分别为0%,3%,5%,7%,10%,15%,研究钙质石粉质量分数对机制砂混凝土工作性、力学性能、干燥收缩和抗氯离子渗透性能的影响。混凝土配合比如表4所示。

表4 混凝土配合比Table 4 Mix proportions of concrete 单位:kg/m3

1.2 试验方法

1.2.1 工作性

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)测试混凝土的坍落度和扩展度。

1.2.2 力学性能

按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)测试混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度,测试龄期为3,7,28,90 d。试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,每组3个平行试件。

1.2.3 干燥收缩

在混凝土模具中预埋测头,混凝土浇筑到模具中,带模养护1 d后拆模,拆模后立即移至干养室((20±2) ℃,(60±5)%恒温恒湿环境)。混凝土试件干燥收缩采用数显千分表测定,变形数据通过数据采集系统采集并记录至28 d,每隔15 min采集一次变形数据。试件尺寸100 mm×100 mm×400 mm,每组2个平行试件。

1.2.4 氯离子渗透性能

采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中的电通量方法评价氯离子渗透性能,测试龄期为28 d,试件尺寸φ100 mm×50 mm,每组3个平行试件。

2 结果与分析

2.1 钙质石粉质量分数对机制砂混凝土工作性的影响

钙质石粉质量分数对机制砂混凝土坍落度和扩展度的影响分别如图2,3所示。由图2,3可知:随着钙质石粉质量分数的提高,机制砂混凝土的坍落度和扩展度均先显著增大,随后变化不大。当钙质石粉质量分数从0%提高至5%时,机制砂混凝土的坍落度从165 mm提升至235 mm。随着钙质石粉质量分数的进一步提高,机制砂混凝土的坍落度变化不明显。当钙质石粉质量分数为15%时,坍落度为230 mm。钙质石粉质量分数对机制砂混凝土扩展度的影响与坍落度基本相同。当钙质石粉质量分数为5%时,机制砂混凝土的坍落度和扩展度均最高,且黏聚性和保水性良好,工作性最优。当钙质石粉质量分数<5%时,石粉质量分数的提高能改善机制砂混凝土集料和粉体原材料的级配,填充细集料间的空隙,更多自由水得以释放,从而使浆体起到更好的润滑作用,提升机制砂混凝土的流动性[10]。此外,石粉粒径分布与水泥相近,因此石粉质量分数的提高增加了浆体的量,从而提升了混凝土的流动性。随着钙质石粉质量分数的进一步提高,润滑细粉颗粒的用水量也越大[11-12],机制砂混凝土的坍落度、扩展度未进一步提升,其变化不明显。

图2 钙质石粉质量分数对机制砂混凝土坍落度的影响Fig.2 Influence of calcareous stone powder content on slump of concrete made with manufactured sand

图3 钙质石粉质量分数对机制砂混凝土扩展度的影响Fig.3 Influence of calcareous stone powder content on slump flow of concrete made with manufactured sand

2.2 钙质石粉质量分数对机制砂混凝土力学性能的影响

钙质石粉质量分数对机制砂混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的影响分别如图4,5所示。由图4可知:混凝土各龄期的抗压强度均随钙质石粉质量分数的增加先降低后升高。当钙质石粉质量分数为5%时,抗压强度最低,相较于基准组混凝土,3,7,28,90 d抗压强度分别降低17.1%,17.8%,27.2%,23.2%。当钙质石粉质量分数为15%时,抗压强度最高,相较于基准组混凝土,3,7,28,90 d抗压强度分别提高17.6%,9.1%,2.6%,1.6%。由图5可知:各龄期机制砂混凝土劈裂抗拉强度随钙质石粉质量分数的增加也呈先降低后升高的趋势。当钙质石粉质量分数为5%时,劈裂抗拉强度较低,相较于基准组混凝土,3,7,28,90 d劈裂抗拉强度分别降低9.4%,4.8%,15.1%,17.2%。当钙质石粉质量分数为15%时,劈裂抗拉强度最高,相较于基准组,3,7,28,90 d劈裂抗拉强度分别提高1.2%,20.6%,1.5%,2.2%。

图4 钙质石粉质量分数对机制砂混凝土抗压强度的影响Fig.4 Influence of calcareous stone powder content on compressive strength of concrete made with manufactured sand

图5 钙质石粉质量分数对机制砂混凝土 劈裂抗拉强度的影响Fig.5 Influence of calcareous stone powder content on splitting tensile strength of concrete made with manufactured sand

当钙质石粉质量分数较低(<5%)时,石粉主要起稀释浆体的作用。钙质石粉的掺入使得水泥浆体变成水泥-石粉浆体,水泥石或界面过渡区中水泥的相对质量分数降低,水化产物减少,砂浆与集料间的黏结变得薄弱,进而对水泥石或界面过渡区强度的发展造成不利影响[13],机制砂混凝土强度下降。随着钙质石粉质量分数的提高,混凝土孔结构改善,孔隙率下降,孔径尺寸减小,机制砂混凝土的强度提高[14-16]。董超[14]研究发现:随着石粉质量分数从8%提高至12%,混凝土的总孔体积减少约9%;于本田等[15]也发现:当石粉质量分数分别为4%,8%,12%,16%时,混凝土的孔隙率分别为13.8%,12.6%,12.5%,10.0%,平均孔径分别为18.1,18.2,17.4,16.7 nm。

2.3 钙质石粉质量分数对机制砂混凝土干燥收缩的影响

钙质石粉质量分数对机制砂混凝土干燥收缩的影响如图6所示。图6(a)为不同钙质石粉质量分数条件下,机制砂混凝土干燥收缩随干燥龄期的发展规律;图6(b)为不同龄期时,钙质石粉质量分数对机制砂混凝土干燥收缩的影响。由图6可知:混凝土干燥收缩主要集中在早期,前14 d机制砂混凝土干燥收缩增长较快,后期逐渐放缓。随着钙质石粉质量分数的增加,混凝土的干燥收缩先减小后增大。钙质石粉质量分数为5%时,混凝土的干燥收缩最小,相较于基准组S0,28 d时混凝土干燥收缩下降9.3%。当钙质石粉质量分数较低(<5%)时,钙质石粉填充了混凝土的孔隙,从而降低了混凝土干燥收缩[17]。当钙质石粉质量分数进一步提高时,石粉增加了浆体总量,粒径0.075 mm以上集料减少,因此混凝土的干燥收缩呈现上升趋势。

图6 钙质石粉质量分数对机制砂混凝土干燥收缩的影响Fig.6 Effect of calcareous stone powder content on drying shrinkage of concrete made with manufactured sand

2.4 钙质石粉质量分数对机制砂混凝土抗氯离子渗透性能的影响

通过测试机制砂混凝土在不同钙质石粉质量分数时电通量的变化来分析石粉质量分数对混凝土抗氯离子渗透性能的影响,结果如图7所示。由图7可知:机制砂混凝土的电通量随着钙质石粉质量分数的提高先减小后增大。当钙质石粉质量分数分别为3%,5%,7%,10%,15%时,相较于基准组混凝土,机制砂混凝土电通量分别降低了17.3%,23.2%,24.2%,24.9%,14.0%。当钙质石粉质量分数为5%～10%时,混凝土电通量相差不大,相较于基准组,机制砂混凝土的抗氯离子渗透能力由中等渗透性提升为低渗透性。当钙质石粉质量分数<10%时,钙质石粉质量分数的增加提升了混凝土的抗氯离子渗透能力。此时,钙质石粉的填充效应占主导,能有效填充混凝土中的孔隙,减少有害孔的数量,特别是连通孔隙,进而提高混凝土抗氯离子渗透能力[18]。同时,钙质石粉可以细化混凝土孔结构,增加毛细孔曲折程度,进而提高混凝土抗氯离子渗透能力。当石粉质量分数>10%时,石粉的填充效应使得混凝土浆体的孔径尺寸减小,然而同时提高了浆体的量,进而造成抗氯离子渗透性能下降[19-21]。周欣竹等[19]通过理论预测与试验结果对比发现:当水胶比为0.35～0.65,骨料体积分数由0.55增大至0.75时,氯离子扩散系数均逐渐减小;陈文超[21]的研究综述也表明:当浆体比由0.325提高至0.375时,28 d混凝土氯离子扩散系数由3.3×10-9cm2/s增大至4.62×10-9cm2/s,即浆体量越多,抗氯离子渗透性能越差。

图7 钙质石粉质量分数对机制砂混凝土电通量的影响Fig.7 Effect of calcareous stone powder content on electric flux of concrete made with manufactured sand

总体而言,当钙质石粉质量分数较低(<5%)时,随着石粉质量分数的提高,石粉主要发挥填充效应,自由水得以释放,因此混凝土流动性提升。孔隙填充后,硬化后混凝土的连通孔隙减少,干燥收缩下降,抗氯离子渗透性能提升。同时钙质石粉的存在起到了稀释作用,降低了浆体的力学性能,从而降低了混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。当钙质石粉质量分数较高时,随着其值的增加,粒径0.075 mm以下粉料的增加提高了浆体总量,因此混凝土干燥收缩增大。当钙质石粉质量分数为15%时,其值的增加提高了浆体的量,机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能降低。此外,石粉的填充效应使得界面过渡区的孔隙率下降,孔径尺寸减小,混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度提升。

混凝土强度越高,通常其抗氯离子渗透性能越好,然而笔者研究结果表明:当钙质石粉质量分数为5%时,机制砂混凝土抗压强度最低,然而其抗氯离子渗透性能反而较优,原因可能在于钙质石粉质量分数对机制砂混凝土孔结构的影响。钙质石粉质量分数的提高一方面改变了混凝土浆体的孔结构,另一方面也改变了混凝土浆体的量。混凝土强度主要取决于混凝土中界面过渡区的孔结构以及孔隙率,而抗氯离子渗透性能主要取决于混凝土的总孔隙率以及孔的连通性。因此,钙质石粉质量分数对机制砂混凝土性能影响的微观机理,特别是针对孔结构的研究有待进一步深入。

3 结 论

通过研究机制砂中钙质石粉质量分数对混凝土工作性、抗压强度、劈裂抗拉强度、干燥收缩和抗氯离子渗透性能的影响,得出如下结论:1) 适量的钙质石粉可以明显改善混凝土的工作性，随着钙质石粉质量分数的增加,机制砂混凝土的坍落度、扩展度先显著增大,后变化不大，当钙质石粉质量分数5%时,机制砂混凝土的工作性最佳;2) 随着钙质石粉质量分数的提高,混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度先降低后升高，当钙质石粉质量分数为5%时,混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度最低，当钙质石粉质量分数为15%时,机制砂混凝土的28 d抗压强度和劈裂抗拉强度与基准组混凝土相当;3) 机制砂混凝土的干燥收缩随钙质石粉质量分数的提高先减小后增大，当钙质石粉质量分数为5%时,混凝土的干燥收缩值最小;4) 适量的钙质石粉提高了混凝土的抗氯离子渗透性能，随着钙质石粉质量分数的增加,混凝土的电通量先降低后升高，当石粉质量分数为5%～10%时,混凝土的电通量最低。