机制砂掺量对自密实轻骨料混凝土碳化性能的影响机理

张淑云， 陈猛， 杨旭龙， 刘建波， 代慧娟

(西安科技大学建筑与土木工程学院， 西安 710054)

随着天然河砂的短缺和国家对环境保护的重视，机制砂(manufactured sand, MS)已应用到许多实际工程中，如东海大桥、三峡大坝、汕揭高速公路等，成为行业发展的趋势[1]。延永东等[2]针对机制砂特性，对机制砂混凝土配合比进行了优化设计。刘慈军等[3]研究表明，采用机制砂可以配制出工作性能和力学性能良好的混凝土。张淑云等[4]研究了孔隙特征对机制砂自密实轻骨料混凝土(manufactured sand self-compacting lightweight aggregate concrete, MS-SCLC)力学性能的影响规律。已有研究主要集中在机制砂类混凝土配合比设计、工作性能和力学性能等方面。而大气环境中的二氧化碳容易引起混凝土结构发生碳化反应，降低材料碱度，破坏钢筋表面的氧化膜，引起钢筋锈蚀膨胀，导致混凝土产生开裂，降低结构的承载力和使用寿命，影响人们的生命财产安全[5-7]。因此，研究机制砂类混凝土的碳化性能，对于提升混凝土工程可靠性[8]和延长结构使用寿命具有重要意义。

自密实轻骨料混凝土(self-compacting light-aggregate concrete, SCLC)是一种兼具自密实混凝土(self-compacting concrete, SCC)和轻骨料混凝土(lightweight aggregate concrete, LWC)特点的高性能混凝土，具有免振捣特性，可大大提高施工速度和混凝土质量，并能减轻构件自重，降低结构地震效应，提高抗冻性和抗渗性，具有良好的保温隔热及耐久性能[9]。目前，许多学者对SCLC的碳化性能进行了研究，张向冈等[10]对不同龄期砂轻、石轻与混轻自密实混凝土碳化深度进行了研究，发现混凝土碳化深度主要取决于其骨料和密实度。马馨鑫等[11]对自密实混合骨料混凝土碳化性能进行了研究。董健苗等[12]研究了纤维种类对SCLC碳化性能的影响，发现在相同的碳化时间内，掺入聚丙烯纤维和剑麻纤维试样的抗碳化性能更好。目前将机制砂应用于SCLC碳化性能的研究并不多见，且大多集中碳化深度的测试，对混凝土碳化后微观的研究较少。

现将机制砂应用于SCLC中，通过制备机制砂掺量为0、30%、60%、80%、100%的SCLC并且设定机制砂掺量为0、100%的SCC。分别测试经历3、7、14、28 d碳化龄期后各组混凝土的碳化深度，并且通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)揭示碳化反应机理，最后建立MS-SCLC碳化深度预测模型，以期为相关研究与工程实践提供借鉴。

1 试验原材料及配合比

1.1 试验原材料

水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间和终凝时间分别为218 min和284 min。其中3 d和28 d的抗压强度分别为27.8 MPa和49.8 MPa，3 d和28 d的抗折强度分别为5.82 MPa和9.35 MPa；粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，可提升工作性能和后期强度[13]；硅灰采用高活性微硅粉；页岩陶粒采用碎石型页岩陶粒，各项物理力学性能如表1所示；机制砂由花岗岩破碎而成，且粒径小于4.75 mm，各项物理力学性能如表2所示；减水剂采用聚羧酸高性能减水剂，减水率达28%。

表1 页岩陶粒的基本物理力学性能Table 1 Basic physical and mechanical properties of shale ceramsite

表2 机制砂的物理和力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of manufactured sand

1.2 配合比设计

在固定砂石体积法和改进的全计算方法基础上提出全参数的机制砂自密实轻骨料混凝土(MS-SCLC)配合比计算公式[14]。经过多次试配，水胶比为0.37，粗骨料用量系数为0.51，砂用量系数为0.41，粉煤灰和硅灰用量分别占胶凝材料的20%和4%。共设计7组混凝土，5组机制砂掺量为0、30%、60%、80%、100%的SCLC，2组机制砂掺量为0、100%的SCC。配合比如表3所示。

表3 机制砂自密实混凝土配合比Table 3 Mix proportion of self compacting concrete with manufactured sand

2 机制砂自密实轻骨料混凝土基本性能、碳化性能及微观结构分析

2.1 机制砂自密实轻骨料混凝土基本性能分析

拌制试块前对页岩陶粒进行预湿处理，加入粗骨料、细骨料、水和减水剂进行搅拌，然后进行J环试验和V形漏斗试验，再次搅拌浇筑，养护成型后烘干测试混凝土的干表观密度，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)测试立方体抗压强度、劈裂抗拉强度，测试结果如表4所示。

表4 混凝土基本性能测试结果Table 4 Basic performance test results of concrete

由表4可知，随着机制砂掺量的增加，SCLC的坍落扩展度呈下降趋势，当机制砂掺量为0时为747 mm，机制砂掺量100%时为642 mm，坍落扩展度下降了14.1%；T500逐渐增大，当机制砂掺量为0%时T500=4 s，机制砂掺量30%时没有变化，机制砂掺量100%时T500=8 s，增大了一倍；J环试验PA随着机制砂掺量增加也逐渐增大，最大增幅达到129%；对照组与试验组表现出相同的规律，随着机制砂掺量增加，工作性能变差，与SCC相比，MS-SCC-100坍落扩展度减小了13.5%，T500和J环试验PA分别增加了120.0%和75%。这主要是因为机制砂表面粗糙，棱角尖锐，且含有石粉，因此吸水率比天然河砂高，导致混凝土工作性能变差[15]。

对于干表观密度，随着机制砂掺量的增加，SCLC的干表观密度呈上升趋势，最大增幅达4.0%，这主要是因为机制砂表观密度较河砂大，取代了部分河砂导致混凝土干表观密度增加，但都小于1 950 kg/m3，满足轻骨料混凝土的要求，对照组因为采用碎石作为粗骨料，干表观密度分别达到了2 275.9 kg/m3和2 350 kg/m3。

对于抗压强度和抗拉强度，随着机制砂掺量的增加，SCLC的抗压强度和抗拉强度均逐渐提高，相较机制砂掺量为0的SCLC，机制砂掺量100%的SCLC抗压强度和抗拉强度分别增加6.1%和6.0%，这主要是因为随着机制砂掺量的增加，石粉含量也相应增加，填充了混凝土中的孔隙，密实度提高[16]；其次，所采用的机制砂较为粗糙，具有棱角尖锐、片状多等特点，与水泥凝胶之间能够产生较大的机械咬合力，提高了骨料与浆体的黏结性能，所以宏观强度提高。对照组中MS-SCC-100的抗压强度和抗拉强度分别为46.4 MPa和4.18 MPa，相比SCC分别增加了3.6%和4.2%。但是SCC、MS-SCC-100的抗压强度和抗拉强度均高于SCLC、MS-SCLC-100，主要是因为SCC和MS-SCC-100粗骨料采用碎石，而碎石的筒压强度远高于页岩陶粒。

2.2 机制砂自密实轻骨料混凝土碳化性能分析

2.2.1 混凝土快速碳化试验方法

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行快速碳化试验。试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，共7组配合比，每组12个试块，标准养护26 d后置于60 ℃烘箱内48 h，保留成型时相对表面，其余表面封蜡，并按照10 mm的间距定碳化的测量点。然后放入温度(20±2) ℃，CO2浓度20%±3%、湿度70%±5%的碳化箱内，试块间距最小50 mm。混凝土各龄期碳化深度计算公式为

(1)

综上所述，七氟烷联合丙泊酚麻醉对机体呼吸力学影响小，并能有效抑制患者术后炎性反应的发生，控制CRP水平，进而调节术后机体补体水平，且不会产生过度的应激反应，值得临床推广应用。

2.2.2 碳化时间对碳化深度的影响分析

不同机制砂掺量下，各组混凝土碳化深度随碳化时间的变化情况如图1所示。

图1 混凝土碳化深度随时间的变化规律Fig.1 Variation law of concrete carbonation depth with time

根据图1可以发现，不同机制砂掺量下，随着龄期的增长，混凝土碳化深度不断增加。分析原因可知，CO2在混凝土中的扩散是一个长期的过程，随着龄期的增长，扩散至混凝土内部的CO2不断增加，碳化深度不断加深。但各组混凝土碳化速率在0～3 d最快，在3～14 d相对较小，在14～28 d较为平缓，原因是随着龄期的延长，水泥不断发生水化反应，孔隙率降低，结构密实度增加，一定程度避免了CO2渗入混凝土；此外，随着碳化龄期增长，混凝土中CO2与Ca(OH)2和水化硅酸钙反应形成CaCO3的体积大于反应物，堵塞了更多的孔隙，阻碍了CO2的扩散。因此，碳化反应速率随着时间的增加而逐渐降低[17]。

2.2.3 机制砂掺量对碳化深度的影响分析

不同龄期下，各组混凝土碳化深度随机制砂掺量的变化情况如图2所示。

图2 混凝土碳化深度随机制砂掺量的变化规律Fig.2 Variation law of random sand content in concrete carbonation depth

根据图2可以发现，在不同的碳化龄期下，自密实轻骨料混凝土的碳化深度均随着机制砂掺量的增加而降低。28 d试验龄期时，机制砂掺量为0、30%、60%、80%、100%的SCLC碳化深度分别达到10.06、9.33、8.76、8.57、8.03 mm，相较于机制砂掺量为0，掺量为30%、60%、80%、100%的SCLC碳化深度分别减小了7.3%、12.9%、14.8%、20.02%。分析原因认为，使用的水洗机制砂石粉含量为3.3%，石粉含量适中且没有表现出负效应，随着机制砂掺量增大，石粉含量相应增加，它的物理填充效应可提高混凝土的密实度，增加毛细孔的弯曲度，细化孔结构，提高硬化浆体和骨料过渡界面区的密实度，削弱CO2在混凝土孔隙中的渗透性[16]，增强混凝土的碳化性能。

2.3 微观结构分析

混凝土中水泥石与骨料之间的界面是其内部结构重要的组成部分，水泥浆在形态和结构方面发生重大变化，使该界面成为混凝土的薄弱区域，引起CO2在混凝土内部更容易扩散，对混凝土的碳化性能有很大的影响。因此，选取SCLC和MS-SCLC-100试样进行SEM电镜扫描，试块经抗压后选择表面平整的薄片制成5 mm×5 mm的扫描试样，进行干燥喷金处理，观察28 d碳化前后过渡界面区的微观结构，揭示碳化反应的机理。微观形貌如图3、图4所示。

图3 SCLC试样微观形貌Fig.3 Micro-structure of SCLC

图4 MS-SCLC-100试样微观形貌Fig.4 Micro-structure of MS-SCLC-100

图3(a)、图4(a)分别为碳化前SCLC和MS-SCLC-100砂浆-骨料过渡界面区在电子显微镜下放大2 000倍的微观形貌，可以发现SCLC砂浆和骨料之间的缝隙明显大于MS-SCLC-100，这说明SCLC存在更多薄弱的通道，CO2更容易侵入，进一步证实了含机制砂的SCLC土碳化性能更佳，原因是其含有的石粉提高了混凝土的密实性，改善了硬化浆体和界面过渡区的密实度。

图3(b)、图4(b)分别为28 d碳化后SCLC和MS-SCLC-100砂浆-骨料过渡界面区在电子显微镜下放大2000倍的微观形貌，可以发现，28 d碳化后，SCLC和MS-SCLC-100中都有结晶物生成，砂浆和骨料咬合更好，使得混凝土孔隙减少，裂缝变窄，逐渐减少，趋于密实。究其原因是CO2扩散至混凝土内部，与Ca(OH)2以及水泥熟料中C3S﹑C2S等发生化学反应，产生大量CaCO3，填充并细化了大量孔隙，所以CO2的扩散速率减慢[7]，材料密实度增加，宏观层面上表现为材料抗压强度的提高，与文献[21]研究结论一致。

3 机制砂自密实轻骨料碳化模型

3.1 碳化模型的建立

目前，大量试验结果表明混凝土的碳化深度和碳化龄期的平方根呈正比，即

(2)

式(2)中：X为混凝土的碳化深度，mm；k为碳化系数；t为碳化时间，d。

采用二参数拟合的方法，建立关于机制砂掺量的SCLC的碳化深度模型。因为相关研究研究很少，对0、3、14、28 d的数据进行拟合，用7 d的数据验证模型有效性。因此，碳化龄期为7 d，机制砂掺量为0、30%、60%、80%、100%的碳化深度值不参与拟合，拟合结果如表5所示。根据拟合结果发现，随着机制砂掺量的增加，SCLC的碳化系数k逐渐减小，说明其碳化性能逐渐提升，对照组中碳化系数均大于试验组，说明SCLC的碳化性能优于SCC。将表5中碳化系数与机制砂掺量进行拟合，得到MS-SCLC碳化深度预测公式，见式(3)。拟合函数图像如图5所示。

(3)

式(3)中：p为机制砂掺量。

表5 各组碳化深度关于碳化时间的拟合函数Table 5 Fitting function of carbonization depth with respect to carbonization time

图5 碳化系数关于机制砂掺量的拟合函数Fig.5 Fitting function of carbonation coefficient with respect to the content of manufactured sand

3.2 碳化模型的验证

目前，对于MS-SCLC碳化性能的研究并不多见，因此采用7 d的试验数据验证模型的准确性，如表6所示。可以看出，7 d的碳化深度与模型计算的碳化深度最大偏差为13.7%，平均偏差为8%，究其原因是影响混凝土碳化性能的因素有很多，同时混凝土在浇筑、养护和测量过程中也会存在误差，这些都会带来一定的影响。整体来看，两者比较接近，保证了该模型的有效性。

表6 碳化7 d混凝土试验值与计算值的比较Table 6 Comparison between test value and calculated value of carbonated 7 d concrete

4 结论

(1)随着龄期的增长，混凝土的碳化深度不断增加，但前期碳化速率较大，后期相对较小；同龄期条件下，混凝土碳化深度与机制砂掺量呈反比，28 d碳化龄期时，MS-SCLC-100的碳化深度比SCLC减小了20.02%。

(2)通过SEM电镜扫描，观察了28 d碳化前后SCLC和MS-SCLC-100过渡界面区的微观结构，结果表明MS-SCLC-100的缝隙明显小于SCLC，证明了机制砂中的石粉可以改善混凝土内部孔隙结构，提高硬化浆体和界面过渡区的密实度，削弱CO2在混凝土孔隙中的渗透性，提高混凝土的抗碳化能力；碳化后混凝土的密实度提高。

(3)与对照组相比，试验组采用的轻骨料在混凝土养护中具有的吸水返水特性能促进矿物掺和料二次水化反应，改善骨料水泥石过渡区界面结构，形成内养护机制，抑制CO2的扩散，延缓碳化反应速率。

(4)建立了关于机制砂掺量的SCLC碳化深度模型，该模型与试验值较吻合，可为相关工程提供借鉴。但该模型认为碳化各影响因素之间相互独立，故机制砂掺量对SCLC碳化深度的影响还需要进一步研究。