不同养护方式对混合砂浆抗冻性能影响研究

栾利强,赵瑞宇,文双寿,任俊颖,张静怡

(桂林理工大学 a. 土木与建筑工程学院; b. 广西壮族自治区北部湾绿色海工材料工程研究中心, 广西 桂林 541000)

0 引言

现代混凝土种类日渐增多,以适应多样的使用需要,而在河砂稀缺、逐步寻求细集料合适替代品时,淡化海砂和机制砂成为目前主流的替代选择。在机制砂和海砂的相关研究中,刘占鳌等[1]认为机制砂中小于0.075 mm的含黏土细粉对混凝土影响较大,实际应用中需要除粉等操作,易产生二次污染;黄亮等[2]在总结海砂混凝土研究现状时认为,海砂淡化技术已经较为成熟,海砂具有巨大的应用前景,但邰雅婷等[3]在研究许多国家海砂开采应用的历史后认为,海砂作为一种天然砂过度开采仍将对海洋环境造成较大影响。淡化海砂和机制砂作为细集料单独应用在混凝土的浇筑时,其存在的问题和潜在的影响也阻碍了完全替代河砂成为细集料的进程[4]。目前混合砂的研究也取得一定的进展,普遍认为通过混合两种砂石可以缓解河砂资源问题和获得适合工程应用的建筑用砂,如孙江涛等[5]将尾矿-机制砂混合;罗忠涛等[6]将钼尾矿砂-河砂混合;王雪艳等[7]将沙漠砂-机制砂混合等。将淡化海砂同机制砂按一定比例制成混合砂具有很大研究前景,但目前研究尚少。

两者混合能降低淡化海砂中Cl离子在混凝土中的含量,此外也能降低机制砂中石粉在混凝土中的占比,淡化海砂作为天然砂也同样弥补了机制砂的一些不足[8],混合砂可以有效地解决河砂不足的问题。

在我国大部分季节性冻融地区,建筑、路面以及桥梁通常都会受到季节性冻融循环的影响,进而影响混凝土的其他耐久性。MEHTAL等[9]在对以往50年来混凝土的耐久性研究总结时也认为,冻融破坏是耐久性能研究中的重要内容。康健等[10]认为地处大风、干寒、昼夜大温差、交通不便、施工场地限制等地区, 像蒸汽养护等一些高成本的养护方式并不适用,而在混凝土已经确定配合比及材料组成的基础上,浇筑完成后的养护阶段对混凝土的性能有着重要影响。传统养护下的混凝土损时、费力、耗能,因此找到一种便于实施,并且可以提高抗冻融性能的养护方式具有重大工程意义。

本文为了更好地分析混合砂作为细集料在混凝土中的作用,排除混凝土中粗骨料的影响,制作砂浆试件,在成型混合砂试件后,选取3种便于实施的养护方式(外养护(YY)、内养护(NY)、内外养护(NYY))和用于对比的标准养护(BZY),采用更接近实际冻融情况的慢冻法进行试验,以抗压强度、质量损失率、孔隙率变化等指标,结合冻融循环过程外观变化和冻融后微观形貌,对不同养护方式下混合砂砂浆抗冻融性能进行分析。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料

水泥为普通硅酸盐水泥,根据GB/T8074《水泥比表面积测定方法(勃氏法)》、GB/T1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》、GB/T7671《水泥胶砂强度检验方法》对所用水泥物理性能进行测试,结果见表1。

表1 水泥的物理性能Tab. 1 Physical properties of cement

海砂取自北海市铁山港区营盘镇附近经晾晒处理过的淡化海砂,机制砂取自桂林市七星区中信砂场原岩为石灰岩,参照规范GB/T 14684—2011《建筑用砂》砂石性能,如表2和表3。

表2 砂石的基本性能Tab. 2 Basic properties of sand and gravel

表3 混合砂中淡化海砂机制砂占比和细度模数Tab. 3 Proportion and fineness modulus of the desiccated sea sand and mechanism sand in the mixed sand

目前内养护的材料分为饱水轻集料(LWA)及高吸水树脂(SAP)两类,本文使用的是吉泰化工有限公司生产的万级高分子吸水树脂,颗粒大小为30～50目,对应粒径0.3～0.6 mm高吸水树脂(SAP)。外养护剂使用市售的北京家晟建材有限公司生产的高分子乳液养护剂。

1.2 试验方法

1.2.1 配合比确定

参照JG/T 98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》中混合砂的配比,依据表2混合砂(比例 4)确定具体砂浆配合比,如表4。

表4 砂浆配合比Tab. 4 Mortar ratio

1.2.2 冻融循环试验方法

参照JGJ/70—2009《砂浆抗冻性试验操作规程》,采用慢冻法试验,试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试件,试件制作完成并脱模后及时养护,当采用内养护及内外养护制作试件时需要加入SAP,占水泥比例的0.3%。外养护在脱模后立即涂刷一层养护剂,隔5 min再次涂抹,重复3次。内外养护加入SAP后脱膜时,同样方法涂刷养护剂,标准养护试件放入标准养护箱中养护。除标准养护外的其他试件,实施养护处理后放置在温度为20 ℃左右、湿度在50%～60%的室内。

抗冻试验进行时,试件冻结温度为-20 ℃,每次冻结时间5 h,冻结结束后取出,立即放入水温20 ℃的恒温水槽中进行融化,试件在水中的融化时间≥5 h。融化结束记为1次冻融循环,每隔25次称量1次质量,重复100次循环后取出,测试抗压强度损失率和质量损失率。强度测试参照GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》。采用饱水法测试理论,测试试件冻融前后孔隙率,试验时使用真空饱水试验机充满混凝土孔隙,通过测定混凝土饱水前后的质量变化来计算试件的孔隙率[11]。

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环前后强度变化

图1(a)为标准养护条件下海砂、机制砂、混合砂试件不同龄期的抗压强度。由图1(a)可知:机制砂标准养护(GBZY)和海砂标准养护(HBZY)试件在早期的抗压强度较低,而混合砂标准养护(MBZY)在早期有较高强度,且强度增长稳定。在28 d龄期时HBZY抗压强度为三者中最高,GBZY最低。强度损失是体现抗冻宏观性能表现的重要因素,图1(b)为100次冻融循环前和循环后的抗压强度及两者的强度比,HBZY、MBZY、GBZY强度比分别为0.91、0.95、0.85,混合砂的强度比最高。在力学性能上混合砂试件的强度发育以及冻融循环后的抗压强度损失高于单一砂类试件。

图1 冻融循环后标准养护条件下3种试件的抗压强度及强度比Fig. 1 Compressive strength and strength ratio of three specimens under standard conditions after freeze-thaw cycles

对混合砂试件采取4种养护方式,其早期强度对比单一砂类均较高,如图2(a)所示。采用外养护的混合砂试件抗压强度最高,内养护试件抗压强度最低,内外养护的试件强度接近标准养护的试件。抗压强度损失用冻融循环前后的强度比来衡量,如图2(b)MYY、MNY、MBZY、MNYY强度比分别为0.98、0.9、0.95、0.96。MYY的强度比最大,MNYY 和MBZY强度比相当。

图2 冻融循环后4种养护条件下3种试件的抗压强度及强度比Fig. 2 Compressive strength and strength ratio of three specimens under four curing conditions after freeze-thaw cycles

2.2 冻融循环前后孔隙率变化

孔隙率测试结果表明GBZY的孔隙率最大,4种养护方式下混合砂试件的初始孔隙率及冻融循环后的孔隙率增加量均低于单一砂类,如图3所示。在4种养护方式中MYY 和MNYY在冻融循环后的孔隙率分别为16.79%(最大)和15.43%(最小),MNYY孔隙率增加量最少,仅增加0.4%,MYY孔隙率增加最大为2.51%。结合图2(b)中MYY冻融循环前后都具有较高抗压强度,抗压强度损失小的特点,而冻融循环后其孔隙率较大且增加较多,表明MYY具备较好的前期抗冻性,但随着抗冻次数的累加,其孔隙率会增长较快,进而加快裂缝形成和扩展,将会不利于更高次数的抗冻性能。MNYY在经过冻融循环后孔隙率及孔隙率增加均较小,在一定程度上可以反映冻融循环对其影响较小,抗冻融循环的性能较好。

图3 冻融循环前后孔隙率变化Fig. 3 Porosity changes before and after freeze-thaw cycles

2.3 冻融循环后质量损失率与试件表观样貌变化

随着冻融循环次数的增加,各试件的质量损失率逐渐增大,冻融循环次数与质量损失率之间的关系如图4所示。在经过100次冻融循环后,质量损失率均小于1%。观察图5冻融循环中试件的表观样貌,发现试件的棱角处,随着冻融次数的增加,出现不同程度的剥落,表面出现一些细微的裂缝,试件的表观样貌与冻融循环质量损失率大致可以对应,但直观感受上试件剥落质量大而实测质量损失率较小,这是由于试件在剥落的同时也在吸水[12-14]。图4和图5结合来看,MNY质量损失率较大,且经100次冻融循环后,其外观已经出现细微裂缝,而GBZY和HBZY在棱角处剥落较为明显,质量损失率也较大,MBZY、MYY、MNYY则在质量损失率和外观样貌均相对较完好。

图4 冻融循环次数与质量损失率关系Fig. 4 Relationship between number of freeze-thaw cycles and quality loss rate

图5 冻融循环中试件的表观样貌Fig. 5 Apparent appearance of specimens in freeze-thaw cycles

2.4 微观形貌分析

图6为采用慢冻法对砂浆试件进行100次冻融循环后,标准养护组扫描电镜结果。图6(a)和(b)为HBZY试件SEM图,其表面较为疏松,内部结构分布较多块状结晶体,以六面立方锥体的水化硅酸钙(C-S-H)为主,并且存在一些长杆状钙矾石,存在一些孔隙但裂缝较少。大量六面立方锥体的水化硅酸钙,具备结构稳定的特点,对抗压强度有利,这也印证了HBZY在图1(a)中强度较高的特点。

图6 标准养护组扫描电镜图Fig. 6 Scanning electron micrograph of standard conservation group

图6(c)和(d)是GBZY试件SEM图,图6(c)中表面有许多长杆状的钙矾石,图6(d)看到内部结构中有许多裂缝存在,这些裂缝大多是长10 μm的非贯通裂缝,且没有规则性,排除存在大量自生裂缝可能,裂缝应为冻融循环过程中产生的裂缝。图6(e)和(f)为MBZY的微观内部结构,图6(e)中有较密实和相对平整的内部结构,无明显特征晶体,图6(f)中存在一些小于5 μm的细小裂缝和孔隙,相较于HBZY和GBZY具备内部结构密实平整,裂缝较小的特征。由于混合砂是由海砂和机制砂按一定比例混合均匀而成,机制砂中的石粉可以附着于海砂颗粒表面,使结构更加密实,而海砂作为天然砂,强度较高,圆度较好,能够黏附更多胶体,从而使胶体结构更加合理,性能也要优于两种单一砂类制成的胶体试件。

冻融循环后的电镜扫描结果如图7所示,其中图7(a)和(b)为MNY扫描图,图7(a)表面结构疏松,存在较多孔隙但无明显裂缝,冻融循环后并没有产生裂缝。在图7(b)中,观察到一种三维交联网格结构的高分子内养护材料的SAP,这种结构的周围,存在许多C-S-H晶体和柱状钙矾石。申爱琴等[15]研究发现,加入SAP的内养护可以减少有害孔数量,阻断混凝土内部连通孔,并且在一定程度上增大微孔隙数量。采用内养护的试件会存在初始微孔隙,在冻融循环过程中,提供了一些释放水压力的途径,从而减少冻融裂缝。SAP的引入也使其周围的水泥石水化反应更充分,达到有效抑制孔隙周围裂缝扩展的目的。

图7 混合砂浆试样组扫描电镜图Fig. 7 Scanning electron microscope image of mixed sand specimen set

在MYY试件的SEM的分析中,图7(c)表面有大量C-S-H晶体,内部结构十分密实,从图7(d)可以更细致地观察到这些C-S-H晶体和一些细小的孔隙,内部结构中较多结构稳定的晶体有利于形成高强度。外养护可以获得较密实的结构和高强度,但经过冻融循环后,会产生一些细小的孔隙,宏观表现为孔隙率的提高,也印证了2.2节中的分析。

图7(e)和(f)是MNYY试件扫描图,图7(e)中内部结构比内养护组更加密实,但表面没有明显晶体结构,存在少量孔隙,裂缝较少。图7(f)也更清晰地看到其结构平整,由于表面较少的C-S-H晶体结构,宏观表现上为抗压强度低于外养护组试件。结合图2—图5宏观性能的分析,100次冻融循环后MNYY试件组孔隙率较小,抗压强度、质量损失率较低,冻融后的表观也相对较完整。认为当采用内外养护两种养护方式时,在提高抗冻性能的同时,较小的孔隙率增幅在更高次数的冻融循环中稳定性更好。

3 结论

(1)淡化海砂和机制砂制备成混合砂,其细度、级配更加合理,有害成分占比减少。混合砂成型试件力学性能较好;在冻融循环后,其在质量、强度损失率、孔隙率的发育都要优于单一砂类的试件。

(2)在混合砂试件4种平行养护方式的试验中发现,SAP的引入,形成较多的初始微孔隙,内养护可显著提高试件抗冻融循环性能;由于作用原理同引气剂类似,采用这种养护方式,试件抗压强度低于标准养护;采用外养护的混合砂试件,有较高的抗压强度和密实的结构,但在高次数的冻融循环中抗冻性能会降低。

(3)采用内外养护,初始孔隙率和冻融循环后的孔隙率增加均最小,抗压强度、质量损失率也较小,且抗压强度可以达到标准养护的水平。因此混合砂试件采用内外养护方式,便于实施,能够解决传统养护方式的局限性问题。