混合砂对混凝土力学性能及孔隙结构的影响

黄维蓉,晏茂豪,仝 赞,何越骁,王 娇,陈 行

(1.重庆交通大学 材料科学与工程学院,重庆 400074;2.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074;3.江苏交科交通设计研究院有限公司,江苏 淮安 223001)

混凝土作为一种路面材料[1],广泛应用于道路路面层和水稳层。作为混凝土原材料之一的天然砂资源逐渐匮乏、不可再生,导致其价格飞速上涨,而过度开采天然砂,则会严重破坏生态环境,影响工程进展。国内外专家认为可采用部分机制砂来取代天然砂,这不仅能在一定程度上降低材料成本,同时也有利于缓解天然砂短缺的问题[2]。孔结构包括孔径尺寸、孔径分布、孔隙率等,作为混凝土的重要组成部分,孔结构对混凝土力学性能及耐久性能有很大影响[3-4]。机制砂石粉能有效加强混凝土的内部骨架结构,起到填充润滑作用,可有效降低混凝土孔隙度,使混凝土结构更加密实,从而提高混凝土强度和弹性模量等力学参数,改善混凝土微观结构[5-6]。李洋等[7]的试验结果表明:当机制砂取代率从0、20%、40%、60%、80%、100%递增时,石粉在混凝土内部孔结构中的作用由强到弱,在40%时达最佳,之后骨料附近化学结合水逐渐减少,不利于混凝土的强度及抗渗透性能,会降低混凝土的力学和耐久性能[8-9];闫光明等[10]认为:机制砂石粉可以填充混凝土中的空隙,砂石界面过渡区与水泥浆体相互结合,能改善混凝土的强度及弹性模量;杨健辉等[11]认为:孔隙率对混凝土宏观性能有极大影响,且混凝土强度随孔隙率的增大而减小,不同的孔径分布对混凝土强度影响也不同[12]。

基于此,笔者对3种不同细集料所配置的C45水泥混凝土的孔隙结构和力学性能影响规律进行了研究,探讨了混合砂在混凝土中的适用性,为工程建设中的混合砂混凝土使用提供相关的理论指导。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

试验采用P·O42.5普通硅酸盐水泥,28 d龄期的抗压强度为44.1 MPa、抗折强度为6.8 MPa;细集料为天然砂、机制砂、混合砂,天然砂含泥量为1.6%、细度模数为2.80,机制砂含粉量为2.2%,细度模数为2.86,混合砂为机制砂∶天然砂=1∶1;粗集料选择4.75～9.5 mm、9.5～19 mm两档粒径碎石,根据堆积密度确定的最佳混合比例为2∶8,堆积密度为1 610 kg/m3;减水剂为聚羧酸高性能减水剂,减水率为30%;试验用水为自来水。

1.2 试验配合比方案

笔者以C45水泥混凝土为研究对象,坍落度要求为180～220 mm。设计了天然砂混凝土、机制砂混凝土、混合砂混凝土3种试验样品(分别用A、B、C代替),经试拌调整后的C45混凝土配合比如表1。

表1 混凝土配合比

当达到设计坍落度时,这3种不同细集料混凝土的水胶比相同但单位用水量不同。天然砂表面光滑,能填充在集料缝隙之间,其良好的级配容易与水泥和碎石拌合,故所需单位用水量较少;机制砂表面粗糙、棱角多,级配不佳、摩阻力大,石粉含量多,包裹所需水泥浆多,混凝土拌合物单位用水增多;天然砂和机制砂各50%时,石粉含量较低,起到的润滑作用能很好改善级配,提高流动性,相较于前两种混凝土,混合砂混凝土的单位用水量适中。

2 试验结果分析

2.1 低场核磁共振分析孔隙结构

笔者分别选出3种混凝土样品试块,经真空饱水机处理24 h后对样品进行核磁共振分析,研究混凝土内部孔隙结构。低场核磁共振仪采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的NMI20-025V-I核磁共振成像分析仪,孔隙度测试范围:0.08%～100%,CPMG最多回波数18 000,最小回波间隔小于160 μs,满足试验要求。在外加磁场下,混凝土内部水的氢原子先进行旋转,在交叉磁场作用下,氢原子发生自旋,最后撤销交叉磁场,使得氢原子又回到原来位置,这一过程称为弛豫[13]。通过分析横向弛豫T2波谱图来研究混凝土内部孔隙分布。混凝土横向弛豫T2波谱图[14]采用CPMG序列来进行测试,低场核磁共振原理如式(1):

(1)

式中:T2为孔隙液态流体的横向弛豫时间,s;T2S为表层液态薄膜的表面驰豫时间,s;T2B为孔隙内自由液态的弛豫时间,s;T2D为氢原子移动的弛豫时间,s。

在均匀磁场下,含水孔隙横向弛豫时间T2与孔隙比表面积(S/V)近似相关[15],如式(2)。

(2)

式中:ρ2为表层的弛豫速率,(m/s),这里取ρ2=5 μs/s;S为孔隙表面积,m2;V为液态体积,m3;S/V为孔隙比表面积,μm-1。

经核磁共振得到的横向弛豫T2波谱与混凝土孔隙分布存在相关性。T2波谱面积表征面积越大,则孔隙率越大[16];T2波谱时间表征时间越长,则孔径越大[17]。将式(2)得到的横向弛豫T2波谱转化为孔隙分布如图1,孔隙率如表2。

图1 3种细集料混凝土的孔隙分布

表2 3种细集料混凝土的孔隙率

由图1可知:低场磁共振测试所得的3种混凝土试件孔径分布曲线均呈两峰状态,左峰面积表示混凝土微孔百分占比;右峰面积表示混凝土小孔百分占比。对比两峰面积可见,混凝土中绝大部分液态水分布在内部微孔中,自由水含量均很少。其次,A、B、C的微孔主要分布在0.01 μm左右,且C的临界孔径及代表微孔的左峰面积明显在这3者中最小,这也说明其内部的微孔含量少,孔径分布优于其他两种,即结合天然砂和机制砂的石粉能够填充混凝土内部孔隙,优化孔径尺寸大小,使混凝土更加密实。

由表2可知:A的微孔最多,达到2.3%,除了用于填充混凝土内部孔隙外,在天然砂中较大光滑颗粒形成骨架存于混凝土内,颗粒之间由于没有更细小颗粒填充,致使微孔数量略高于另外两种混凝土,其中比B中的微孔百分比多了近30%,小孔和大孔含量与其他两种混凝土相差不大;机制砂颗粒特性表面粗糙度大,粒形棱角多、不规则,随着天然砂被机制砂完全取代,B内部大孔达到1.2%,多于A,水化产生的C-S-H含量急剧下降,对其他组分连接作用减小,使得原本凝胶缺失连接作用下降,导致混凝土内部结构不紧密,产生负面影响程度增加;C的微孔为1.8%,大孔和小孔百分比含量相对于A和C而言要低0.2%～0.3%,这说明机制砂在掺量为50%时能与天然砂较好的填充混凝土,过量则会增多孔隙含量,影响混凝土内部结构,导致力学性能下降。因此,合适取代率机制砂和天然砂结合对混凝土性能的积极作用越明显。

由表2还可知:按照孔径大小将混凝土内部孔隙分为微孔(r≤0.1 μm)、小孔(0.1 μm

2.2 3种不同细集料混凝土力学性能

混凝土力学性能测定采用文献[18]规定进行,3种细集料混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量及拉压比,分别如图2～图5。

图2 3种细集料混凝土的抗压强度

由图2可知:这3种不同细集料混凝土的抗压强度增长速率呈先增大后减小趋势,且28 d抗压强度均能达到规范的指标要求。综合分析各龄期,在3 d龄期,这3种混凝土抗压强度基本保持在同一水平,随着龄期发展,A、C的抗压强度差别不明显,B的抗压强度最低。C的抗压强度除了在3 d龄期比A稍低外,在7、28、60、90 d龄期分别比A的抗压强度增加了3%、3.2%、2.3%、4.8%,强度相差值均在规范要求范围内。混合砂具有良好的级配、较小的孔隙率和孔径,能很好的结合机制砂和天然砂与粗骨料进行紧密地填充,使得C在后期抗压强度与A强度相差不大。机制砂取代率为50%的C抗压强度能满足设计强度,从节约资源、保护环境的角度,可选择混合砂作为普通混凝土细集料的替代材料。

由图3可知:随着龄期增长,这3种混凝土劈裂抗拉强度增长率呈先增加后平稳的趋势。

图3 3种细集料混凝土的劈裂抗拉强度

图3中:C的劈裂抗拉强度值与A基本一致,其中90 d龄期时C的劈裂抗拉强度可达4.9 MPa,略高于B,这说明适量的机制砂能改善混凝土劈裂抗拉强度。在混凝土前中期阶段,浆体与集料的黏附作用力较强,抗拉性能好,随着龄期发展,浆体强度逐渐提高,受集料影响作用不再明显,劈裂抗拉强度主要受浆体强度等影响,从而这3种混凝土在后期劈裂抗拉强度相差不大。A、C的劈裂抗拉强度优于单掺机制砂混凝土,混合砂在混凝土中强化了内部结构,提升了抗拉强度。这表明混合两种砂可配制出抗拉强度良好的混凝土并提升其抗拉性能。C的3、7 d龄期劈裂抗拉强度分别为3.1、3.84 MPa,高于同龄期B的劈裂抗拉强度7.3%、12.9%,这说明当C中机制砂过多时,早期劈裂抗拉强度会有所下降。

从图4可知:在7 d龄期,C的弹性模量比A和B分别增加了5.9%、41.6%,混合砂对混凝土早期弹性模量提升尤为明显,主要是因为机制砂形貌及含有石粉和天然砂混合能改善混凝土级配,增加浆体含量提高浆体与集料的黏结力;在28 d龄期时,C的弹性模量比B高34.9%,与A的弹膜强度相差不大,随着机制砂取代率超过50%,混凝土弹性模量下降,可能是由于在单掺机制砂混凝土中石粉含量增多,导致浆体数量也提升,与粗集料填充作用效果较差,对混凝土级配、浆骨比等产生负面影响,导致混凝土内部组成结构不均匀,影响了界面过渡区的孔隙结构,使得弹模强度低于天然砂和混合砂配置的混凝土,这说明适量的机制砂掺量能提高混凝土弹性模量。

图4 3种细集料混凝土的弹性模量

拉压比是混凝土脆塑性的一种指标,混凝土脆性越明显则拉压比就越小,反之塑性就越好。从图5可看出:随着龄期增加,这3种混凝土拉压比均有所下降,在3、7 d龄期C的拉压比要高于A和B,这说明混合两种细集料会提高混凝土的早期塑性。另外,养护到28 d后C的拉压比急剧下降,在90 d时比同龄期的B低8.5%,这说明越到后期C的脆性就越明显。出现此现象原因可能是:机制砂对混凝土强度影响在于石粉的填充效应,未水化的石粉颗粒填充于混凝土孔隙中可增强混凝土的抗压强度,混凝土抗压强度增幅大于其劈裂抗压强度增幅,表现为混凝土拉压比的降低。

图5 各龄期拉压比对比

混凝土孔隙结构中,大孔孔径也被称为多害孔,对混凝土的力学性能影响较大。从图6可看出:在28 d龄期时这3种混凝土中的大孔百分比与抗压强度呈负相关,其中大孔与抗压强度之比分别为1.8%、2.2%、1.6%。说明混合砂级配良好,机制砂与天然砂混合起到了填充作用,大孔孔隙率降低,提升了内部密实性,加强混凝土的力学性能。

图6 3种混凝土28 d抗压强度与大孔百分比关系

2.3 SEM微观形貌分析

待养护龄期达到56 d后,压碎混凝土试块,选出内部的砂浆部分,经超声波仪器处理后对样品试块进行SEM分析,观察其微观形貌。本实验扫描电子显微镜采用德国卡尔蔡司电子光学公司生产的ZEISS Sigma 300场发射电子显微镜,加速电压在0.2～30 kV,放大倍数10 kx,满足试验要求。观察天然砂、机制砂和混合砂分别在水泥混凝土中的微观结构,如图7。

由图7(a)可知:A的界面过渡区为宽5～8 μm的带状,附近的水化产物有少量AFt块状晶体生成,尺寸较小、形态结构较松散,但在水泥浆体所占比例有限,对性能提升起到的作用有限,生成物与集料界面过渡区有明显裂痕,虽然集料不会参加到水泥水化反应中,但集料的粒径、粒形等影响着生成物的分布和结构[19]。由图7(b)可知:B的界面过渡区为宽8～11 μm的带状,水化产物聚在界面过渡区的孔隙结构间,且存有较多的C-S-H凝胶,同时也看到附着在集料表面的颗粒;界面过渡区周围结构疏松,水化产物之间连接不密实,结构密实度下降,虽有C-S-H胶凝物质在生成,但孔隙没有被填充,块状晶体间有明显孔隙;当石粉超过一定范围后,使得混凝土微集料比偏离最佳值,多余石粉会影响集料与水泥石结构黏结,微观结构呈现出劣化趋势,对混凝土强度及耐久性会产生影响[20]。由图7(c)可知:C的界面过渡区为宽7～10 μm的带状,中有少量微裂缝,石粉微粒会对Ca(OH)2与C-S-H的早期水泥水化过程起结晶作用,能加速熟料矿物的水化反应过程,提高早期强度,与水泥中的C3A和C4AF发生化学反应生成水化碳铝酸钙,使得界面更为致密,提升了浆体密实性,结构稳定致密[21]。

微集料颗粒进入混凝土后能填充在水泥微粒缝隙中,优化级配,进一步提升了浆体与界面过渡区的致密程度。当机制砂取代率为50%时,混凝土内部孔隙附着有水化反应生成的钙矾石、C-S-H凝胶等生成物,很好地形成了相互交错、镶嵌成网格状或蜂窝状,使得孔隙半径逐渐减小,界面过渡区得到改善。水泥水化浆固体产物强度主要来源于范德华引力的存在[22],利于稳定孔隙结构,提升混凝土的力学、耐久性。

3 结 论

1)根据低场核磁共振对3种混凝土的微观表征,C中的总孔隙率为3.4%,优于A和B;通过C的孔隙分布发现:微孔、小孔和大孔百分占比分别为1.8%、0.7%、0.9%,低于A和B,在一定程度上改善了孔结构的分布,同时降低了混凝土的大孔含量,这对混凝土力学性能有积极作用。

2)在力学性能上,A与C相差不明显,B的强度不能满足要求,适当取代率的机制砂可改善C的力学性能。当机制砂与天然砂掺量各为50%时,C的力学性能最佳,其28 d抗压强度为57.4 MPa,劈裂抗拉强度为4.67 MPa,弹性模量为3.48×104MPa。为节约资源、保护环境,选择混合砂作为混凝土的细集料比较合适。

3)利用SEM对这3种不同细集料混凝土的微观结构进行观察,发现混合砂中两种细集料和水泥浆体紧密结合,微集料颗粒进入混凝土后可有效填充水泥微粒间缝隙,优化级配,进一步提升浆体与界面过渡区的致密程度,使得C的力学性能提升。