机制砂混凝土力学性能与耐久性影响因素试验研究

张 衡,程志顺,向世银,刘佳鑫,徐 亮,沙禹辰

(1.中铁二局集团有限公司,成都 610039; 2.长春工程学院 土木工程学院,长春 130012)

0 引言

由于天然砂资源短缺,而海砂淡化成本又高且容易对环境造成二次污染,为实现“双碳”目标,保护生态环境,对机制砂的研究显得尤为重要。目前,国内外学者对机制砂混凝土给出了不同的研究结果,谢开仲等[1]将项目机制砂作为研究对象,对5种不同颗粒级配的机制砂混凝土展开了力学性和工作性研究,结果发现机制砂细度模数在2.90左右时力学性能达到顶峰,弹性模量的理论值比实测值的平均值小15.54%。黄登标[2]研究了机制砂与天然砂的物理差异以及关于搅拌工艺的改进,结果表明机制砂混凝土单位用水量比常规用量提高了4～8 kg,且在同一配合比下,搅拌时间增加20～30 s时和易性能最好。在超高性能混凝土中的应用,机制砂混凝土的干缩性能和力学性能都优于天然砂混凝土,且增加石粉掺量会使结构变密实,增强界面过渡区效应[3-5]。还有研究发现机制砂的颗粒形状相较于石粉掺量对机制砂混凝土力学性能的影响小,当石粉含量=7.5%时,对其力学性能影响最大,在机制砂混凝土的界面过渡区含有一定量的Aft晶体[6-7]。

在我国,每炼制1 t钢就生产出100～200 kg的钢渣,这些钢渣的利用率不到30%[8]。HAN等[9]通过对钢渣粉混凝土与相同水胶比的硅酸盐水泥混凝土进行测定,钢渣粉混凝土抗压强度与渗透性有所降低,孔隙率升高,微观结构相对疏松。ZHANG等[10]研究了钢渣对超高性能混凝土的体积稳定性和水化性能的影响,结果表明当采用钢渣部分替代水泥时,水化反应较慢,随着钢渣的加入,并不能改变混凝土自收缩性能。王建国[11]研究了石粉对复掺粉煤灰、硅灰的C70机制砂混凝土的性能,结果表明机制砂混凝土的工作性要差些,但力学强度增长率明显较快,与机制砂本身硬度有关,适量石粉增大致密结构保证无害孔占比增多。陈宣东等[12]的研究表明界面过渡区的厚度、砂浆的扩散系数和氯离子的扩散系数对氯离子质量浓度均有影响。

目前对机制砂混凝土的工作性能和力学性能有了一定的研究,但对于复掺矿物掺合料的机制砂混凝土的耐久性、力学性以及两者性能之间的相互关系还鲜有研究。本文通过将复掺硅灰、钢渣取代一部分水泥,研究复掺机制砂混凝土之后的各项性能,不仅起到把废料变废为宝的作用,还为研究机制砂混凝土提供了理论基础,为后续实际应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验材料分别为水泥、粗细集料、钢渣、硅灰、石粉、水以及减水剂。水泥为吉林亚泰水泥有限公司生产的P·O42.5鼎鹿牌普通硅酸盐水泥;粗集料选取0～5 mm和5～20 mm两种粒径,按照1∶4比例用量,如图1所示;天然砂取自长春九台某制砂场;机制砂来自金甬铁路站现场附近的石灰岩经破碎得到,具体参数见表1,符合GB/T 14684—2022《建设用砂》[13]的相关要求;钢渣采用河南郑州某公司生产的300目的钢渣;硅灰选自长春某硅灰场;减水剂选自天津伟合科技发展有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂,见表2～3[14]。

图1 水泥与粗骨料图

1.2 试验设计

试验采取四因素五水平正交试验,共计25个试验组。4个因素为机制砂取代率、石粉含量、钢渣掺量和硅灰掺量;5个水平是机制砂取代率按顺序分别为100%、87.5%、75%、62.5%和50%,石粉含量分别为6%、9%、12%、15%和18%,钢渣代替水泥掺量分别为20%、27.5%、35%、45.5%和50%,硅灰取代水泥掺量分别为5%、7.5%、10%、12.5%和15%。按照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[15]的相关要求进行混凝土及其制品耐磨性试验与水泥混凝土抗压强度试验,试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm,耐磨试验每组试件为5个,抗压强度试验每组试件为3个,共计200个。

图2 机制砂级配曲线图

表1 粗骨料与机制砂性能指标

表2 钢渣与硅灰各成分含量 单位:%

1.3 试验方法

1.3.1 耐磨性能试验

采用滚珠轴承式耐磨试验机(图3(a)),磨头采用13个直径为15.875 mm,硬度>HRC62(图3(b)),试件的受磨面应平整,无凹坑或突起,直径≥100 mm。试验结束后,记录最终磨头转数和磨槽深度,来测定每个试件的耐磨度,用式(1)计算。

表3 减水剂性能指标

(1)

式中:Ia为耐磨度;R为磨头转数,千转;P为磨槽深度,mm。

1.3.2 抗压强度试验

试验采用压力机(图3(c)),试件的破坏荷载应大于压力机全程的20%且小于压力机全程的80%。压力机需要上下平整且有足够的刚度,试件受压面为成型时的侧面,当试件开始迅速变形直到破坏,应记录破坏极限荷载F,式(2)为混凝土立方体抗压强度公式:

(2)

式中:fcu为混凝土立方体抗压强度,MPa;F为极限荷载,N;A为受压面积,mm2。

(a)滚珠轴承式耐磨试验机

(b)磨头

(c)抗压强度试验机图3 试验仪器

2 试验结果与分析

2.1 耐磨度试验结果分析

运用极差、方差分析方法,由式(3)～(4)得出复掺矿物掺合料机制砂混凝土各试验组对耐磨性能的影响程度:机制砂取代率>钢渣掺量>硅灰掺量>石粉含量,同时获得最优掺量百分比组合为A2B5C1D2,各个因素对应的掺量百分比为机制砂取代率87.5%、石粉含量18%、钢渣掺量20%、硅灰掺量7.5%,表4为极差计算结果。运用3组平行试验对正交试验进行方差分析,由表5看出,4个影响因素的p值均<0.01,且机制砂取代率和钢渣掺量相比于硅灰掺量和石粉含量更具有显著性差异,石粉含量比硅灰掺量影响相对较小。

R=xmax-xmin,

(3)

式中R表示极差,Xmax为序列最大值,Xmin为序列最小值。

(4)

式中σ2为方差,xi为试验值,a为序列平均值,n为样本例数。

表4 耐磨程度极差

表5 耐磨程度方差分析(α=0.01)

由图4(a)可知,耐磨度在机制砂取代率<87.5%时,基本上没有太大的起伏变化,而当取代率为87.5%时,耐磨度增长明显且达到峰值,随后迅速下降。由图4(b)可知,石粉含量<12%时,耐磨度保持在一个稳定的水平位置,而石粉含量=15%时,耐磨度达到最低,随后在石粉含量=18%时升到最高,究其原因应该是石粉含量到一个值时,由于其本身颗粒比较细,表面会吸附一些水,影响了整体的水化反应,从而使耐磨度降低,而由于石粉含量不断增多,可能起到了填充作用,使孔隙加密,从而增大了耐磨度。由图4(c)可知,耐磨度随着钢渣掺量增大,总体呈现出下降趋势,表明钢渣掺量=20%时,耐磨性能最好。由图4(d)可知,硅灰掺量=10%时,对耐磨性能最不利,硅灰的作用是使结构更加致密,从而提高整体的耐磨性。

(a)

(b)

(c)

(d)图4 混凝土耐磨性能曲线图

2.2 抗压强度试验结果分析

对抗压强度采取极差、方差分析法,通过计算发现4种因素对抗压强度的影响程度顺序为机制砂取代率>钢渣掺量>硅灰掺量>石粉含量,与耐磨度的影响程度顺序一致。最优掺量百分数组合为A5B3C1D2,各个因素对应的掺量百分比为机制砂取代率50%、石粉含量12%、钢渣掺量20%、硅灰掺量15%,表6为极差计算结果。进行方差分析,采用3组平行试验。从表7中可以看出,这4个因素的p值均<0.01,机制砂取代率最具有显著性差异,钢渣掺量、硅灰掺量和石粉含量这3者较机制砂取代率的显著性差异呈递减趋势。

表6 抗压强度极差

表7 抗压强度方差分析(α=0.01)

由图5(a)可知,随着机制砂取代率的增加,抗压强度整体呈下降趋势。当机制砂取代率=100%时,抗压强度较开始下降近20%。表面全部采用机制砂代替天然砂来制备混凝土,其力学性能会有所下降,因为机制砂大多呈现出“针状”的形态,导致孔隙增多,密实性变差,从而使结构的力学强度降低。由图5(b)看出,随石粉含量的增加,抗压强度出现波动,当石粉含量=15%时,下降明显[16]。从图5(c)发现钢渣掺量=20%时抗压强度最高,而随着钢渣掺量增加,抗压强度不断下降,当钢渣掺量>30%时几乎呈水平趋势,表明钢渣替换水泥量越大,水化反应越不充分,水胶比减小,抗压强度下降。图5(d)中可以看出,硅灰掺量=10%时,抗压强度最低,整体呈现出增大、减小、增大的趋势。

(a)

(b)

(c)

(d)图5 混凝土抗压强度曲线图

3 灰色关联度方法分析

3.1 灰色关联简介与模型建立

灰色相关性分析法是灰色系统理论的基本方法之一,根本思想是借用参数数据列,并和几何相关,利用相关程度判别关联性[17]。灰色关联模型实施需确立评价对象和评价指标两种序列矩阵,以映射计算的方式得出评价对象和各评价指标的关联度,进而得到各个因素对试验结果的敏感程度。

以耐磨度试验结果为例,假设有m个耐磨度,n个影响因素(如机制砂取代率、钢渣掺量、硅灰掺量等),那么由影响因素组成的参考序列矩阵X为影响因素子序列:

(5)

由各个影响因素所对应的耐磨度组成的矩阵Y即为母序列:

(6)

采用初值法做进一步的处理,如式(7)～(8)所示。将式(7)～(8)算得的母序列与子序列结果进一步计算得出式(9)差异数列矩阵Δ。

(7)

(8)

Δmn=|Xmn-Ymn|。

(9)

计算差异序列矩阵中的最大值和最小值,分别是Δmax和Δmin,分别计算关联系数矩阵A的每个元素amn,见式(10):

(10)

式中δ为分辨系数,一般为0～1,取0.5。

关联度g用于衡量相似程度,相应的子序列对应于母序列的相关性由相关系数矩阵求得,结果越靠近1说明越相关、越敏锐。

(11)

式中t是统计样本数量。

通过计算可以确定耐磨度与抗压强度对应的影响因素的关联度向量Gi,以及各影响因素的敏感程度顺序。

3.2 敏感性分析

表8为四因素五水平正交试验以及测得的耐磨度与抗压强度值,分别对4种影响因素进行灰色关联度分析,得到差异矩阵Δ1,Δ2。

表8 试验数据结果

通过A1、A2分别计算出耐磨度与抗压强度的关联度矩阵G1、G2,

G1=[αβγδ]=[0.810 0.586 0.620

0.590],

(12)

G2=[αβγδ]=[0.777 0.594 7 0.635

0.594 8]。

(13)

式中:α为机制砂取代率,%;β为石粉含量,%;γ为钢渣掺,%;δ为硅灰掺量,%。

由G1可知,耐磨度的灰色关联度影响程度顺序为机制砂取代率>钢渣掺量>硅灰掺量>石粉含量,相对应的关联度数值分别为0.810、0.620、0.590和0.586。G2结果表明,抗压强度的关联度顺序为机制砂取代率>钢渣掺量>硅灰掺量>石粉含量,分别为0.777、0.635、0.594 8和0.594 7。

通过分析,机制砂取代率的大小直接对机制砂混凝土的耐久性、力学性能起着关键作用,矿物掺合料钢渣影响较大,石粉影响最小。

4 结论

经过石灰岩破碎得到的机制砂,又外掺了矿物掺合料钢渣、硅灰和石粉,通过它们含量的变化做出试验,得到其对机制砂混凝土耐磨性、抗压强度的影响:

1)4种影响因素对耐磨度均有显著性影响,影响程度顺序为机制砂取代率>钢渣掺量>硅灰掺量>石粉含量,与极差影响结果相同。机制砂取代率>87.5%时耐磨性呈下降趋势,钢渣=20%时耐磨性能达到最优。随着石粉含量的增多,耐磨性能先减小后增加,说明石粉含量达到一定值时会使结构变密,起到增大混凝土性能的作用。最优参数百分比组合为机制砂取代率87.5%、钢渣掺量20%、硅灰掺量7.5%、石粉含量18%。

2)机制砂取代率对抗压强度影响程度最大,差异性最显著,石粉含量和硅灰掺量相对较小。钢渣掺量=20%时抗压强度最大,随着硅灰掺量的增加,抗压强度呈增长趋势,掺量=15%时抗压强度最大。最优百分比组合为机制砂取代率100%、钢渣掺量20%、硅灰掺量15%、石粉含量12%。

3)直观地看出,混凝土的耐磨性能和力学性能有很好的相似性。机制砂取代率对混凝土耐磨性能和抗压性能影响程度最大,但钢渣含量增加,对混凝土性能不利,硅灰和石粉均使结构变密,一定掺量时会对混凝土性能起到有益作用。在实际工程中应合理选取各个因素的用量,采用最优配合比既能保证混凝土力学性能和耐久性能达到最优,又能减少天然砂的开采,起到保护环境的作用。