骨料品種對混凝土界面結構及性能的影響

邵凱南

摘要：再生粗骨料的應用既解決了建筑及市政拆除更新的垃圾處理問題，又節約了自然資源，是一種可持續發展的綠色建材制品。但再生粗骨料的原材料來源受廢棄混凝土原始強度和使用環境、破碎工藝等因素影響較大，不同企業生產出的再生粗骨料土存在明顯的差異，目前國內已有的研究成果的還不足以建立完善的技術指導體系。因此，再生粗骨料要真正達到大量應用于實際工程中，無論是理論研究還是對施工技術的研究，都有諸多技術難題需要解決，尤其在對提高強度、耐久性能、結構力學等方面還要進行相關研究。

關鍵詞：骨料品種；混凝土；性能

引言

骨料是混凝土的主要組成材料，在混凝土中，骨料占其總體積的四分之三以上，骨料特性對混凝土的技術性能和經濟效益產生重要影響。骨料的化學和礦物組成以及表面結構會影響水化產物特別是Ca（OH）2和鈣礬石（AFt）的成核生長，從而影響界面過渡區的微觀結構，進而導致界面過渡區的力學性能存在差異；另一方面骨料的形狀、表面結構和長期吸水率也會影響水泥漿體的孔隙結構。

1、試驗

1.1、試驗原材料

采用峨勝42.5中熱硅酸鹽水泥，宣威I級粉煤灰，北京冶建JG-3型緩凝高效減水劑及山西黃河的HJAE-A型引氣劑；5種人工骨料分別為灰巖、玄武巖、砂巖、大理巖和花崗巖。

1.2、試驗方法

把玄武巖、花崗巖、大理巖、板巖、砂巖加工成2.5～5.0mm粒級，作為8字模抗拉強度試驗中混凝土“粗骨料”，將大理巖人工砂篩除大于2.5mm的顆粒后作為試驗中混凝土“細骨料”，按照粉煤灰摻量35%，水膠比0.30，成型小尺寸混凝土8字模抗拉強度試件。試件成型后標準養護至28d，采用CMT4304型30kN微機電子萬能試驗機進行8字模抗拉強度觀測。把各種巖性的粗骨料（灰巖、玄武巖、砂巖、大理巖、花崗巖）加工成10mm×22mm×20mm規則塊狀體，成型時將飽和面干的骨料塊體置于8字模腰部，按照粉煤灰摻量35%、水膠比0.30，配制砂漿填充8字模，并與骨料塊體一同振搗密實，養護至28d，采用CMT4304型30kN微機電子萬能試驗機進行骨料-砂漿黏結抗拉強度試驗。把顆粒尺寸在2.5～5mm范圍內的不同巖性骨料，按照粉煤灰摻量35%，水膠比0.30，漿骨體積比為40%，成型40mm×40mm×40mm立方體小試塊，每組4塊，養護至28d，切片拋光后進行顯微硬度測試，切片厚度為10mm。將大理巖、灰巖、砂巖、玄武巖、花崗巖骨料5種骨料研磨至100μm以下。將1份水泥和4份去離子水按質量比在500mL塑料瓶中混合，機械攪拌，得到水泥-去離子水懸濁液。將懸浮液放置4h之后，使用慢速濾紙過濾，得到的水泥溶液用塑料瓶密封保存，水泥溶液中含有鈣、鉀、鈉、鋁、硅、氫氧根離子和其他微量離子。采用250mL錐形瓶中，將25g骨料粉末分別懸浮置于150mL水泥溶液和150mL去離子水中。塞緊錐形瓶防止水分蒸發，緩緩地搖動錐形瓶混合以上懸浮液，然后在70℃的恒溫水箱中保存。到3、7、28、90d測試齡期，采用帶過濾裝置的醫用針筒抽取出5mL左右的溶液，采用ICP測試分析溶液中的金屬離子含量。

2、試驗結果及分析

2.1、骨料-水泥漿體界面過渡區顯微硬度

不同骨料在混凝土中的界面顯微硬度試驗結果見圖1。

由圖1可見，在距骨料界面100μm范圍內，界面過渡區顯微硬度由高到低依次為灰巖>砂巖>花崗巖>玄武巖>大理巖。鈣礬石的簇團生長以及Ca（OH）2晶體的擇優生長，使玄武巖和大理巖骨料界面過渡區增大，C/S明顯高于其他界面區，顯微強度明顯低于其他三種骨料。灰巖和砂巖界面區鈣礬石的簇團生長以及Ca（OH）2晶體的擇優生長情況較少，C/S相對較低，顯微強度較高。界面過渡區寬度由高到低依次為大理巖>玄武巖>花崗巖>砂巖>灰巖，界面過渡區的寬度與粗骨料的吸水率相關。

2.2、骨料-水泥漿化學反應

花崗巖在水中1dCa2+溶出較高，但少于砂巖、大理巖和灰巖，后逐漸減少，SO32-溶出量大幅增加，7d后幅度較大，Na+、K+濃度隨齡期溶出量增加，56～90d劇增。花崗巖在水泥中的Ca2+持續降低，28d加速降低，SO32-濃度持續增加。大理巖在水中1dCa2+溶出高，后逐漸減少，SO32-溶出量逐漸增加，大于砂巖，Na+隨齡期溶出量增加，早期溶出量小于砂巖、花崗巖，和玄武巖，與灰巖類似，大理巖在水中K+少量溶出，溶出量少于砂巖、花崗巖和玄武巖，56d劇增。大理巖在水泥溶液中的Ca2+濃度持續下降，在水泥中的SO32-濃度隨齡期持續增加，增加明顯。

玄武巖與花崗巖類似，在水中1d時Ca2+溶出高，但少于砂巖、大理巖和灰巖，后逐漸減少，SO32-溶出量逐漸增加，Na+隨齡期溶出量增加，早期溶出量與其他4種骨料相比增高，在水中的K+少量溶出，溶出量隨齡期變化較小，有減小趨勢。玄武巖在水泥中的Ca2+濃度隨齡期降低，后期保持恒定，表明與其他骨料相比玄武巖吸收水泥溶液中Ca2+的能力較弱。SO32-濃度持續增加，與花崗巖類似。研究的所有骨料都具有明顯的化學活性，但化學活性隨著骨料品種和浸泡骨料的溶液品種而變化。在水泥溶液和去離子水中，骨料化學反應活性在7d內增加。整體來看，砂巖和灰巖是本研究骨料中活性最強的，骨料不僅吸附大量離子，也釋放離子，表明骨料表面發生了化學反應。玄武砂、花崗巖以及大理巖在水泥溶液和水中都呈現出較低的化學活性。水泥溶液中的OH-離子濃度并不會受灰巖骨料的影響。

整體來看，砂巖和灰巖是本研究骨料中活性最強的，骨料不僅吸附大量離子，也釋放離子，表明骨料表面發生了化學反應。玄武砂、花崗巖以及大理巖在水泥溶液和水中都呈現出較低的化學活性。水泥溶液中的 OH-離子濃度并不會受灰巖骨料的影響。結果顯示骨料比傳統觀點認為的更具活性，可以預測骨料與水泥溶液之間會發生各種不同的化學反應，這些反應可能會對混凝土界面過渡區的結構產生影響。雖然砂巖的化學反應最為強烈，界面過渡區最薄，界面性質最好。但抗拉較高，黏結性能較高，表明界面過渡區更多與抗拉強度以及界面黏結性質有關。

結論

（1）骨料與砂漿黏結強度與混凝土抗拉強度結果一致。界面性質較好的砂巖和灰巖混凝土中，骨料與漿體的結合情況良好，因而抗拉強度和黏接強度較高，而界面性質較差的玄武巖和花崗巖混凝土，抗拉強度和黏接強度偏低。因此，混凝土抗拉強度和骨料與砂漿的黏接強度更多與混凝土的界面特征相關。（2）界面過渡區顯微硬度由高到低依次為灰巖>砂巖>花崗巖>玄武巖>大理巖。界面過渡區顯微硬度與鈣硅比呈負相關，鈣硅比越高顯微硬度越小。（3）砂巖和灰巖是本研究骨料中活性最強的，骨料不僅吸附大量離子，也釋放離子，表明砂巖和灰巖骨料表面發生了化學反應。玄武砂、花崗巖以及大理巖在水泥溶液和水中都呈現出較低的化學活性，水泥溶液中的鈣離子、OH-離子濃度并不會受玄武砂、花崗巖以及大理巖骨料的影響。

參考文獻

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（作者單位：大連市建筑科學研究設計院股份有限公司）