人工砂中的石粉對混凝土性能的影響與作用機制

郭 子 晗, 范 曉 亮

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

隨著我國西南地區水電開發的持續推進,“由于工程成本低、對于自然環境有利等特點,人工砂已經廣泛應用于楊房溝、烏東德等眾多大型水利水電工程的建設”[1]。石粉是人工砂區別于天然砂的主要特征之一,而且石粉的存在會對混凝土的工作性能、物理力學性能和耐久性造成巨大的影響。

對于人工砂石粉研究的主要關注點在于“石粉含量”[2～6]。一般認為,合理范圍內的石粉含量對混凝土的各方面性能是有利的:(1)適量的人工砂石粉在混凝土中可以發揮微集料作用,能夠改善混凝土的孔隙結構,提高混凝土的密實性,可以發揮其表面粗糙的顆粒形態效應,增加骨料與漿體之間的機械咬合力,改善混凝土各組分之間的界面作用;(2)達到一定細度的石粉還具有一定的活性效應,可以充當混凝土摻合料而取代部分水泥、粉煤灰等膠凝材料。但是,隨著石粉含量的增加,石粉會對混凝土水化性能以及力學強度產生不利的影響。

此外,業界關于人工砂石粉特性及其對拌合混凝土性能影響的認識仍然存在明顯的不足,其主要體現在以下三個方面:(1)我國的很多行業標準對人工砂石粉的含量都做出了明確的規定,但相關規范中的石粉含量與很多實際工程中的應用效果不符,導致在人工砂運用過程中存在較大的浪費和盲目,從而在很大程度上限制了人工砂的推廣應用;(2)沒有系統性地開展針對不同巖性的人工砂石粉對混凝土微宏觀性能影響的相關研究;(3)由于缺乏石粉對混凝土性能產生的影響全面的理論基礎研究和試驗研究,導致對人工砂石粉含量的控制仍存在較大的分歧,主要體現在石粉對混凝土性能的作用機理存在較大的爭議。因此,開展有關對人工砂石粉的研究對由人工砂摻和制備的混凝土具有著重要的科學意義與工程應用價值。

2 試驗及分析

筆者對人工砂中的不同石粉含量對混凝土性能產生的影響進行了分析與研究,本次研究通過試驗的方法進行,具體敘述如下。

2.1 試驗方法

(1) 原材料。試驗所用的水泥為峨勝P·MH42.5水泥,所用的砂為烏東德以及楊房溝水電站現場混凝土制備用砂,所用的石粉由兩座水電站砂石加工系統制備的人工砂篩分所得,所用的粗骨料為烏東德以及楊房溝水電站砂石加工系統破碎所得的“粒徑為5～20 mm的小石以及粒徑為20～40 mm的中石”[7]所組成的級配骨料。粗骨料品質符合相關規范中的相應技術要求。

(2)配合比。采用上述材料制備出不同巖性、不同石粉含量的混凝土標準試塊,其混凝土配合比見表1(其中石粉含量參數為質量百分比)。

表1 混凝土配合比表

設置了不同石粉含量用以了解其對混凝土力學性能的影響;同時采用烏東德水電站(石灰巖)以及楊房溝水電站(花崗巖)兩種不同巖性的人工砂石粉探究了其對混凝土性能的影響?；炷量箟簭姸群涂估瓘姸葴y試所用的試件均為按標準方法制作的150 mm×l50 mm×l50 mm 立方體,分別由含有不同巖性、不同含量的人工砂(5%、10%、20%和30%)制成。

(3)試驗內容:

①抗壓性能試驗?？箟簭姸仍囼灠凑铡镀胀ɑ炷亮W性能試驗方法標準》GB/T 50081-2019進行,采用“標準試驗方法并按照相關規定中的計算方法得到試驗強度值”[8]。

②抗拉強度試驗?？估瓘姸仍囼灠凑铡镀胀ɑ炷亮W性能試驗方法標準》GB/T 50081-2019進行,采用“劈裂法測定混凝土的抗拉強度”。

③微觀結構與化學成分分析。將壓碎后的試件按照檢測要求制備并進行XRD圖譜分析及SEM電鏡掃描分析。

2.2 力學性能測試

(1)抗壓試驗?；炷量箟涸囼炄〉玫慕Y果,石粉含量與混凝土抗壓強度關系見圖1。對于楊房溝組,隨著混凝土中石粉含量的增加,混凝土的抗壓強度呈現出先增加后減少的趨勢。當石粉含量為5%時,混凝土強度最低為56.49 MPa;當石粉含量增加到20%時,混凝土的抗壓強度達到峰值,為65.10 MPa;當石粉含量繼續增加到30%時,混凝土的強度稍有降低,為61.87 MPa。對于烏東德組,隨著混凝土中石粉含量的增加,混凝土的抗壓強度呈現出先增加后減少的趨勢。當石粉含量為5%～10%時,混凝土強度有極細微的下降;當石粉含量為5%時,混凝土強度最低為49.78 MPa;當石粉含量增加到20%時,混凝土的抗壓強度達到峰值,為53.84 MPa;當石粉含量繼續增加到30%時,混凝土的強度稍有降低,為53.73 MPa。

圖1 石粉含量與混凝土抗壓強度關系圖

(2)劈裂試驗結果。石粉含量與混凝土抗拉強度關系見圖2。從整體趨勢來看,隨著混凝土中石粉含量的增加,混凝土的抗拉強度呈現出先增加后減少的趨勢。對于楊房溝組,當石粉含量為5%～20%時,混凝土強度逐漸上升,且其上升趨勢逐漸增大;當石粉含量為5%時,混凝土抗劈裂強度最低,為3.36 MPa;當石粉含量增加到20%時,混凝土的劈裂抗拉強度達到峰值,為3.85 MPa;當石粉含量繼續增加到30%時,混凝土的劈裂抗拉強度稍有降低,為3.14 MPa。對于烏東德組,當石粉含量為5%～20%時,混凝土抗裂強度逐漸上升,且其上升的趨勢逐漸增大;當石粉含量為5%時,混凝土抗劈裂強度最低,為4.46 MPa;當石粉含量增加到20%時,混凝土的劈裂抗拉強度達到峰值,為5.11 MPa;當石粉含量繼續增加至30%時,混凝土的劈裂抗拉強度稍有降低,為4.17 MPa。

圖2 石粉含量與混凝土抗拉強度關系圖

2.3 化學成分與微觀性能分析

(1)石粉中的化學成分分析。通過JADE軟件與XRD標準譜,對試驗測試譜圖進行分析解譜可以發現:

楊房溝組石粉樣品XRD圖譜中的主峰為SiO2(石英),其余波峰含有Na(AlSi4O8)(鈉長石)及KAlSi4O8等物質,結合石粉外觀顏色及形貌進一步分析楊房溝水電站人工砂及石粉樣品后可以得出:石粉的主要成分為石英和鈉長石以及少量的微斜長石、斜綠泥石、黑云母和堇青石。從成分組成看:楊房溝水電站人工砂及石粉樣品系由花崗巖制備而成。

烏東德組石粉樣品的解譜結果顯示:主峰所示物質為CaCO3。在進一步對比其余波峰標準譜后可以得出其余波峰所示物質主要為CaMg(CO3)2和SiO2,在對物質組分以及外觀形貌進行對比分析后可以得知烏東德水電站人工砂及石粉樣品的主要成分為白云石與方解石以及少量的石英。從成分組成看:烏東德水電站人工砂及石粉樣品系由石灰巖制備而成。

(2)微觀結構分析。利用電子顯微鏡分別對不同石粉含量的楊房溝組以及烏東德組混凝土試件的微觀形貌進行觀測。從5 000倍放大的混凝土SEM照片中可以看出:在混凝土骨料孔隙中可以看到絮狀C-S-H晶體以及針棒狀的鈣礬石晶體和表面粗糙的石粉顆粒。隨著石粉含量的增加,所生成的針棒、長條狀的水化產物的數量以及密集程度均有一定程度的增長,并且其大多數分布在骨料的孔隙中,呈針棒狀及網狀分布。同時,隨著石粉含量的增加,可以明顯地發現試樣中的片狀晶體結構逐漸減少,而絮狀的結構逐漸增多。石粉含量為30%的楊房溝組與烏東德組混凝土試件的絮狀結構顯然多于較低石粉含量的試樣。而在石粉含量較低的混凝土試件中能夠明顯地觀察到六邊形的Ca(OH)2晶體,且其絮狀水化凝膠體較少。

3 石粉與混凝土耦合作用機制分析

當水泥發生水化反應時,首先,由于石粉的粒徑較小,可以填充在水泥骨料之間的孔隙之中起到填充作用,使混凝土的結構更為致密?；诒驹囼灮炷僚浜媳?隨著人工砂質量百分比的增加,混凝土試件中的硅酸二鈣、白云石和方解石的含量越來越多。方解石是在混凝土試件養護過程中空氣中的CO2與試樣中的Ca(OH)2和Mg(OH)2發生反應生成的碳化產物(CaCO3或CaxMg1-xCO3);其次,原材料中的SiO2與試樣中的Ca(OH)2發生反應生成硅酸二鈣(Ca2(SiO4)),也可生成C-S-H。

大量碳化產物的填充使混凝土試件結構更加致密,吸水率降低。鑒于硅酸二鈣的早期強度較低,但其隨著齡期的增加混凝土的力學性能亦有所上升。同時,由于石粉的晶核效應,當水泥發生水化反應時石粉粒徑較小且充斥于混凝土骨料所形成的骨架之間,微小的石粉能夠作為結晶核使水化生成的水化產物(如C-S-H)附著在石粉表面形成晶體充斥于混凝土的微小孔隙中,從而提升混凝土的強度。

除此之外,隨著石粉含量的增加,石粉填充并大量堆積于混凝土骨料形成的骨架之間導致水化反應時,水泥與水并不能充分反應,進而導致混凝土的強度有所降低。當填充作用與石粉對混凝土水化的負面效應相結合時,石粉含量對混凝土性能的影響便會呈現出先正向后負向的情況,即當石粉含量增加時,混凝土的強度會首先由于晶核作用以及填充作用大于因石粉含量增加導致的水化反應不充分的負面作用,水化產物填充混凝土的微小孔隙而提升了混凝土的力學性能,但隨著石粉含量的繼續增加,這種晶核作用以及填充作用的影響小于混凝土水化不完全而導致結構疏松的影響時,混凝土的強度將會出現降低的情況。

4 結 語

基于試驗中混凝土的配合比,當混凝土中的人工砂石粉摻量為20%時,混凝土的抗壓以及劈裂抗拉性能最佳。當石粉含量小于20%時,混凝土的強度隨石粉含量的增加,會因石粉的晶核作用以及填充作用大于其導致水化反應不充分的負面作用,提升混凝土的力學強度。但當石粉含量大于20%后,隨著石粉含量的繼續增加,石粉在混凝土中的這種晶核作用以及填充作用,小于混凝土水化不完全導致其結構疏松的影響時,混凝土的強度即會出現降低的情況。

除此以外,基于本試驗的混凝土配合比,在石粉含量相同的情況下,楊房溝組人工砂混凝土的力學性能強于烏東德組,即花崗巖石粉對混凝土強度的提升強于石灰巖石粉。其主要原因為:首先,烏東德組的石粉成分主要為石灰巖,屬于典型的鈣質巖基巖石粉;而楊房溝組的石粉成分則為花崗巖,屬于典型的硅質巖基巖石粉。而硅質巖的化學活性較鈣質巖更低,故其水化反應過程中石粉中的物質更加穩定,與水發生反應時放熱較少,從而減少了水化熱,使得混凝土中產生的氣泡和孔隙較少,混凝土的強度亦由此得到了一定程度的提升;其次,從微觀結構看,在石粉含量相同的情況下,楊房溝組混凝土試樣的整體結構相較于烏東德組混凝土試樣更為致密。