劉錦輝 黃至憲 宋劍偉 曾曉輝 王敏 周華龍 吳偉先

（1深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000；2中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司,北京 100024；4中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；5中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000）

自密實(shí)混凝土（Self-Compacting Concrete）是基于綠色高性能混凝土要求提出的一種新型混凝土技術(shù)。自密實(shí)混凝土具有高抗離析性、高流動(dòng)性及易填充性等特點(diǎn)，是一種在密集配筋條件下只依靠自身重力而不用振搗就可以密實(shí)成型的高性能混凝土[1]，能較好地滿足配筋密集等復(fù)雜工程成型的要求，在工程中得到了應(yīng)用推廣[2]。

機(jī)制砂指經(jīng)過除土開采，采用機(jī)械等方式，篩分后制取的粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或者工業(yè)廢渣顆粒［3］，其性能與母巖的物理性能、機(jī)械設(shè)備及加工工藝等因素有關(guān)［4］。目前國內(nèi)生產(chǎn)的機(jī)制砂的顆粒表面粗糙、棱角明顯、形態(tài)不規(guī)則，且石粉含量較大，其應(yīng)用于自密實(shí)混凝土中會(huì)對自密實(shí)混凝土的性能產(chǎn)生影響。目前，對于機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的研究多集中在工作和力學(xué)性能方面，且結(jié)論較為一致，而對于機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的耐久性研究比較匱乏。因此，本文對不同石粉含量的C50機(jī)制砂自密實(shí)混凝土氯離子滲透、堿骨料反應(yīng)、混凝土碳化、抗凍性以及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測試，并與相同條件下C50天然砂自密實(shí)混凝土進(jìn)行對比，探究不同石粉含量對石灰?guī)r機(jī)制砂自密實(shí)混凝土耐久性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 材料

1.1.1 水泥

試驗(yàn)用水泥為法拉基普通硅酸鹽水泥P.O42.5，其基本性能見表1。

表1 水泥的基本性能

1.1.2 礦物摻合料

試驗(yàn)用礦物摻合料為硅灰和Ⅱ級(jí)粉煤灰，硅灰、粉煤灰基本性能分別見表2、表3。

表2 硅灰化學(xué)組成分析結(jié)果（%）

表3 II級(jí)粉煤灰基本性能

1.1.3 石粉

石粉為石灰?guī)r石粉，材質(zhì)和細(xì)骨料相同，粒徑小于75。通過對機(jī)制砂進(jìn)行篩分試驗(yàn)，篩分出粒徑小于75的顆粒。試驗(yàn)用石粉基本性能見表4。

表4 石粉的化學(xué)組成

1.1.4 骨料

試驗(yàn)所用粗骨料為級(jí)配碎石。該碎石由5～15mm和16～25mm兩種粒級(jí)碎石摻配而成，配合比例分別為40%、60%?；旌虾笮纬?～25mm連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度2670kg/m3，松散堆積密度1530kg/m3。

試驗(yàn)所用細(xì)骨料為機(jī)制砂與天然砂，機(jī)制砂為重慶地區(qū)的石灰?guī)r機(jī)制砂，天然砂為四川新津產(chǎn)河砂。

1.1.5 外加劑

減水劑采用宜賓天龍化工TL-1000聚羧酸高性能減水劑，摻量為0.8%～1.2%，減水率為30%。

1.2 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)了用于試驗(yàn)的C50機(jī)制砂自密實(shí)混凝土。配合比如表5所示。其中G1-G6為機(jī)制砂試驗(yàn)組，HG為天然砂對照組。

表5 C50機(jī)制砂和河砂自密實(shí)混凝土配合比

1.2.1 氯離子滲透實(shí)驗(yàn)

電通量法按照規(guī)范[5]進(jìn)行測試。由于機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的礦物摻和料摻量較大，測定了自密實(shí)混凝土56d后的電通量。試件采用直徑100±1mm，高度50±2mm的圓柱形模具，測試時(shí)陰極采用3%的NaCl溶液，陽極采用0.3mol/L的NaOH溶液，按照規(guī)范要求用混凝土氯離子電通量測定儀進(jìn)行試驗(yàn)?；炷僚浜媳纫姳?。

1.2.2 堿骨料反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

堿骨料反應(yīng)的砂漿棒的制作參考規(guī)范[6]，試件尺寸選取25mm×25mm×280mm，先將試件帶模放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24h，再拆模放入80℃水中養(yǎng)護(hù)24h，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后馬上測試試件長度作為初始長度，測試結(jié)束后將試件放入1mol/L的NaOH的養(yǎng)護(hù)溶液中養(yǎng)護(hù)，之后分別在3、7、14、21及28d通過測長儀測試試件長度。砂漿棒配合比見表6。

1.2.3 碳化實(shí)驗(yàn)

碳化試驗(yàn)的方法按照規(guī)范[5]的要求進(jìn)行，試件尺寸采用100mm×100mm×400mm，每組3 個(gè)試件，每組試件測試之前先在60℃下烘48小時(shí)，再在試件截面上噴灑濃度為1%的酚酞酒精溶液，對每10mm的測量點(diǎn)用游標(biāo)卡尺進(jìn)行讀數(shù)，按照規(guī)范要求測定3、7、14、28、56d各組試件的碳化深度?；炷僚浜媳纫姳?。

表6 砂漿棒試件配合比

圖1 混凝土碳化試件處理過程

1.2.4 抗凍性實(shí)驗(yàn)

抗凍性能的測試參照規(guī)范[5]的要求進(jìn)行，試件尺寸采用100mm×100mm×400mm，凍融試驗(yàn)前4 天對試件進(jìn)行外觀檢查，根據(jù)要求分別測試試件在50、100、150、200、250、300次凍融循環(huán)次數(shù)后的相對動(dòng)彈性模量。動(dòng)彈性模量的計(jì)算和處理應(yīng)滿足規(guī)范對動(dòng)彈性模量的計(jì)算公式?；炷僚浜媳纫姳?。

2 結(jié)果及分析

2.1 石粉含量對抗氯離子滲透性的影響

不同石粉含量C50機(jī)制砂自密實(shí)混凝土抗氯離子滲透能力以及相同條件下C50天然砂自密實(shí)混凝土抗氯離子滲透能力測試結(jié)果見圖2。由圖2可見，C50機(jī)制砂自密實(shí)混凝土56d電通量隨著石粉含量的增多呈降低趨勢，電通量位于150C～310C區(qū)間內(nèi)。石粉含量超過16%時(shí)，電通量的下降十分微小。相比石粉含量低于16%的機(jī)制砂混凝土，天然砂混凝土的實(shí)測電通量要低，說明在這個(gè)范圍內(nèi)天然砂混凝土抗氯離子滲透能力強(qiáng)于機(jī)制砂混凝土，但在8%～16%的石粉摻量范圍內(nèi)，兩種混凝土的電通量差距不大。

引起這個(gè)結(jié)果的原因可能是機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的配合比中含有大量礦物摻和料，如粉煤灰，其中含有大量活性二氧化硅及氧化鋁，能與水泥水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成較多的強(qiáng)度較高的凝膠顆粒，減少了游離的氫氧化鈣，并且凝膠晶體從結(jié)構(gòu)上增加了混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性。同時(shí)，由于硅灰及粉煤灰的摻入抑制了氫氧化鈣晶體在過渡界面的增長速度，改善了過渡界面的性能，增加了粘結(jié)力，提高了混凝土的抗?jié)B性。且石粉對于機(jī)制砂混凝土具有微孔隙填充作用，其降低機(jī)制砂混凝土的電通量與此作用有關(guān)，微孔的減少能夠有效緩解通過擴(kuò)散作用和毛細(xì)管作用進(jìn)入混凝土內(nèi)部的氯離子數(shù)量，從而降低氯離子的滲透。

圖2 不同石粉含量C50機(jī)制砂自密實(shí)混凝土及河沙混凝土電通量

2.2 石粉含量對堿骨料反應(yīng)的影響

各試件不同齡期的膨脹率見表7。由表7可見，無論機(jī)制砂中石粉含量多少，砂漿棒均發(fā)生劇烈的堿骨料反應(yīng)。結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)制砂中石粉含量增多，堿骨料反應(yīng)的膨脹率有所降低，且石粉含量越多，膨脹率降低得越多。但是從整體來看，石粉對機(jī)制砂堿骨料反應(yīng)的影響十分微小，對膨脹率的降低十分有限。由于石粉本身沒有活性，是一種惰性摻合料，只能夠通過有限的“微集料效應(yīng)”輕微影響堿骨料反應(yīng)的進(jìn)程，故可以認(rèn)為石粉對于機(jī)制砂的堿骨料反應(yīng)影響不大。

表7 砂漿試件不同齡期膨脹率（%）

圖3 砂漿棒試件隨齡期的膨脹量

2.3 石粉含量對碳化的影響

圖4 拆模時(shí)試件外觀

圖5 養(yǎng)護(hù)至28d齡期試件外觀

不同石粉含量的C50機(jī)制砂自密實(shí)混凝土碳化深度結(jié)果如表8所示。從表8可以看出，7組混凝土試件在3d、7d、14d齡期碳化深度均為0。各組試件在28d左右開始出現(xiàn)輕微碳化，56d時(shí)各組試件的碳化現(xiàn)象相比28d均有所發(fā)展，但仍然十分輕微。隨著石粉含量的增多，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土碳化程度并未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性。天然砂和機(jī)制砂自密實(shí)混凝土在抗碳化性能上也未表現(xiàn)出明顯差別?？赡艿脑蚴牵炷翉?qiáng)度等級(jí)高，設(shè)計(jì)配合比的水膠比較小，只有0.32，試件為了達(dá)到自密實(shí)混凝土的標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)摻了優(yōu)質(zhì)粉煤灰和硅灰，混凝土的密實(shí)性較好，阻礙了CO2和水分的進(jìn)入，未給碳化反應(yīng)提供應(yīng)適宜條件，使得機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的抗碳化能力得到了加強(qiáng)。

表8 C50自密實(shí)混凝土碳化試驗(yàn)結(jié)果

2.4 石粉含量對抗凍性的影響

不同石粉含量的C50機(jī)制砂自密實(shí)混凝土及天然砂自密實(shí)混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。從圖6可以看到，經(jīng)過0、100、150、200、250及300凍融循環(huán)后，不論是機(jī)制砂自密實(shí)混凝土還是天然砂自密實(shí)混凝土，兩者的相對動(dòng)彈性模量都隨著次數(shù)的增加有下降的趨勢，但都大于90%，說明機(jī)制砂自密實(shí)混凝土以及天然砂自密實(shí)混凝土都有良好的抗凍性。其中，石粉含量4%的機(jī)制砂混凝土的相對動(dòng)彈性模量最大，天然河砂自密實(shí)混凝土最小，這說明機(jī)制砂自密實(shí)混凝土內(nèi)部骨料的粘結(jié)性能比天然砂自密實(shí)混凝土要強(qiáng)。

表9 混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

表10 不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖6 機(jī)制砂及天然砂自密實(shí)混凝土相對動(dòng)彈性模量曲線

圖7 混凝土長期強(qiáng)度隨石粉含量變化規(guī)律

2.5 石粉含量對長期抗壓強(qiáng)度的影響

從表10可以看出，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土7d的強(qiáng)度比天然砂自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度高，說明在相同條件下，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度優(yōu)于天然砂自密實(shí)混凝土，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土滿足強(qiáng)度要求。從圖7可以看出，隨齡期增長，各組混凝土的強(qiáng)度都有所增長，對于機(jī)制砂自密實(shí)混凝土，當(dāng)石粉以4%等量替代機(jī)制砂時(shí)，150d的強(qiáng)度最大，而當(dāng)石粉以16%等量替代機(jī)制砂后，強(qiáng)度最大。

3 結(jié)論

1）機(jī)制砂中的石粉對機(jī)制砂混凝土耐久性有不同程度的影響。隨著石粉含量的增多，C50機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的56d電通量下降，抗氯離子滲透能力提高。石粉含量達(dá)到20%時(shí)，電通量輕微下降。機(jī)制砂自密實(shí)混凝土中石粉含量高于12%時(shí)，其抗氯離子滲透能力與同等條件下天然砂混凝土持平，低于12%時(shí)略低于天然砂混凝土，但仍然遠(yuǎn)低于規(guī)范上限。

2）不摻入礦物摻合料的機(jī)制砂混凝土?xí)l(fā)生嚴(yán)重的堿骨料反應(yīng)，盡管石粉的增多會(huì)輕微改善堿骨料反應(yīng)的膨脹率，但效果十分微?。皇蹖τ跈C(jī)制砂堿骨料反應(yīng)沒有抑制作用。因此，在考慮機(jī)制砂混凝土堿骨料反應(yīng)時(shí)可不考慮石粉的影響，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)采用添加優(yōu)質(zhì)粉煤灰等活性材料的辦法抑制堿骨料反應(yīng)。

3）隨著機(jī)制砂中石粉含量的增多，機(jī)制砂混凝土的抗碳化性能并未出現(xiàn)明顯下降，基本上和無石粉對照組差不多，規(guī)律性不強(qiáng)。說明在有摻合料的情況下石粉對機(jī)制砂混凝土抗碳化性能影響很小，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土完全可以應(yīng)用于碳化環(huán)境。

4）石粉含量變化對混凝土抗凍性影響甚微，基本上可以忽略。機(jī)制砂自密實(shí)混凝土抗凍能力略優(yōu)于天然砂混凝土，其凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率小于天然砂混凝土?？傮w來看，含礦物摻合料的機(jī)制砂自密實(shí)混凝土抗凍性滿足規(guī)范要求。

機(jī)制砂中的石粉對機(jī)制砂混凝土的長期抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律是：石粉含量在4%～12%時(shí)影響不大，但達(dá)到16%左右時(shí)機(jī)制砂混凝土的長期抗壓強(qiáng)度會(huì)下降。相比之下，天然砂自密實(shí)混凝土強(qiáng)度在初期沒有機(jī)制砂自密實(shí)混凝土高，但后期增長速率明顯高于機(jī)制砂自密實(shí)混凝土。