李玉根, 張慧梅, 劉光秀, 胡大偉, 馬向榮

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院, 陜西 西安 710054; 2.榆林學院 建筑工程學院, 陜西 榆林 719000; 3.榆林學院 化學與化工學院, 陜西 榆林 719000)

砂子是混凝土的主要原材料之一,被譽為“建筑業(yè)的小米”.巖石風化顆粒經水流的沖刷、搬運等作用,淤積在河道內形成的天然河砂,顆粒粗大、級配較好[1-2],一直以來是建筑用砂的主要來源.近年來,中國混凝土用量已超過60億t/a[3],并呈逐年上漲趨勢,造成河砂資源逐漸枯竭、價格瘋漲及河道環(huán)境劣化.為緩解“供需矛盾”,工程界嘗試用機制砂、風積砂等配制混凝土,取得了一定成果.風積砂作為一種被風自然搬運、沉積的砂性材料[4-5],開采方便、價格低廉,將是未來混凝土細骨料的主要來源[6-7].

中國是世界上沙漠面積最大的國家之一,有近80.89萬km2沙漠面積,約占國土面積的8.43%,主要分布在西北、華北和東北的干旱、半干旱地區(qū)[8].陜北地處毛烏素沙漠南緣,地表有豐富的風積砂資源.然而，長期以來人們對風積砂的利用認識不足,建筑用砂需要從外地采購、運輸,導致建設成本增加.近年來,國內外學者就風積砂工程適用性開展了初步研究,得到一些有益結論.Zhang等[9]研究表明,用適量風積砂替代普通河砂，可以配制出技術性質滿足工程實際需要的混凝土.Khay等[10]成功將撒哈拉沙漠風積砂用于路面建設,拓寬了路用混凝土材料來源.

中國對風積砂混凝土的研究起步較晚,內容主要涉及配合比設計及耐久性等.劉海峰等[11]、董偉等[12]發(fā)現,混凝土抗壓強度隨風積砂摻量的增加經歷了“先增大后減小”的過程,這與楊維武等[13]基于正交試驗所得用風積砂配制混凝土存在最優(yōu)配合比的結論一致.李根峰等[14]、薛慧君等[15]發(fā)現,摻入適量風積砂粉體可以改善混凝土內部的孔隙結構,延長其使用壽命.

上述成果表明,摻入適量風積砂對于提高混凝土性能有益.但Seif[6]、Al-Harthy等[16]發(fā)現,風積砂對于混凝土力學性能僅有削弱作用(亦即強度隨風積砂摻量的增大而減小).造成影響差異的主要原因在于,不同的沙漠,即使是同一沙漠的不同區(qū)段,顆粒組成、礦物組成等亦相差較大[17].這些差異正是導致混凝土力學性能變化的主要原因.

目前,關于風積砂摻量對混凝土力學性能影響機理的分析有待深入,風積砂混凝土強度預測(強度-齡期)模型較少,考慮砂子細度模數或者比表面積影響的強度模型更是鮮有報道,為本文研究留有廣泛空間.

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗用河砂為中砂,細度模數為2.3,表觀密度為2580kg/m3,吸水率(質量分數,文中涉及的吸水率、水灰比等除特別說明外均為質量分數或者質量比)為0.8%,pH值為7.05.風積砂(混合砂)采自陜西神木大保當及榆陽區(qū)城郊天然沙漠地表,細度模數分別為1.6、0.9,表觀密度分別為2605、2592kg/m3,pH值分別為7.49、7.41,吸水率分別為1.5%、2.1%.各試驗用砂含泥量符合規(guī)范要求,級配曲線如圖1(a)所示.石子為級配碎石,粒徑介于5～20mm,5～10mm 及10～20mm顆粒質量比為3∶7.水泥為內蒙古產草原牌P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥,表觀密度為3145kg/m3,標準稠度用水量28.6%,體積安定性合格,3、28d抗壓強度分別為23.5、56.1MPa,抗折強度分別為4.8、9.1MPa.外加劑為賽利雅牌引氣劑,有輕微減水效益.

1.2 配合比設計

參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》,用一定質量分數的風積砂(0%、10%、20%、30%、40%、50%、100%)等質量代替河砂，配制強度等級為C40、水灰比為0.45、砂率為0.32的風積砂混凝土,研究風積砂摻量ws對混凝土基本力學性能的影響規(guī)律,以揭示影響機理.配合比設計如表1所示,各組試驗用砂的級配曲線如圖1(b)所示.

圖1 試驗用砂級配曲線Fig.1 Particle size distributions of sand

表1 風積砂混凝土配合比設計Table 1 Mix proportion of aeolian sand concrete kg/m3

1.3 試驗方法

制作尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試件,養(yǎng)護至既定齡期(3、7、14、21、28、35、42d)后,用壓力試驗機測試其抗壓強度,分析混凝土抗壓強度(fc)與風積砂摻量ws、砂子細度模數(Mx)及比表面積(Ss)間的關系,確立強度預測模型.對28d齡期試件,用MacroMR12-150H-Ⅰ型核磁共振儀(NMR)測試孔徑分布,用CT機切片分析初始損傷,用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察界面區(qū)結構及水化產物微觀形貌,揭示影響機理.

2 結果與討論

2.1 風積砂混凝土基本力學特性

風積砂混凝土抗壓強度與風積砂摻量及養(yǎng)護齡期間的關系如圖2所示.由圖2可見：混凝土抗壓強度隨風積砂摻量的增加經歷了“先增大后減小”的過程,當摻量為10%～30%時,風積砂混凝土抗壓強度均高于普通混凝土(A組);當摻量為20%時,混凝土抗壓強度最高,表明風積砂可以作為建筑用砂,適量替代河砂可配置出力學性能優(yōu)越的混凝土;風積砂混凝土抗壓強度增長規(guī)律與普通混凝土相似,各試件強度前期增長速率明顯快于中后期.

圖2 混凝土抗壓強度與風積砂摻量及養(yǎng)護齡期間的關系Fig.2 Relation among compressive strength of concrete,aeolian sand content and curing ages

由圖2(a)還可以看出：除100%摻量試件外,其他組前7d強度均高于普通混凝土;7d后,普通混凝土強度逐步提高,但28d強度仍低于10%～30%摻量組風積砂混凝土;40%～100%摻量組風積砂混凝土28d強度雖低于普通混凝土,但均滿足既定配制強度40MPa;28d后,各組混凝土強度增長趨于穩(wěn)定.20%摻量風積砂混凝土3d強度較普通混凝土比提高了約15.0%,7d強度提高了約11.0%,28d 強度提高了約8.0%,42d強度提高約6.7%.

風積砂等質量代替河砂,其實質是改變了細骨料的粗細程度(亦即細度模數Mx)及比表面積Ss[18].分析風積砂混凝土抗壓強度與砂子細度模數及比表面積間的關系,對實際工程有較大指導意義.混凝土抗壓強度與砂子細度模數及比表面積間的關系如圖3、4所示.

由圖3(b)、圖4(b)可見：當水灰比及砂率一定時,混凝土抗壓強度隨砂子細度模數的增加經歷了“先增大后減小”的過程,這與文獻[19]所得結論一致;抗壓強度與砂子比表面積間呈現出相同的變化>規(guī)律;砂子細度模數為2.06、比表面積為59.07cm2/g(亦即風積砂摻量為20%)時,混凝土抗壓強度最高;3、7、14、21、28、35、42d強度分別為28.3、42.9、47.9、51.2、55.3、55.7、55.9MPa.風積砂改變混凝土基本力學性能的可能原因在于,其改變了混凝土內部的孔隙分布情況、骨料與漿體間結合裂縫寬度及ITZ結構.

圖3 砂子細度模數與風積砂摻量及混凝土強度間的關系Fig.3 Relation among the Mx, ws and fc

圖4 砂子比表面積與風積砂摻量及混凝土強度間的關系Fig.4 Relation among the Ss, ws and fc

2.2 風積砂混凝土微(細)觀表征

2.2.1孔隙結構

混凝土是典型的多孔介質材料,內部孔隙率及孔徑(d)分布范圍(物理結構)與力學特性密切相關.吳中偉[20]將混凝土內部的孔隙分為無害孔(d≤20nm)、少害孔(20nm

由圖5(a)可見：不同摻量風積砂混凝土T2譜的峰寬、起峰位置、峰的數量及各峰面積占比等有一定差異,但均以第1峰面積占比為主(占比達76%以上);峰隨風積砂摻量的增加有右移趨勢.按吳中偉[20]的觀點,混凝土中無害孔含量最高,約占孔隙總量的一半以上,少害孔含量次之,有害孔最少(見圖5(c)).各類孔隙含量隨風積砂摻量間呈現出不同的變化規(guī)律：無害孔含量隨其值的增加“先增大后減小”,多害孔含量則呈反趨勢變化;有害孔含量隨其值的增大而增大.

圖6給出了混凝土抗壓強度增量Δfc與孔隙率增量間的關系.由圖6不難看出,混凝土強度增量與有害孔隙率增量間有較好的線性關系,相關系數R2=0.913.這較好解釋了圖5(b)中40%摻量風積砂混凝土總孔隙率大于50%摻量試樣,但強度反而高于50%摻量試樣的原因.這也表明,混凝土強度是孔隙分布范圍、整體孔隙率大小等共同作用的結果.

圖5 風積砂混凝土T2譜、孔隙率及孔隙分布Fig.5 Distribution of T2 spectra, pore ratio and classification of concrete pore size

圖6 混凝土強度增量與孔隙率增量間的關系Fig.6 Relation between pore ratio and strength increment of concrete

2.2.2ITZ結構及水化產物形貌

混凝土中ITZ的結構形態(tài)、水泥水化產物的微觀物理結構及孔隙分布等亦對混凝土強度有較大影響.NMR無損檢測后,從試樣中切割尺寸約為15mm×15mm×5mm的小塊,經超聲波清洗干凈后，用SEM分析漿體與骨料間結合裂縫及ITZ結構,觀察水化產物微觀形貌,結果如圖7所示.

由圖7(a)～(c)可見：普通混凝土(風積砂摻量為0%)及100%摻量風積砂混凝土骨料與漿體接觸界面間,均存在結合裂縫,100%摻量試樣尤為明顯,最大縫寬約為2～3μm;20%摻量風積砂試樣在同樣倍數下未觀察到明顯的結合裂縫.就界面區(qū)結構而言,20%摻量風積砂試樣結構最為致密,孔隙細小、孤立,有少量微裂縫,少見連通的大孔隙或大裂縫,沒有明顯的薄弱區(qū);普通混凝土及100%摻量風積砂混凝土界面區(qū)均可看到明顯的薄弱區(qū),普通混凝土試樣內可見連通的大孔隙及少量收縮微裂縫;100%摻量試樣結構最為松散,可觀察到明顯的大裂縫.混凝土的這種微觀界面結構在一定程度上反映了其宏觀力學特性.

由圖7(d)～(f)可見：不同摻量風積砂混凝土水化產物(MHP)的微觀物理形貌亦有較大差異,普通混凝土中可以觀察到較多孔隙(孔洞),水化產物或交織成網,或呈片層狀分布,密實性較好;20%摻量試樣(最優(yōu)摻量組)中水化產物基本形成一個整體,未觀察到明顯的裂縫或是孔隙,密實度最好;100%摻量風積砂混凝土中,可以觀察到少量片層狀結構水化產物及一些較大孔洞或是裂縫,結構松散,整體性差,密實度低.這種微觀缺陷程度與混凝土宏觀力學特性大小相對應.

圖7 風積砂混凝土界面區(qū)結構及水化產物SEM微觀形貌Fig.7 SEM micrographs of ITZ structure and hydration products of aeolian sand concrete

2.3 風積砂摻量對混凝土力學特性的影響機理

上述結果表明,風積砂摻入后改變了混凝土內部的孔隙結構、ITZ結構及水化產物形貌,進而影響混凝土的宏觀力學特性,下面詳細說明風積砂摻量對混凝土強度的影響機理.

2.3.1增強機理

不同顆粒級配的砂子對石子有不同的“干涉”(擠開)效應(見圖8).適量風積砂能改變混凝土內部孔徑分布范圍及界面區(qū)結構的機理在于：

(1)與河砂比,風積砂粒徑細小,適量加入后改善了混凝土骨料級配,使風積砂、河砂及石子間粒徑尺寸近似滿足Horsfield密實堆積理論,實現了不同粒徑顆粒間相互填隙;加之在混凝土振搗成型時風積砂顆粒更易重排、嵌擠而達到最佳密實狀態(tài)[17],進而提高了集料堆積時所形成的“四角孔”的密實度(圖8(a)表示粗骨料間“四角孔”位置,圖8(b)、8(c)表示不同類型砂子的填充效應),減小了粗骨料間的孔隙體積.

(2)風積砂較河砂表面渾圓、粒徑差異較小,可以發(fā)揮“滾珠”效應,降低混凝土成型時漿液與骨料間的摩擦力,減少用于潤滑的水分數量,增加漿體的流動性,使?jié){液更易進入孔隙內部.加之摻入適量風積砂后,細骨料對石子的擠開效應減弱(見圖8(d)),骨料間的孔隙體積減小,亦即用于填充孔隙的漿體數量減少,用于包裹骨料的漿液數量增加,從而使水泥石結構的密實度提高.

圖8 砂子干涉(擠開)骨料機理示意圖Fig.8 Mechanism schematic diagram of sand interference(extrusion) aggregate

(3)混凝土成型時骨料及水分運動方向不同,會在骨料表面產生“微區(qū)泌水”效應,尤其是易在骨料下部形成水囊(最終形成孔隙).風積砂粒徑細小,比表面積較大,適量摻入后可以減小骨料表面的水分富集量及水膜厚度,使“微區(qū)泌水”效應減弱.同時,混凝土振搗時會在骨料,尤其是砂子底部有氣泡滯留[21](見圖9),砂子粒徑越大,滯留越明顯.適量風積砂顆粒既可減小氣泡滯留數量,又可使滯留的大氣泡分散成小氣泡(最終形成不連通的小孔隙),從而使混凝土內部無害孔等小孔隙含量增加,ITZ結構改善.圖5(c)中20%摻量風積砂混凝土內部孔隙分布范圍及圖7(b)中ITZ結合裂縫寬度與結構形態(tài)很好地證明了這一點.

圖9 骨料周圍氣泡滯留示意圖Fig.9 Schematic of bubble retained around the aggregate

2.3.2弱化機理

當摻量過多時,風積砂將變成主要集料.一方面造成集料級配不良甚至是缺失(如100%摻量時幾乎不含0.315mm以上顆粒),對粗骨料的“干涉”(擠開)作用甚微(見圖8(d)),反而易被擠出形成孔隙[22];或是較集中分布于石子表面附近,使其表面吸附的水分連成更大囊區(qū),“微區(qū)泌水”現象加劇,在后期水化過程中形成薄弱結構.另一方面,風積砂比河砂有更大的比表面積及較強的吸水性,摻入過量會使體系中有效水灰比下降,使用于填充孔隙及包裹骨料的漿液變少,從而導致水泥石密實度下降,有害孔含量增大.

為獲得混凝土內部真實物理結構,對28d齡期各試樣進行CT切片掃描,分析內部初始缺陷(損傷).經用Mimics軟件對CT圖像進行閾值分割(缺陷閾值范圍為-521～800Hu[23]),獲得混凝土內部初始缺陷(損傷)分布情況,結果如圖10所示(受拍攝精度影響,過小的孔隙及界面區(qū)結合裂縫未明顯顯現出來).

圖10 風積砂混凝土CT切片圖樣Fig.10 CT slice patterns of aeolian sand concrete

由圖10可見：各試樣在受荷前已存在不同程度的初始損傷(孔隙、裂縫對截面有削弱作用,視為損傷),使有效受荷面積及作用于受荷截面上的應力發(fā)生變化,尤其是較大孔隙處極易產生應力集中現象,從而造成力學特性差異.本例中各試樣有效受荷面積大小依次為：S20%>S0%>S100%,正好與三者間宏觀強度大小相對應.

3 風積砂混凝土抗壓強度預測模型

確立混凝土抗壓強度與養(yǎng)護齡期間的關系,對工程實踐有重要指導意義.ACI committee 209[24]、程多松等[25]、Alhaz Uddin等[26]提出多種考慮齡期增長的混凝土強度模型.其中ACI經驗模型(式(1)),具有“(1)fc(0)=0,即曲線經過(0,0)點;(2)一階導數連續(xù);(3)單調遞增,有界”3個顯著特征[27],能更好地描述混凝土強度fcu(t)發(fā)展規(guī)律.對圖2(b) 中的數據進行回歸分析,發(fā)現其與ACI經驗模型一致性較好,相關系數R2在0.988以上.

(1)

式中：t為養(yǎng)護齡期,d;a、b為回歸系數,a+28b=28;fcu,28為混凝土28d立方體抗壓強度,MPa.

進一步分析圖2(b)中各曲線回歸系數a、b,發(fā)現其與風積砂摻量ws間有較好的線性關系,相關系數R2均在0.980以上(見圖11).據此,將系數a、b構建為風積砂摻量ws的函數,結果如式(2)所示.將式(2)代入式(1),可得風積沙混凝土強度預測方程(見式(3)).

(2)

圖11 回歸系數a、b與風積砂摻量ws的關系Fig.11 Relation among coefficients a, b and ws

(3)

考慮到圖3(a)、圖4(a)中砂子細度模數Mx及比表面積Ss與風積砂摻量ws間呈線性變化,可將式(3)進一步表達為細度模數Mx或比表面積Ss的函數,結果如式(4)所示.

利用式(4)能快速求取不同摻量風積砂混凝土任意齡期t的抗壓強度,本例計算結果如圖12所示.基于ACI模型構建的風積砂混凝土強度預測方程與試驗結果吻合較好(R2=0.999).

(4)

圖12 風積砂混凝土強度預測值與試驗值間的關系Fig.12 Relation between the calculated value and tested value of aeolian sand concrete strength

4 結論

(1)用適量風積砂代替河砂可配置出基本力學性能滿足工程實際需要、甚至優(yōu)于普通混凝土的風積砂混凝土,本例最優(yōu)風積砂摻量為20%.

(2)適量風積砂改善混凝土抗壓強度的機理，在于其改善了細骨料的顆粒級配及比表面積,弱化了骨料表面的“微區(qū)泌水”效應,減小了骨料與漿體間初始結合裂縫寬度,改善了界面區(qū)結構及混凝土內部的孔徑分布范圍,使受荷面初始損傷減小.

(3)風積砂混凝土抗壓強度增長規(guī)律與美國ACI經驗模型一致性較好.基于砂子細度模數Mx或者比表面積Ss變化構建的風積砂混凝土抗壓強度預測模型,與試驗結果吻合度較高.應用該模型,可方便預測不同摻量風積砂混凝土任意齡期的抗壓強度.