徐 飛

（葫蘆島市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125000）

近年來，為滿足水利工程快速建設(shè)與發(fā)展需求，人們開采利用砂石資源所引起的“生態(tài)破壞”問題日趨突出，其中最典型的破壞形式就是河砂的過度浪費(fèi)和無限開采。為限制河砂的過度開發(fā)，各地政府相繼出臺(tái)了一系列的限采、禁采有關(guān)規(guī)定[1]。因此，機(jī)制砂的興起既有效緩解了河砂嚴(yán)重短缺矛盾，還具有較高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益，并逐漸成為經(jīng)濟(jì)綠色替代品被廣泛應(yīng)用于混凝土行業(yè)[2-4]。隨著水利事業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)機(jī)制砂的需求量迅速增加，研究應(yīng)用機(jī)制砂水工混凝土性能已成為領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。例如，有學(xué)者提出一定量的石粉能夠改善混凝土的和易性及機(jī)制砂堆積性，而石粉含量過高則不利于拌合物和易性；有學(xué)者認(rèn)為石粉發(fā)揮著孔隙填充效應(yīng)，有利于提高微觀界面強(qiáng)度；也有研究表明，一定量的石粉可以改善混凝土抗?jié)B性、保水性和粘聚性，而混凝土強(qiáng)度等級(jí)與石粉的最佳含量有關(guān)，強(qiáng)度等級(jí)越低其最佳含量應(yīng)越小[5-7]。總體而言，一定量的石粉可以改善水工混凝土耐久性和力學(xué)性能，而過量的石粉會(huì)帶來不利影響。

目前，關(guān)于最佳石粉含量的相關(guān)研究主要集中于C90、C80、C60等高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，對(duì)其作用機(jī)理和影響規(guī)律的研究不夠深入，并且較少考慮對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的影響。此外，現(xiàn)有研究?jī)H局限于砂漿和混凝土的部分耐久性、工作性和力學(xué)性能，仍需進(jìn)一步探討石粉對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理[10]。因此，本文選用0%、10%、20%、30%四種不同石粉含量的機(jī)制砂配制C35低強(qiáng)度等級(jí)水工混凝土，通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了水工混凝土的抗氯離子滲透性、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗裂性能及其和易性，并利用NMR核磁共振揭示了微觀孔結(jié)構(gòu)特征，旨在為研究低強(qiáng)度等級(jí)機(jī)制砂水工混凝土受不同石粉含量的影響規(guī)律提供一定支持[8-10]。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料準(zhǔn)備

水泥選用禹州P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測(cè)水泥樣品的各性能指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范要求，如表1。細(xì)骨料選用花崗巖機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.6，MB值1.0，經(jīng)顆粒級(jí)配調(diào)整，試驗(yàn)用機(jī)制砂符合Ⅱ區(qū)中砂要求；粗骨料選用天然碎石，粒徑連續(xù)級(jí)配5～30mm，密度2.68g/cm3；外加劑選用XK-540P型聚羧酸高效減水劑，減水率達(dá)到28%；拌合水選用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

表1 水泥的性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

機(jī)制砂中的石粉含量利用添加石粉和清洗原狀機(jī)制砂的方式合理控制，制作0%、10%、20%、30%四種不同石粉含量的機(jī)制砂制備水工混凝土。設(shè)計(jì)C35低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，控制減水劑用量維持拌合物坍落度處于(200±20)mm之間，配合比設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 水工混凝土配合比 單位kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

1）工作性能試驗(yàn)。依據(jù)拌合物性能試驗(yàn)方法測(cè)試水工混凝土的擴(kuò)展度和坍落度，拌合過程中及時(shí)觀測(cè)和記錄拌合物的保水性、粘聚性和流動(dòng)性。

2）平板開裂試驗(yàn)。采用規(guī)范推薦的平板法測(cè)試水工混凝土的早期抗裂性能，平板試驗(yàn)主要測(cè)試混凝土裂縫寬度、長(zhǎng)度和裂縫數(shù)量等指標(biāo)，計(jì)算單位面積上的開裂面積、開裂條數(shù)和平均開裂面積[11-12]。

3）力學(xué)性能試驗(yàn)。水工混凝土的7d、28d劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度嚴(yán)格執(zhí)行《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

4）抗氯離子滲透試驗(yàn)。水工混凝土的抗氯離子滲透性能利用規(guī)范推薦的電通量法測(cè)試，通過測(cè)定28d電通量值反映不同石粉含量機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性。

5）微觀孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。水工混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)利用NMR多功能成像分析系統(tǒng)來測(cè)試，通過測(cè)定28d的T2譜分布反映內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 工作性能

經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，水工混凝土的工作性能如表3。由表3可知，對(duì)于坍落度要求相近的水工混凝土，隨機(jī)制砂中石粉含量的增加混凝土所用減水劑用量逐漸增多。試驗(yàn)表明，在坍落度調(diào)整相差不大的條件下，石粉含量不超過10%時(shí)拌合物出現(xiàn)明顯離析泌水現(xiàn)象，雖然具有較好的流動(dòng)性，但機(jī)制砂混凝土的粘聚性和保水性較差。石粉含量超過10%時(shí)，機(jī)制砂混凝土具有良好的工作性。

表3 水工混凝土工作性能

總體而言，適量的石粉可以改善水工混凝土工作性能，而過量的石粉會(huì)增大減水劑用量。究其原因，機(jī)制砂中石粉含量越高則混凝土體系中的細(xì)微顆粒越多，隨石粉含量增加細(xì)骨料的總比表面積逐漸增大，從而提高了水與骨料的接觸面積，在一定程度上優(yōu)化了混凝土泌水現(xiàn)象，并且石粉能夠填充粗、細(xì)骨料之間的孔隙，優(yōu)化內(nèi)部顆粒級(jí)配，從而有效改善拌合物的粘聚性；此外，混凝土拌合物需水量會(huì)隨著機(jī)制砂總比表面積的增加而增大，并致使石粉含量越高則減水劑用量越多。

2.2 開裂性能

經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，水工混凝土的開裂性能如表4所示。

表4 水工混凝土開裂性能

由表4可知，A組水工混凝土單位面積的開裂面積、開裂條數(shù)和總開裂面積均最高，較其它組而言其抗裂性能最差。究其原因，A組拌合物和易性較差致使平板成型時(shí)骨料下沉、漿體上浮，早期抗拉強(qiáng)度較低極易引起開裂。B、C、D組具有相同的裂縫數(shù)目，隨石粉含量的增加裂縫寬度不斷增大，即石粉含量越達(dá)則混凝土總開裂面積越高。

綜上分析，少量石粉對(duì)混凝土和易性具有改善作用，能夠有效防止混凝土成型時(shí)的泌水、離析現(xiàn)象，有利于改善混凝土密實(shí)度和顆粒級(jí)配，降低早期開裂風(fēng)險(xiǎn)。此外，混凝土的塑性收縮性能隨石粉含量的增加而增大，當(dāng)石粉含量超過某一界限值時(shí)就會(huì)對(duì)抗裂性能造成不利影響，如D組試件的抗裂性能最差。

對(duì)于坍落度要求相近的水工混凝土，隨機(jī)制砂中石粉含量的增加混凝土所用減水劑用量逐漸增多。試驗(yàn)表明，在坍落度調(diào)整相差不大的條件下，石粉含量不超過10%時(shí)拌合物出現(xiàn)明顯離析泌水現(xiàn)象，雖然具有較好的流動(dòng)性，但機(jī)制砂混凝土的粘聚性和保水性較差。石粉含量超過10%時(shí)，機(jī)制砂混凝土具有良好的工作性。

2.3 力學(xué)性能

經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，水工混凝土的7d、28d劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

從圖1可以看出，10%、20%、30%石粉含量組的7d劈裂抗拉強(qiáng)度較0%基準(zhǔn)對(duì)照組提高了3.8%、10.5%、10.5%，28d劈裂抗拉強(qiáng)度較10%基準(zhǔn)對(duì)照組提高了16.0%、24.1%、14.8%；10%、20%、30%石粉含量組的7d抗壓強(qiáng)度較0%基準(zhǔn)對(duì)照組提高了14.0%、18.1%、11.2%，28d抗壓強(qiáng)度較10%基準(zhǔn)對(duì)照組提高了10.0%、23.2%、5.5%。因此，水工混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著石粉含量的增加呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，20%石粉含量組的力學(xué)性能最優(yōu)。

總體而言，水工混凝土力學(xué)性能隨石粉含量的增加表現(xiàn)出先上升后下降的變化特征。究其原因，石粉含量≤20%時(shí)，加入的石粉有利于改善機(jī)制砂級(jí)配的缺陷和混凝土內(nèi)部孔隙，從而提高了其力學(xué)性能；石粉含量大于20%時(shí)，機(jī)制砂體系中的石粉含量占比較高，而顆粒含量占比減小，機(jī)制砂的骨料填充效應(yīng)下降，從而降低了混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，所以過高的石粉含量會(huì)降低混凝土力學(xué)性能。

2.4 電通量

經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，水工混凝土的28d電通量值如圖2所示。從圖1可以看出，0%、10%、20%、30%石粉含量組的28d電通量依次為1850C、1546C、1365C、1340C。石粉含量≤20%時(shí)，混凝土電通量隨石粉含量的增加而減小，相應(yīng)的抗氯離子滲透性能越好；石粉含量＞20%時(shí)，隨石粉含量的增加電通量趨于穩(wěn)定，表明石粉對(duì)改善機(jī)制砂級(jí)配的作用達(dá)到飽和，繼續(xù)增大石粉含量對(duì)改善混凝土抗氯離子滲透性能的作用減弱。

圖2 水工混凝土電通量

2.5 微觀孔結(jié)構(gòu)

NMR核磁共振是一種發(fā)生于角動(dòng)量原子核和磁矩系統(tǒng)中的現(xiàn)象，在熱運(yùn)動(dòng)和其它核相互作用下激勵(lì)磁性核可以釋放、吸收能量[13-14]。隨著時(shí)間常數(shù)指數(shù)的衰減是與能量釋放有關(guān)的磁信號(hào)，沿外加磁場(chǎng)方向整個(gè)系統(tǒng)的磁化強(qiáng)度衰減與這些時(shí)間常數(shù)有關(guān)，故本文利用下式表示孔隙水的橫向弛豫時(shí)間t2，即：

式中：V、S代表孔隙的體積和表面積。

經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，水工混凝土的T2譜分布如圖3所示，計(jì)算確定總峰面積和不同特征峰峰面積如表5所示。

表5 特征峰峰面積

圖3 T2譜分布

結(jié)果表明，各組混凝土的第一、第二、第三峰值弛豫時(shí)間相差不大，但各峰值面積具有明顯差異。B、C、D組的第一峰面積較A組依次減小了28.3%、57.5%、55.8%，第二峰面積較A組依次減小了24.3%、54.4%、61.7%，第三峰面積較A組依次減小了9.0%、58.5%、67.6%，總峰面積依次減小了24.8%、53.6%、54.9%。

總體而言，水工混凝土T2譜特征峰總峰面積隨石粉含量的增加不斷減小，石粉含量越高則拌合物中的自由水越少，內(nèi)部孔隙率也就越低[15-16]。

3 結(jié) 論

1）機(jī)制砂水工混凝土保水性、粘聚性和需水量水石粉含量的增加而增大，相應(yīng)的減水劑用量也就越高。

2）適量石粉可以改善混凝土的顆粒級(jí)配、和易性以及密實(shí)度，對(duì)有效控制早期開裂風(fēng)險(xiǎn)具有積極作用，而過高的石粉含量不利于抗裂性能的提升。混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著石粉含量的增加表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，20%石粉含量組的力學(xué)性能最好。

3）隨石粉含量增加混凝土孔隙率逐漸減小，當(dāng)達(dá)到一定值后期改善孔隙結(jié)構(gòu)的作用趨于平穩(wěn)，混凝土抗氯離子滲透性能隨石粉含量的不斷增加先增大后趨于穩(wěn)定。在低強(qiáng)度等級(jí)混凝土配制時(shí)控制機(jī)制砂石粉含量不宜超過20%。