鄒海發(fā)

（甘肅省第五建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741000）

0 引言

西北地區(qū)自然環(huán)境普遍惡劣，混凝土結(jié)構(gòu)工程常處于凍融循環(huán)、離子侵蝕的威脅之中。而混凝土作為人造建筑材料，其內(nèi)部具有較多孔隙，這些孔隙的存在為外部離子侵蝕混凝土提供了條件。但是，混凝土內(nèi)部孔隙并非一成不變，而是根據(jù)材料的不同、配合比的不同而存在差異。此外，隨著天然砂的限制開采，機(jī)制砂必然替代天然砂成為混凝土原材料，然而機(jī)制砂存在諸多不足，例如級配差、石粉中含有較多黏土等，這使得混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響極大。因此，國內(nèi)外學(xué)者通過不同手段對混凝土孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量室內(nèi)試驗研究。Maage等［1］利用壓汞試驗研究了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)與抗凍性的關(guān)系；張士萍等［2］探究了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)對抗凍性的影響，結(jié)果表明，混凝土孔隙結(jié)構(gòu)對抗凍性影響極大；Nakamura 等［3］定量研究了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)與抗凍性的關(guān)系；Chen 等［4］研究了噴射混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律；Promentilla等［5］研究了凍融損傷下對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響；Kim等［6］研究了高溫作用下水泥基材料孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。然而，對于依托于實(shí)際工程，進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)后混凝土的孔結(jié)構(gòu)研究還沒有學(xué)者涉及。本研究以實(shí)際工程項目為例，在工程墻體澆筑機(jī)制砂混凝土?xí)r，制備不同石粉含量（3%、5%、8%及10%）的機(jī)制砂混凝土，并與工程同條件養(yǎng)護(hù)至設(shè)計齡期后，通過抗折強(qiáng)度試驗、氣孔結(jié)構(gòu)分析儀及核磁共振試驗（NMR），分析機(jī)制砂中石粉含量不同時混凝土孔結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而為機(jī)制砂在西北地區(qū)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 原材料

本項目所用的水泥為天水天祥水泥集團(tuán)生產(chǎn)的P.O42.5水泥，其性能指標(biāo)見表1。粗骨料為花崗巖碎石。細(xì)骨料為花崗巖機(jī)制砂，其物理指標(biāo)見表2。本項目部分模板支架如圖1所示。

圖1 本項目模板支架實(shí)際搭設(shè)簡圖

表1 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo)

1.2 配合比

設(shè)計機(jī)制砂中石粉含量為3%、5%、8% 及10%，具體配合比設(shè)計見表3。

表3 配合比設(shè)計

1.3 試驗方法

制作100 mm×100 mm×400 mm 的長方體試件，與工程混凝土同條件養(yǎng)護(hù)7 d、28 d 及56 d 時參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕T 50081—2002），利用微機(jī)控制試驗機(jī)進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗。同時，利用氣孔結(jié)構(gòu)分析儀與核磁共振試驗（NMR）對不同石粉摻量下的機(jī)制砂混凝土進(jìn)行孔隙分布研究。

2 結(jié)果分析

2.1 抗折強(qiáng)度

以實(shí)際工程為依托進(jìn)行機(jī)制砂混凝土研究時，首先對不同石粉含量下的機(jī)制砂混凝土抗折強(qiáng)度進(jìn)行試驗分析，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 混凝土抗折強(qiáng)度

由圖2可知，機(jī)制砂中石粉含量不同時，混凝土抗折強(qiáng)度存在較大差異。同條件養(yǎng)護(hù)7 d 時，試件S1、S2、S3及S4組混凝土抗折強(qiáng)度分別為7.45 MPa、7.89 MPa、8.32 MPa 及7.98 MPa；養(yǎng)護(hù)28 d 時，S1、S2、S3 及S4 組混凝土抗折強(qiáng)度分別為9.28 MPa、9.86 MPa、10.54 MPa 及9.99 MPa；養(yǎng)護(hù)56 d 時，S1、S2、S3 及S4 組混凝土抗折強(qiáng)度分別為10.23 MPa、10.54 MPa、11.01 MPa 及10.68 MPa。由此可知，當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量小于8%時，隨著石粉含量的增大，混凝土抗折強(qiáng)度呈持續(xù)增大趨勢；當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量大于8%后，隨著石粉含量的增大，混凝土抗折強(qiáng)度呈降低趨勢；當(dāng)石粉含量為8%時，混凝土抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。分析其原因，主要是由于石粉具有一定的活性，可充當(dāng)小部分膠凝材料，其水化反應(yīng)產(chǎn)物可以填充部分內(nèi)部孔隙。此外，石粉顆粒較細(xì)，可以填充在粒徑大于0.075 mm 的顆粒之間，減少了部分骨料空隙，彌補(bǔ)了粗細(xì)混合料之間的級配不足。因此，機(jī)制砂中石粉含量在8%以下時，隨著石粉含量的增大，混凝土抗折強(qiáng)度提高。但是當(dāng)石粉含量大于8%時，過多的石粉吸收了水泥水化所需的自由水分，降低了水化硅酸鈣凝膠含量，影響了骨料之間的黏結(jié)性能，從而降低了混凝土抗折強(qiáng)度。而當(dāng)石粉含量為8%時，粗細(xì)混合料級配達(dá)到了最佳狀態(tài)，孔隙填充與石粉對水分的吸收達(dá)到了最佳臨界狀態(tài)，因此，當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量為8%時，混凝土抗折強(qiáng)度達(dá)到了最大值。

2.2 孔隙直徑

混凝土內(nèi)部孔隙尺寸大小對混凝土性能影響極大。因此，利用氣孔結(jié)構(gòu)分析儀對機(jī)制砂中石粉含量不同時的混凝土進(jìn)行孔隙尺寸分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 混凝土孔隙尺寸

由圖3 可知，機(jī)制砂中石粉含量不同時，混凝土孔隙尺寸及孔隙率均不同。其中，當(dāng)石粉含量為3%時（S1 組），混凝土內(nèi)部孔隙尺寸主要分布在100～1 500 μm 之間，直徑為300～1 000 μm 之間的孔隙總體占比較大，而直徑小于100 μm 的占比為0；當(dāng)石粉含量為5%時（S2 組），混凝土孔隙尺寸主要分布在100～1 200μm 之間，同時，存在尺寸小于100μm 孔隙，且相比于S1組混凝土，總體孔隙占比較?。划?dāng)石粉含量為8%時（S3 組），混凝土尺寸分布較S1與S2組并無差異，但是總體孔隙占比較?。划?dāng)石粉含量為10%時（S4 組），尺寸在300～700 μm之間的孔隙占比較大，且總體孔隙率較大。由此可知，混凝土內(nèi)部孔隙尺寸隨著機(jī)制砂中石粉含量的變化敏感度變化，且孔隙變化規(guī)律與抗折強(qiáng)度變化規(guī)律相似。因此，當(dāng)內(nèi)部孔隙尺寸較大，且總體孔隙率較大時，混凝土抗折強(qiáng)度較小。主要是因為混凝土內(nèi)部孔隙較小時，漿體與骨料黏結(jié)較好，且內(nèi)部較為密實(shí)，很大程度上增大了混凝土力學(xué)性能。此外，混凝土孔隙尺寸試驗結(jié)果驗證如下：機(jī)制砂中石粉含量較低時，粗細(xì)混合料孔隙無法得到充分填充；而當(dāng)石粉含量較大時，因石粉對自由水分的吸收以及劣化了粗細(xì)混合料級配，使得混凝土內(nèi)部孔隙率增大。

2.3 T2圖譜

利用混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀對混凝土內(nèi)部孔隙變化進(jìn)行分析，存在一定的不足，因此為充分、系統(tǒng)研究機(jī)制砂中石粉含量不同時混凝土內(nèi)部孔隙變化規(guī)律，需要利用核磁共振試驗（NMR）再次分析不同組混凝土內(nèi)部孔隙變化規(guī)律。具體試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 混凝土孔隙弛豫時間

在進(jìn)行核磁共振試驗時，試塊內(nèi)部孔隙中水分子弛豫時間的大小間接反映了試塊孔隙尺寸，信號強(qiáng)度則可反映出不同尺寸規(guī)格孔隙率的大小。圖4中四組混凝土弛豫時間（T2）曲線均出現(xiàn)3 個明顯的極大值，意味著混凝土孔隙分布在3 個極大值對應(yīng)的弛豫時間區(qū)間內(nèi)。其中，S1組、S2組及S4組混凝土每個極大值對應(yīng)的弛豫時間基本相同，即表示三組混凝土孔隙尺寸分布情況相似。但是，三組試件在不同弛豫時間時的幅度大小存在一定的差異，即表示在相同尺寸下，機(jī)制砂中石粉含量不同時，混凝土孔隙數(shù)量不同。然而，相較于其他三組混凝土，S3 組混凝土弛豫時間較小，即表示混凝土內(nèi)部孔隙尺寸較小；并且曲線極大值幅度較小，即表示混凝土內(nèi)部孔隙率較小。結(jié)合核磁共振與氣孔結(jié)構(gòu)分析試驗結(jié)果可看出，無論是三維孔隙分析還是二維孔隙分析，結(jié)果均表明機(jī)制砂中石粉含量為8%時混凝土內(nèi)部孔隙尺寸較小，且孔隙率較小。因此，以實(shí)際項目作為參照，在甘肅省利用當(dāng)?shù)鼗◢弾r機(jī)制砂制備房建用混凝土?xí)r，機(jī)制砂中石粉含量宜控制在8%左右，當(dāng)石粉含量較小時，混凝土內(nèi)部孔隙率、孔隙尺寸較大，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)抵抗外界腐蝕性物質(zhì)侵入的能力，且需要降低水膠比或增大水泥用量來改善混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能；當(dāng)石粉含量較大時，因石粉中存在一定量的黏土，其對減水劑存在一定的吸附性，降低了可用減水劑占比，同時，當(dāng)石粉含量較大時，混凝土內(nèi)部孔隙率、孔隙尺寸較大，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)服役年限。

3 結(jié)論

①機(jī)制砂中石粉含量不同時，混凝土抗折強(qiáng)度存在較大差異。其中，當(dāng)石粉含量小于8%時，隨著石粉含量的增大，混凝土抗折強(qiáng)度增大；當(dāng)石粉含量大于8%時，隨著石粉含量的增大，混凝土抗折強(qiáng)度降低；而當(dāng)石粉含量為8%時，混凝土抗折強(qiáng)度達(dá)到最佳值。

②當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量小于8%時，混凝土內(nèi)部孔隙率、孔隙尺寸隨著石粉含量的增大而降低；當(dāng)石粉含量大于8%時，則相反；當(dāng)石粉含量為8%時，混凝土孔隙率與孔隙尺寸均達(dá)到了最小值。

③以實(shí)際工程項目為例，利用甘肅省本地花崗巖機(jī)制砂制備房建用混凝土?xí)r機(jī)制砂中石粉含量宜控制在8%左右。