王旭昊,王亞坤,余海洋,李 程,高新民,李 林

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,西安 710064;2.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心(甘肅省公路交通建設(shè)集團(tuán)有限公司),蘭州 730030;3.甘肅路橋第三公路工程有限責(zé)任公司,蘭州 730050)

砂作為混凝土的細(xì)骨料,可占到混凝土體積的20%～40%。近些年來,由于天然砂資源的逐漸枯竭,導(dǎo)致天然砂供不應(yīng)求,價(jià)格不斷上漲,同時(shí)品質(zhì)也不斷下降,含泥量普遍呈上升趨勢(shì),超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求[1-2]。機(jī)制砂是以巖石、尾礦等為原材料,由制砂機(jī)逐級(jí)粉碎再進(jìn)行水洗或者風(fēng)選而來。機(jī)制砂表面粗糙,棱角性大,在制造過程中必然會(huì)產(chǎn)生石粉。石粉在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)[3]中明確被定義為機(jī)制砂中粒徑小于0.075 mm的顆粒,且石粉及級(jí)配等都對(duì)機(jī)制砂混凝土的早期性能有著顯著影響[4-6]。

文獻(xiàn)[7]提出用粉料質(zhì)量指數(shù)PQI(powder quality index)來劃分機(jī)制砂等級(jí)綜合技術(shù)指標(biāo),這一新概念突破了現(xiàn)行國(guó)標(biāo)機(jī)制砂石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不能高于10%的限制。對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為C30和C40的混凝土,在保持其他因素不變的情況下,石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))低于10%時(shí),混凝土的坍落度與拓展度都會(huì)隨著石粉含量的增加而增加。而當(dāng)石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超過10%時(shí),其坍落度與拓展度又會(huì)隨著石粉含量的增高而降低[8]。石粉的加入有正反兩個(gè)方面的作用,一方面石粉的摻入可以與膠凝材料相互填充,填補(bǔ)了顆粒間的空隙,加大了水泥漿體中自由水的含量,促使混凝土的流動(dòng)性能增強(qiáng)[9]。另一方面,石粉的比表面積較大,石粉含量的增大使得需水量急劇增加,從而流動(dòng)性降低。隨著石粉含量的增加,混凝土拌合物的黏聚性逐步改善,坍落度有所提高,離析泌水現(xiàn)象得到顯著的改善[10]。對(duì)于機(jī)制砂的級(jí)配不良的特點(diǎn),除了可以在機(jī)制砂內(nèi)混摻天然砂外,還可以提高砂率和合理利用機(jī)制砂中的石粉來改善機(jī)制砂混凝土的工作性[11]。一般來說,當(dāng)機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)控制在2.8～3.2之間時(shí),混凝土的工作性較好。

對(duì)用機(jī)制砂與天然砂拌制的混凝土進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,完全使用機(jī)制砂的混凝土的抗壓強(qiáng)度增幅最大,機(jī)制砂與天然砂質(zhì)量比為1∶1混摻的混凝土次之,而完全使用天然砂的混凝土抗壓強(qiáng)度最小[12]。上述研究成果表明機(jī)制砂完全可以取代天然砂,但試驗(yàn)中使用的機(jī)制砂與天然砂的級(jí)配相近,實(shí)際工程中較難做到。

目前,石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土性能影響的研究仍不完善,而且大部分研究都局限于石灰?guī)r、花崗巖等機(jī)制砂,對(duì)凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的系統(tǒng)研究較少。本文在配制C45機(jī)制砂混凝土的基礎(chǔ)上,研究凝灰?guī)r石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和天然砂摻配比例(質(zhì)量比例)對(duì)其工作性能、力學(xué)性能、耐久性能、變形性能等方面的影響,對(duì)凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土早期性能有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),提高了機(jī)制砂混凝土在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上的應(yīng)用水平。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥,采用C類粉煤灰,采用最小篩孔尺寸為0.075 mm的一套標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)凝灰?guī)r機(jī)制砂進(jìn)行逐級(jí)篩分從而得到凝灰?guī)r石粉,3種細(xì)粉的化學(xué)成分見表1。使用Beckman Coulter N5型超細(xì)粒度分析儀測(cè)得以上3種細(xì)粉的粒度分布,如圖1所示。粗集料采用凝灰?guī)r礦山破碎碎石,按粒徑大小可分為4.75～9.5 mm、9.5～16 mm、16～19 mm、19～31.5 mm四檔料,摻配質(zhì)量比例為2∶2.5∶2.5∶3。細(xì)集料包括天然河砂(natural sand)和機(jī)制砂(manufactured sand)兩種,后續(xù)分別簡(jiǎn)稱為NS和MS,其中機(jī)制砂為凝灰?guī)r機(jī)制砂,兩種細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)及級(jí)配分別見表2,天然砂細(xì)度模數(shù)為2.75,機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.93,級(jí)配曲線如圖2所示?；瘜W(xué)外加劑采用高性能聚羧酸減水劑,拌和用水采用自來水。

圖1 3種細(xì)粉的累計(jì)通過率

圖2 細(xì)集料級(jí)配曲線

表1 水泥、粉煤灰及凝灰?guī)r石粉化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)采用的凝灰?guī)r機(jī)制砂初始石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為5%,將篩取獲得的凝灰?guī)r石粉等質(zhì)量取代凝灰?guī)r機(jī)制砂,從而制備不同石粉含量的機(jī)制砂,進(jìn)而研究機(jī)制砂摻配比例和石粉含量對(duì)凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的影響,并確定了試驗(yàn)配合比,如表3所示?；炷劣绊懸蛩刂蠱S-100%、MS-70%、MS-35%,分別表示機(jī)制砂質(zhì)量比例為100%、70%、35%;FC-7%、FC-10%分別表示石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為7%、10%;NS為天然砂混凝土。(注:MS-100%即等同于FC-5%)。

表3 水泥混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)[13]中規(guī)定的坍落度法測(cè)試混凝土拌合物的工作性。

混凝土抗壓強(qiáng)度參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020),采用的試件為標(biāo)準(zhǔn)尺寸,即長(zhǎng)寬高均為150 mm的立方體試塊,一組3個(gè)試件。測(cè)試齡期包括7 d和28 d。

混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)方法參照美國(guó)ASSHTO TP119規(guī)定進(jìn)行,試件尺寸為直徑150 mm、高度300 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件,測(cè)試齡期為28 d(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下)。所用儀器為瑞士生產(chǎn)的Proceq Resipod混凝土電阻率測(cè)試儀,該儀器以Wenner四電極檢測(cè)電阻率原理為基礎(chǔ),測(cè)試時(shí)試件處于飽和面干狀態(tài),Wenner電極接觸圓柱體試件表面指定位置,可快速獲取電阻率數(shù)據(jù)。試驗(yàn)儀器和測(cè)試過程如圖3所示。

圖3 電阻率測(cè)試儀及測(cè)試過程

混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[14]進(jìn)行,采用試驗(yàn)設(shè)備為NELD-VS830型混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī),采用的試件為標(biāo)準(zhǔn)尺寸,即長(zhǎng)寬高均為100 mm的立方體試塊,一組3個(gè)試件,分別測(cè)試在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸鈉溶液浸泡30 d和60 d后的抗壓強(qiáng)度,再與同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析。

混凝土的收縮變形試驗(yàn)參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)進(jìn)行,采用的試件為標(biāo)準(zhǔn)尺寸,即長(zhǎng)×寬×高為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試塊,一組3個(gè)試件。為了拆模方便及試驗(yàn)更精確,試驗(yàn)?zāi)＞卟捎娩撃?兩端預(yù)埋測(cè)頭,待混凝土成型1 d后拆模,等試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)2 d后,再移入與鋼環(huán)約束試驗(yàn)相同的環(huán)境之中,目的是與該試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和聯(lián)系,測(cè)其1、3、7、14、28、60、90 d的長(zhǎng)度,并計(jì)算干縮率。

鋼環(huán)約束試驗(yàn)被證明可有效地用于評(píng)估混凝土的早期開裂潛力。在本研究中,根據(jù)ASTM C1581(2008b)的規(guī)定,通過約束環(huán)試驗(yàn)確定了收縮誘發(fā)開裂的可能性。澆筑混凝土后立即接上數(shù)據(jù)采集器,并且24 h內(nèi)蓋上濕抹布進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù),之后拆掉外環(huán),再在混凝土環(huán)的上表面涂上石蠟密封,保證其只能從外周表面進(jìn)行干燥。數(shù)據(jù)采集儀按照需要設(shè)置為每隔10 min記錄一次應(yīng)變,直到被測(cè)混凝土圓環(huán)開裂或達(dá)到28 d齡期。試驗(yàn)?zāi)＞咧袖摥h(huán)直徑為330 mm,鋼環(huán)厚度為12.5 mm,外環(huán)的直徑為406 mm,高度為150 mm,試驗(yàn)環(huán)境要求是溫度(23 ℃±2 ℃),相對(duì)濕度(50%±4%),試驗(yàn)?zāi)＞吆蜏y(cè)試過程如圖4、5所示。

圖4 ASTM 1581中模具示意圖

圖5 鋼環(huán)約束試驗(yàn)過程

2 混凝土性能分析

2.1 混凝土工作性能

機(jī)制砂摻配比例和石粉含量對(duì)混凝土工作性能包括黏聚性、保水性及流動(dòng)性的影響見表4,對(duì)坍落度的影響如圖6所示。隨著機(jī)制砂質(zhì)量的提高,坍落度逐漸減小,這主要因?yàn)闄C(jī)制砂顆粒形狀不規(guī)則,比表面積較天然砂大,所需的水泥漿體也更多,這就間接導(dǎo)致包裹粗骨料的漿體含量不足,從而在整體上表現(xiàn)為坍落度下降,工作性降低。并且機(jī)制砂和天然砂混摻,機(jī)制砂顆粒表面粗糙且多棱角,與表面光滑、顆粒圓潤(rùn)的河砂相比,水泥漿體的內(nèi)摩阻力更大,降低了漿體對(duì)粗骨料的潤(rùn)滑作用。將天然砂和機(jī)制砂混摻,可以有效彌補(bǔ)機(jī)制砂多棱角顆粒形狀對(duì)工作性帶來的不利影響,使其更加符合使用要求。

圖6 機(jī)制砂摻配比例與石粉含量對(duì)混凝土坍落度的影響

表4 機(jī)制砂摻配比例與石粉含量對(duì)混凝土工作性能的影響

同時(shí)對(duì)比圖6中MS-100%與FC組可發(fā)現(xiàn),石粉含量的提高,同樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土的坍落度逐漸減小。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是石粉的比表面積遠(yuǎn)大于機(jī)制砂,而過量的石粉會(huì)提高材料的總比表面積,加大了漿體的需水量;同時(shí)在混凝土用水量不變的情況下,會(huì)導(dǎo)致新拌混凝土的坍落度降低,致使混凝土泵送性能及工作性能變差。

2.2 混凝土力學(xué)性能

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

機(jī)制砂摻配比例和石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖7所示。當(dāng)機(jī)制砂質(zhì)量摻配比例從100%減小到0時(shí),7 d抗壓強(qiáng)度減少了14.9%,28 d抗壓強(qiáng)度減少了10.1%。隨著機(jī)制砂摻配比例的減小,混凝土7、28 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低。凝灰?guī)r機(jī)制砂顆粒形狀不規(guī)則,棱角性大,從而顆粒之間的咬合力更大,并且外貌特征較天然河砂更粗糙,與水泥漿體有著更好的膠結(jié)能力。這也從實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果中證明了用機(jī)制砂所配制的混凝土比天然砂混凝土強(qiáng)度更高。

石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度的影響有利有弊。益處在于石粉的填充作用[15-16]改善了集料與水泥漿體的界面過渡區(qū),晶核作用[17-18]促進(jìn)硅酸三鈣和鋁酸三鈣早期水化,有效提高了強(qiáng)度;而弊端在于隨著石粉的過量增加,破壞了骨料的最緊密堆積[19],使得混凝土強(qiáng)度降低。由圖7可知,石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從5%增加到7%,甚至到10%的過程中,強(qiáng)度呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。其對(duì)機(jī)制砂混凝土的7、28 d立方體抗壓強(qiáng)度變化影響規(guī)律基本一致。且當(dāng)石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不大于7%時(shí),機(jī)制砂混凝土各個(gè)齡期抗壓強(qiáng)度均大于天然砂混凝土。這是由于與天然砂相比,機(jī)制砂棱角性大、表面粗糙,機(jī)制砂集料間的咬合作用以及水泥與細(xì)集料間黏結(jié)強(qiáng)度更大,而且由表2可知,機(jī)制砂的壓碎指標(biāo)低于天然砂,因而當(dāng)石粉適量時(shí),機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度更大。

2.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

機(jī)制砂摻配比例和石粉含量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖8所示。隨著機(jī)制砂質(zhì)量的增多,機(jī)制砂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度也在增大。這是因?yàn)檫m量凝灰?guī)r石粉能夠完善機(jī)制砂混凝土中的集料級(jí)配,促使水泥漿體含量的增加,從而提高了混凝土的保水性;混凝土中原有的自由水含量得以下降,粗集料表面的泌水概率也會(huì)隨之降低。文獻(xiàn)[20]采用掃描電鏡觀察機(jī)制砂混凝土的界面過渡區(qū)(ITZ),發(fā)現(xiàn)NS的ITZ有更多的孔洞,為氫氧化鈣(CH)和鈣礬石(AFm和AFt)的生長(zhǎng)提供了空間。而MS含有的石粉起到了填料的作用,MS的ITZ密度明顯大于NS的ITZ密度,石粉改善了ITZ,導(dǎo)致混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度有所提高。

圖8 機(jī)制砂摻配比例與石粉含量對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的影響

凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度在前期先提高后降低,在石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5%時(shí)達(dá)到峰值,而上述討論中機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的峰值也在石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5%時(shí)出現(xiàn),說明石粉對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響作用與對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響作用類似。這是因?yàn)樗嗍c集料間的黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度影響較大,雖然石粉含量的增加改變了混凝土的集粉比,破壞了混凝土的結(jié)構(gòu),但石粉改善了ITZ,由石粉含量的增加引起的黏結(jié)強(qiáng)度的提高仍大于強(qiáng)度負(fù)效應(yīng),因而劈裂抗拉強(qiáng)度不斷提高。然而過多的石粉將導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土微觀結(jié)構(gòu)變差,對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生衰弱作用,混凝土結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞,劈裂抗拉強(qiáng)度下降。

2.3 混凝土耐久性能

2.3.1 抗?jié)B性能

混凝土的電阻率反應(yīng)了混凝土單位長(zhǎng)度阻礙電流通過的能力,可用于表征混凝土的結(jié)構(gòu)與性能?；炷帘碛^電阻率與快速氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果有很好的相關(guān)性[21-22]。AASHTO TP119規(guī)定的氯離子滲透能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),電阻率小于95 Ω·m時(shí),氯離子滲透等級(jí)為高;電阻率為85～165 Ω·m時(shí),氯離子滲透等級(jí)為中等;電阻率為165～290 Ω·m時(shí),氯離子滲透等級(jí)為低;電阻率為290～1 990 Ω·m時(shí),氯離子滲透等級(jí)為非常低;電阻率大于1 990 Ω·m時(shí),氯離子滲透等級(jí)可忽略不計(jì)。將28 d所測(cè)得的電阻率數(shù)據(jù)與AASHTO TP119規(guī)定的氯離子滲透能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)相對(duì)比,評(píng)價(jià)混凝土的抗氯離子滲透性能。

機(jī)制砂摻配比例和石粉含量對(duì)混凝土電阻率的影響如圖9所示。其28 d電阻率隨著石粉含量的增加逐漸降低,石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5%的混凝土氯離子滲透等級(jí)為“非常低”,其他石粉含量的機(jī)制砂混凝土氯離子滲透能力等級(jí)均為“低”,說明隨著石粉含量的增加,機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能逐漸減小。這表明適量石粉可填充水泥與漿體之間的空隙,提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度,而過量石粉導(dǎo)致混凝土體系粉體過多,級(jí)配變差,進(jìn)而密實(shí)度降低。由圖9中28 d電阻率數(shù)據(jù)可知,石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不大于10%時(shí),機(jī)制砂混凝土的抗氯離子滲透性能大于天然砂混凝土,這是因?yàn)檫m量的石粉含量填充了體系孔隙,提高了機(jī)制砂混凝土的密實(shí)度。

圖9 機(jī)制砂摻配比例與石粉含量對(duì)28 d混凝土電阻率的影響

隨著機(jī)制砂摻配比例的減小,電阻率在逐漸減小,這表明石粉含量的減少導(dǎo)致混凝土的密實(shí)度降低。不過總體來說,混合砂混凝土的密實(shí)度幾乎都大于純天然砂混凝土。MS-70%有較大的電阻率,說明這個(gè)摻配比例具有更好的優(yōu)勢(shì)。

2.3.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

機(jī)制砂混凝土抗硫酸鹽侵蝕的評(píng)價(jià)指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)Kf和質(zhì)量損失率M,計(jì)算公式如式(1)和式(2)所示。設(shè)計(jì)抗硫酸鹽等級(jí)為KS60,即檢查強(qiáng)度所需干濕循環(huán)次數(shù)分別為30和60。

抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)為

(1)

式中:Kf為混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù);fcn為某侵蝕齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度(侵蝕浸泡30 d和60 d);fc0為一組同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對(duì)比試件的抗壓強(qiáng)度。

質(zhì)量損失率為

(2)

式中:M為混凝土質(zhì)量損失率;mT為某侵蝕齡期混凝土的質(zhì)量(侵蝕浸泡30 d和60 d);m0為侵蝕前混凝土的質(zhì)量。

機(jī)制砂摻配比例和石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)的影響如圖10所示。從圖中可明顯看出除了NS這一配比外,其余抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)均大于75%,表明皆具有良好的抗硫酸鹽侵蝕性能,滿足KS60抗硫酸鹽等級(jí)設(shè)計(jì)要求。當(dāng)混凝土浸泡30 d時(shí),隨著機(jī)制砂質(zhì)量的減少,抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)升高,抗硫酸鹽侵蝕性能越好;而當(dāng)侵蝕齡期為60 d時(shí),耐蝕系數(shù)卻隨著機(jī)制砂質(zhì)量的減少而降低,這是因?yàn)闄C(jī)制砂中自帶的石粉在后期可有效填充混凝土的內(nèi)部孔隙,使其密實(shí)度更高,強(qiáng)度自然損失也慢。圖中可以明顯地看出,MS-35%隨著齡期的增長(zhǎng)強(qiáng)度損失最大,達(dá)到了19.63%,這表明在侵蝕后期,石粉的有利作用更凸顯,對(duì)混凝土后期的抗硫酸鹽侵蝕性能很重要。而當(dāng)天然砂與機(jī)制砂質(zhì)量比例為3∶7時(shí),齡期的增大也很難使耐蝕系數(shù)下降,在整個(gè)侵蝕過程中表現(xiàn)得很穩(wěn)定?？傮w來看,全機(jī)制砂混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能大于全天然砂混凝土。從整個(gè)侵蝕過程來看,混凝土整體表現(xiàn)為隨著石粉含量的增加,抗壓耐蝕系數(shù)在減小,且60 d與30 d之間抗壓耐蝕系數(shù)的差值都很接近,FC-5%、FC-7%、FC-10%的差值分別為8.82%、3.2%、4.01%,這是因?yàn)榍秩牖炷羶?nèi)部孔隙的硫酸鹽能與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2作用生成硫酸鈣(CaSO4·2H2O),CaSO4·2H2O可再與水泥水化產(chǎn)物中的水化鋁酸鈣(4CaO·Al2O3·12H2O)反應(yīng)生成高硫型水化硫鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O),俗稱鈣礬石(AFt)。這種反應(yīng)所生成的鈣礬石是一種針狀晶體,觀察其化學(xué)式(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)可發(fā)現(xiàn)其結(jié)合了大量的結(jié)晶水,并且這種晶體結(jié)構(gòu)難溶于水,體積卻是水化鋁酸鈣的2.5倍左右,由于晶體是在原有的水化鋁酸鈣表面生成,所以這部分區(qū)域體積明顯增大,導(dǎo)致試塊膨脹開裂[23],抗壓強(qiáng)度隨之降低。試驗(yàn)結(jié)果表明凝灰?guī)r石粉能在一定程度上促進(jìn)Ca(OH)2的早期結(jié)晶。

圖10 機(jī)制砂摻配比例與石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)的影響

圖11 機(jī)制砂摻配比例與石粉含量對(duì)混凝土質(zhì)量損失率的影響

3 開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 干縮性能

機(jī)制砂摻配比例和石粉含量對(duì)混凝土干縮性的影響如圖12所示。從圖中可看出早期的干縮率差距并不大,MS-100%的混凝土的早期收縮值比MS-70%和MS-35%的值要大,這說明摻加天然砂能一定程度上減少機(jī)制砂混凝土的收縮。當(dāng)石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于7%時(shí),隨著石粉含量的增加,混凝土的干縮值逐漸增大。而當(dāng)凝灰?guī)r石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于7%時(shí),石粉的增多反而會(huì)促使收縮值緩慢減小。這是因?yàn)樵缙谑湛s值中也有一部分來自于自收縮。從上一小節(jié)可知凝灰?guī)r石粉能在一定程度上促進(jìn)水泥的早期水化,因而有更多的水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣的產(chǎn)生,同時(shí)石粉也可與水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2以及4CaO·Al2O3·12H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成碳鋁酸鈣晶體,促使收縮變形進(jìn)一步增大[25]。該效應(yīng)在石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于7%和早齡期的時(shí)候比較強(qiáng)勢(shì),石粉含量越高,該效應(yīng)越明顯;隨后,隨著凝灰?guī)r石粉含量的增多,齡期的增加,機(jī)制砂混凝土干縮變形開始出現(xiàn)緩慢的下降趨勢(shì),這主要是由于水泥漿體中的空隙被較多的石粉有效填充,對(duì)機(jī)制砂混凝土的收縮變形產(chǎn)生了限制。

3.2 開裂風(fēng)險(xiǎn)量化

鋼環(huán)約束試驗(yàn)被認(rèn)為是現(xiàn)有試驗(yàn)方法中少有的可實(shí)現(xiàn)開裂風(fēng)險(xiǎn)量化的試驗(yàn)測(cè)試方法[21,26-28],目前針對(duì)測(cè)試方法本身已取得了不錯(cuò)的研究進(jìn)展[22,29-31]。此種試驗(yàn)方法可用于對(duì)水泥、摻合料、外加劑等原材料進(jìn)行優(yōu)選,以及對(duì)混凝土抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2.1 ASTM 1581分析處理方法

美國(guó)ASTM 1581規(guī)定的開裂潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表5所示,記錄時(shí)間對(duì)應(yīng)的應(yīng)變和初始應(yīng)變的差值與這個(gè)記錄時(shí)間大致上是一個(gè)函數(shù)關(guān)系,可以擬合出一條直線,然后再按照式(3)和式(4)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合表5可進(jìn)行潛在開裂風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)。

表5 鋼環(huán)約束試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(3)

式中:εnet為記錄時(shí)間鋼環(huán)中的應(yīng)變與初始應(yīng)變的差值;a為應(yīng)變速率因子,是擬合直線的斜率;t為記錄的時(shí)間,d;k為回歸常數(shù)。

(4)

式中:q為每個(gè)試件的平均應(yīng)力速率,MPa/d;G為2.2 GPa;|αavg|為每個(gè)試件的平均應(yīng)變速率因子的絕對(duì)值;tcr為開裂時(shí)經(jīng)過的時(shí)間,d。

經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器28 d的不間斷采集,最終收集并整理得到內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變隨著時(shí)間的變化趨勢(shì),如圖13所示。由圖13可知除了環(huán)MS-35%和環(huán)MS-70%沒裂之外,其余全部在28 d之內(nèi)均發(fā)生開裂,開裂天數(shù)不一。最終整理計(jì)算得到的結(jié)果見表6。

圖13 內(nèi)鋼環(huán)應(yīng)變隨齡期變化趨勢(shì)

表6 管式開裂數(shù)據(jù)計(jì)算表

應(yīng)力速率隨著石粉含量的增加而逐漸增大,MS、MS-7%和MS-10%的應(yīng)力速率分別為0.19 MPa/d、0.26 MPa/d和0.29 MPa/d,表明石粉含量的增多對(duì)機(jī)制砂混凝土的抗裂性能危害極大。這是因?yàn)槟規(guī)r石粉量的增多,會(huì)有效提升機(jī)制砂混凝土中的漿體含量,促進(jìn)了混凝土的收縮,這是負(fù)效應(yīng);而另一方面,凝灰?guī)r石粉隨著含量的增加,在混凝土中的微集料填充作用愈發(fā)顯著,從而會(huì)有更好的抗裂性能,這是正效應(yīng)。很顯然,從試驗(yàn)結(jié)果看出負(fù)效應(yīng)隨著石粉含量的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于正效應(yīng)。當(dāng)機(jī)制砂和天然砂混合拌制混凝土?xí)r,即兩個(gè)圓環(huán)在28 d之內(nèi)都沒有發(fā)生開裂,且應(yīng)變速率均較小,可以看出機(jī)制砂與天然砂在相互彌補(bǔ)自己的級(jí)配缺陷,且石粉的正效應(yīng)作用更加明顯。

相同條件下的天然砂混凝土比機(jī)制砂混凝土更容易開裂,其應(yīng)力速率達(dá)到最大值0.40 MPa/d,主要原因在于機(jī)制砂顆粒相比河砂粒形更尖銳,與水泥石具有更大的黏結(jié)力。且機(jī)制砂中的凝灰?guī)r石粉起到一定的填充作用,能夠有效提高混凝土的致密性,使得其早期抗裂效果更好。

3.2.2 應(yīng)力開裂系數(shù)θCR

圓環(huán)試件在平面上處于軸對(duì)稱,故內(nèi)部應(yīng)力的變化與角度無關(guān),只與半徑的大小有關(guān)。Weiss等[32]提出了用內(nèi)鋼環(huán)的應(yīng)變值來定量計(jì)算混凝土的環(huán)向拉應(yīng)力值,Wang等[33]在混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的基礎(chǔ)上對(duì)此方法進(jìn)行了改進(jìn)。通過觀測(cè)鋼環(huán)內(nèi)側(cè)的應(yīng)變值,應(yīng)用式(5)即可計(jì)算得出混凝土圓環(huán)的環(huán)向最大拉應(yīng)力值。

(5)

式中:σmax(t)為時(shí)刻t內(nèi)鋼環(huán)收縮壓應(yīng)變;εsteel(t)為時(shí)刻t內(nèi)應(yīng)變差值;Es為內(nèi)鋼環(huán)彈性模量,約為200 GPa;RIC為混凝土圓環(huán)內(nèi)徑,mm;ROC為混凝土圓環(huán)外徑,mm;RIS為鋼環(huán)內(nèi)徑,mm;v為混凝土泊松比,取0.2。

開裂潛力還可以用應(yīng)力開裂系數(shù)θCR來表征,即機(jī)制砂混凝土環(huán)的環(huán)向最大拉應(yīng)力σmax(t)與同齡期混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度fts(t)的比值,如式(6)所示,以此對(duì)機(jī)制砂混凝土抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。應(yīng)力開裂系數(shù)θCR越大,即數(shù)值越接近1,機(jī)制砂混凝土就越有開裂的可能性。

(6)

對(duì)劈拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)是根據(jù)圖8中1、7、28 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分析,運(yùn)用的線性方程樣式為fts(t)=Alnt+B,其中t為經(jīng)歷的時(shí)間(單位為d),A、B為求得的常數(shù),運(yùn)用此式可大致得到混凝土劈拉強(qiáng)度隨齡期t增長(zhǎng)而連續(xù)變化的數(shù)值。

將求得的機(jī)制砂混凝土圓環(huán)的環(huán)向最大拉應(yīng)力σmax(t)和劈拉強(qiáng)度fts(t)代入式(6),得到不同影響因素下的混凝土圓環(huán)應(yīng)力開裂系數(shù)θCR,如圖14所示。

從圖14中可以看出,全天然砂的應(yīng)力開裂系數(shù)在前期最大,表明它在前期的開裂可能性也就最大,結(jié)合表6和試驗(yàn)的實(shí)際情況,也可以得到論證。且MS-35%的混凝土圓環(huán)隨著齡期的增長(zhǎng),其應(yīng)力開裂系數(shù)一直居高不下,且在28 d之內(nèi)還沒有發(fā)生開裂,可能是這種情況下的混凝土抗拉強(qiáng)度比較大,一直維持著環(huán)向最大拉應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度的狀態(tài),當(dāng)然這也與混凝土成型時(shí)裝料的均勻度等有關(guān)。石粉含量的影響都是隨著石粉的增多,應(yīng)力開裂系數(shù)在增長(zhǎng),混凝土開裂的可能性就會(huì)更大,這也與表6中的各項(xiàng)應(yīng)力速率相匹配?？偟膩碚f,全天然砂混凝土在早期的開裂潛力最大,應(yīng)當(dāng)適量摻加機(jī)制砂改善混凝土的開裂狀況。

4 結(jié) 論

從工作性能、力學(xué)性能、抗?jié)B性能及抗硫酸鹽侵蝕耐久性能對(duì)凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土進(jìn)行了系統(tǒng)研究,采用鋼環(huán)約束試驗(yàn),以平均應(yīng)力速率和應(yīng)力開裂系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)對(duì)比同環(huán)境下的干縮率,提出了石粉含量和細(xì)集料摻配類型對(duì)凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土抗裂性能的影響。具體得出如下結(jié)論:

1)石粉具有填充作用,可以改變混凝土的結(jié)構(gòu);石粉具有晶核作用,可以促進(jìn)Ca(OH)2早期結(jié)晶。適量的石粉能夠提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度,提高混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性能,限制收縮變形;過量的石粉改變了集粉比,破壞了混凝土的結(jié)構(gòu),過多的漿體含量引發(fā)收縮變形的增大。

2)對(duì)于全機(jī)制砂混凝土,石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在5%時(shí)其工作性和強(qiáng)度最佳,隨著石粉含量的增加,抗硫酸鹽侵蝕性能、抗?jié)B性能逐漸降低,且干縮和開裂的可能性增大,應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制凝灰?guī)r石粉含量的限值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜大于7%)。

3)全機(jī)制砂混凝土雖然在工作性方面不如全天然砂混凝土,但在強(qiáng)度、抗?jié)B性能、抗硫酸鹽侵蝕性能和抗裂性能上均更優(yōu)異,這也說明了用凝灰?guī)r機(jī)制砂去取代天然砂能取得更好的效益。

4)為了降低凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)當(dāng)摻入30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的天然砂與凝灰?guī)r機(jī)制砂混合使用,此時(shí)凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土綜合性能最好。