机制砂石粉含量对掺火山灰混凝土性能的影响

2019-11-18鄢佳佳1叶仙松1李毅超松1豹1

材料科学与工程学报 2019年5期

鄢佳佳1，叶仙松1，李毅超，刘松1，常豹1，余军

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉 430040； 2.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430010)

1 前言

火山灰以火山喷发为背景，与熔岩同步产生，集合了熔岩碎屑与粉尘，在水中或地面沉积，更多以松散状态存在，隶属火山灰质矿物微粉[1]。放眼全球，火山灰并不少见，存储规模巨大，主要集中在火山带[2]，尤其在500座以上[3]的活火山中分布更为广泛。对于一些特殊区域，尽管矿渣、粉煤灰等掺合料储量不足，但是鉴于火山的存在，尤其是对于一些早期火山，在不断活动过程中，火山喷发物种类较多，衍生矿物复杂，形成了更具天然性质的火山灰质材料类型。如果混凝土与火山灰相互作用，拌合物和易性得到改善，可抑制碱骨料反应，增强抗硫酸盐的侵蚀性能，同时还能降低水热。如果氢氧化钙与火山灰相结合，生成水化物，会大大提高混凝土的密实度[4-6]。因此，火山灰成为混凝土矿物掺合料的重要组成材料，应用具有广泛性，进入行业时间较长，在公路建设中尤其突出，也对水利建设具有重要作用。

目前天然河沙存储量处于不断减少的趋势，这在一定程度上增加了机制砂的应用机会。但是，机制砂的母岩各不相同，工艺各异，直接决定其粒型，与级配水平关系紧密[7-8]。机制砂的特征是促使其区别于天然砂混凝土的主要原因。在机制砂生产进程中，石粉的产生很难避免，这是导致其与天然砂出现性能不同的主要原因。具体讲，机制砂中的石粉与天然砂中的泥的粒径都小于75μm，但是成分却不一致，粒径分布状况也各自不同，直接影响其使用功能的发挥。

机制砂的性能与机制砂颗粒以及石粉含量有着不可分割的关系。另外，外加剂种类以及掺量也是敏感因素，直接导致机制砂混凝土的泌水现象，诱发粘聚性差的问题。因此，如果能在保证混凝土的工作性能、力学性能及耐久性能的前提下，将火山灰和机制砂同时用于混凝土生产，不但可以大幅度节约工程成本，而且还能保护环境，维持生态平衡。本文以机制砂石粉含量差异为基准，探讨石粉对高性能火山灰混凝土性能的影响。

2 实验

2.1 原材料

试验所用水泥期标号为P.Ⅱ42.5，产自肯尼亚Bamburi Cement公司，性能指标如表1所示。试验所用粉煤灰，产自印度，级别为F-60的Ⅰ级，其性能指标见表2所示。

表1 实验用水泥的性能指标 Table 1 Performance criteria for cement

表2 粉煤灰的性能指标 Table 2 Performance criteria for flyash

火山灰由肯尼亚内马铁路项目部通过磨细肯尼亚火山岩自产所得，其性能指标见表3，其化学成分见表4所示。火山灰的粒径分布见图1，图中左纵坐标表示各粒径火山灰的含量，右纵坐标表示各粒径火山灰的累计含量，扫描电子显微镜照片(SEM)见图2。

表3 火山灰的性能指标Table 3 Performance criteria for volcanic ash

图1 火山灰粒度分布图Fig.1 Particle size distribution of volcanic ash/μm

表4 火山灰的各化学成分重量百分比Table 4 Chemical composition of volcanic ash /wt%

在试验中，机制砂定义为凝灰岩机制砂类型，性能参数见表5，同时，石粉扫描电镜照片见图3。

表5 机制砂的性能指标Table 5 Performance criteria for manufactured sand

2.2 试验方法

在本文的研究中，研究目标设定为C55梁机制砂高性能火山灰混凝土，探讨不同含量石粉对高性能火山灰混凝土工作特性、耐久性的影响。在进行试配的时候，要结合工作性的要求，对砂率及外加剂的含量进行适当调配，以获取更高性能的火山灰混凝土。表6为不同的配合比参数。检测的主要性能如下：

2.2.1混凝土拌合物特性对于拌合物的性能，主要体现在几个方面，即初始坍塌度、扩展度的经时损失以及容重等指标，一般以GB/T 50080-2002《普通混凝土拌和物性能试验方法》为依据进行测试。

图3 砂石粉SEM照片Fig.3 SEM of micro fines

表6 C55梁机制砂火山灰混凝土配合比Table 6 Mix proportion of C55 beam manufactured sand volcanic ash concrete

a：橡胶筒(内径100，外径114～120，高150～170)；b：阳极液；c：阳极板(不锈钢网)；d：试件；e：阴极液；f：阴极板(不锈钢板)；g：有机玻璃支撑；h：试验槽(有机玻璃)图4 RCM-D型全自动非稳态氯离子电迁移试验仪 (a) A RCM-D试验仪系统控制显示器; (B) RCM-D试验示意图Fig.5 RCM-D type automatic non-stationary chlorine ionic migration tester

2.2.2对硬化混凝土特性其中，以力学性能为主。静力受压弹性模量试件尺寸150mm×150mm×300mm，选用试块对应两面安装千分表的方法测其变形。

2.2.3碳化试验采用CCB-70型混凝土碳化试验箱进行试验，碳化试验试件尺寸为100mm×100mm×100mm，成型后在标养条件下养护28d后再进行碳化实验。将试件置于60℃的烘箱，时间持续48h，然后针对其非碳化面进行合理处理，常用的办法是石蜡密封。密封结束之后，置于碳化箱中进行碳化试验。

2.2.4混凝土在氯盐背景下的抗氯离子渗透性能依托电快速氯离子迁移系数法，选用全自动混凝土氯离子扩散系统，测定仪如图4。Cl-扩散系数测试试件尺寸为直径Φ(100±1)mm、高度h(50±2)mm的圆柱体。

3 结果与讨论

3.1 石粉含量对混凝土工作性能的影响

表7为机制砂石粉含量对C55梁火山灰混凝土工作性能的影响。由表中数据可见，一旦石粉含量达到3%，工作性能处于最低值，而7%是最佳性能参数值；其它各组的工作性能也会随机制砂石粉含量的不同而有所差异，但整体上工作性能比L-MS7差，比L-MS3的工作性能要好。

表7 机制砂石粉含量对C55梁火山灰混凝土工作性能的影响Table 7 Effect of the stone dust content in manufactured sand on the workability of C55 beam volcanic ash concrete

出现上述结果的主要原因是：因为石粉对机制砂混凝土工作性影响存在两个相反的作用：一方面，石粉比表面积较小，石粉的存在弥补了机制砂混凝土浆体材料不足的缺陷；同时石粉浆体补了机制砂表面粗糙的缺点，有利于减少机制砂与碎石之间的摩擦，在根本上有效改善了混凝土拌合物的和易性。另外，石粉含量的增加必然引发水量增加，直接降低拌合物流变性能。从本质上讲，石粉的作用大小既受机制砂中石粉含量的影响，受机制砂的含量的影响，同时，也与混凝土拌合物胶凝材料性能关系紧密，尤其是水胶比的影响力更大。石粉的表面积远比机制砂大，因此，石粉的加入必然增强浆体的粘滞性，势必带来拌合物粘聚性的提升。为此，随石粉的加入，会降低混凝土拌合物的坍落度和从而减少机制砂混凝土的泌水现象。

3.2 石粉含量对混凝土力学性能的影响

表8为机制砂石粉含量对火山灰混凝土力学性能的影响，从表8可以发现，机制砂含量与混凝土抗压强度的关系体现为先增大后减小的趋势。一旦机制砂石粉含量达到7%，抗压强度达最大值。另外，对于硬化混凝土，其抗压弹性与机制砂石粉含量的关系体现为先增大后减小的变化趋势。

表8 机制砂石粉含量对C55梁火山灰混凝土力学性能的影响Table 8 Effect of the stone dust content in manufactured sand on the mechanical properties of C55 beam volcanic ash concrete

同时，石粉含量为7%时，抗压弹性也达最大值。在根本上分析，这种情况的出现主要源于微集料填充效应与成核加速水泥水化反应作用，水泥石的密实度得到大幅增强[11-12]，从而有利于提高混凝土的抗压强度。但当石粉含量太高时，会使得混凝土中浆体量增大，反而使混凝土的抗压强度和抗压弹性模量下降。

3.3 石粉含量对混凝土耐久性能的影响

3.3.1碳化分析图5为混凝土碳化试验结果。

在初期，L-MS10的碳化深度处于较小阶段，而L-MS3的碳化深度处于最大时期。在碳化龄期不断加长的过程中，混凝土试块的深度呈现上升趋势，但是，深度却不会一直持续快速增长。究其原因，在龄期不断延长的过程中，混凝土水泥石发生水化反应，空隙率降低，结构密实度增强，在根本上有效避免二氧化碳对混凝土的渗透。另外，在龄期延长的过程中，碳化处于不断增长态势，碳化形成非溶解性钙盐的体积大于反应物体积，会将更多细孔堵塞。在后期龄期增长过程中，碳化增长速度趋缓，在达到28天时，L-MS3的碳化深度最大， L-MS7的最小。所以，从严控制石粉含量，保证级配标准，可使混凝土保持高的密实度水平，避免水化现象发生，增强混凝土致密性[13]，从而提高抗碳化性能。

图5 混凝土碳化深度Fig.5 Concrete carbonation depth

3.3.2氯离子扩散系数由图6可知，表6中的五个配合比成型试件，基于不同龄期的Cl-扩散系数存在差异。随着机制砂石粉含量的升高，各组混凝土试块的氯离子扩散系数呈现先减小后增大的规律，L-MS7的氯离子扩散系数最小，而L-MS3的氯离子扩散系最大。这与上述强度和抗碳化性能呈现出的规律一致。同时，这也充分表明，机制砂中科学合理的石粉含量有利于混凝土结构密实度的增强。石粉在满足混凝土填充作用的同时，还能作为胶凝材料的补充继续进行水化反应，从而使得混凝土中的浆体量增加，促使内部结构密实度增强。为此，一旦机制砂石粉含量处于7%水平，混凝土氯离子扩散系数也出现最小值；但当石粉含量过多时，会变成混凝土中骨料间的惰性填充物，给Cl-的渗透提供了更多的通道，大幅度降低了混凝土的抗渗性。由此可见，7%的石粉含量是加强混凝土抗氯离子扩散性的重要限值。