风积砂混凝土基本力学性能及影响机理

2020-11-12李玉根张慧梅刘光秀胡大伟马向荣

建筑材料学报 2020年5期

李玉根, 张慧梅, 刘光秀, 胡大伟, 马向荣

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院, 陕西西安 710054; 2.榆林学院建筑工程学院, 陕西榆林 719000; 3.榆林学院化学与化工学院, 陕西榆林 719000)

砂子是混凝土的主要原材料之一,被誉为“建筑业的小米”.岩石风化颗粒经水流的冲刷、搬运等作用,淤积在河道内形成的天然河砂,颗粒粗大、级配较好[1-2],一直以来是建筑用砂的主要来源.近年来,中国混凝土用量已超过60亿t/a[3],并呈逐年上涨趋势,造成河砂资源逐渐枯竭、价格疯涨及河道环境劣化.为缓解“供需矛盾”,工程界尝试用机制砂、风积砂等配制混凝土,取得了一定成果.风积砂作为一种被风自然搬运、沉积的砂性材料[4-5],开采方便、价格低廉,将是未来混凝土细骨料的主要来源[6-7].

中国是世界上沙漠面积最大的国家之一,有近80.89万km2沙漠面积,约占国土面积的8.43%,主要分布在西北、华北和东北的干旱、半干旱地区[8].陕北地处毛乌素沙漠南缘,地表有丰富的风积砂资源.然而，长期以来人们对风积砂的利用认识不足,建筑用砂需要从外地采购、运输,导致建设成本增加.近年来,国内外学者就风积砂工程适用性开展了初步研究,得到一些有益结论.Zhang等[9]研究表明,用适量风积砂替代普通河砂，可以配制出技术性质满足工程实际需要的混凝土.Khay等[10]成功将撒哈拉沙漠风积砂用于路面建设,拓宽了路用混凝土材料来源.

中国对风积砂混凝土的研究起步较晚,内容主要涉及配合比设计及耐久性等.刘海峰等[11]、董伟等[12]发现,混凝土抗压强度随风积砂掺量的增加经历了“先增大后减小”的过程,这与杨维武等[13]基于正交试验所得用风积砂配制混凝土存在最优配合比的结论一致.李根峰等[14]、薛慧君等[15]发现,掺入适量风积砂粉体可以改善混凝土内部的孔隙结构,延长其使用寿命.

上述成果表明,掺入适量风积砂对于提高混凝土性能有益.但Seif[6]、Al-Harthy等[16]发现,风积砂对于混凝土力学性能仅有削弱作用(亦即强度随风积砂掺量的增大而减小).造成影响差异的主要原因在于,不同的沙漠,即使是同一沙漠的不同区段,颗粒组成、矿物组成等亦相差较大[17].这些差异正是导致混凝土力学性能变化的主要原因.

目前,关于风积砂掺量对混凝土力学性能影响机理的分析有待深入,风积砂混凝土强度预测(强度-龄期)模型较少,考虑砂子细度模数或者比表面积影响的强度模型更是鲜有报道,为本文研究留有广泛空间.

1 试验

1.1 试验材料

试验用河砂为中砂,细度模数为2.3,表观密度为2580kg/m3,吸水率(质量分数,文中涉及的吸水率、水灰比等除特别说明外均为质量分数或者质量比)为0.8%,pH值为7.05.风积砂(混合砂)采自陕西神木大保当及榆阳区城郊天然沙漠地表,细度模数分别为1.6、0.9,表观密度分别为2605、2592kg/m3,pH值分别为7.49、7.41,吸水率分别为1.5%、2.1%.各试验用砂含泥量符合规范要求,级配曲线如图1(a)所示.石子为级配碎石,粒径介于5～20mm,5～10mm 及10～20mm颗粒质量比为3∶7.水泥为内蒙古产草原牌P·O 42.5R普通硅酸盐水泥,表观密度为3145kg/m3,标准稠度用水量28.6%,体积安定性合格,3、28d抗压强度分别为23.5、56.1MPa,抗折强度分别为4.8、9.1MPa.外加剂为赛利雅牌引气剂,有轻微减水效益.

1.2 配合比设计

参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》,用一定质量分数的风积砂(0%、10%、20%、30%、40%、50%、100%)等质量代替河砂，配制强度等级为C40、水灰比为0.45、砂率为0.32的风积砂混凝土,研究风积砂掺量ws对混凝土基本力学性能的影响规律,以揭示影响机理.配合比设计如表1所示,各组试验用砂的级配曲线如图1(b)所示.

图1 试验用砂级配曲线Fig.1 Particle size distributions of sand

表1 风积砂混凝土配合比设计Table 1 Mix proportion of aeolian sand concrete kg/m3

1.3 试验方法

制作尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试件,养护至既定龄期(3、7、14、21、28、35、42d)后,用压力试验机测试其抗压强度,分析混凝土抗压强度(fc)与风积砂掺量ws、砂子细度模数(Mx)及比表面积(Ss)间的关系,确立强度预测模型.对28d龄期试件,用MacroMR12-150H-Ⅰ型核磁共振仪(NMR)测试孔径分布,用CT机切片分析初始损伤,用扫描电子显微镜(SEM)观察界面区结构及水化产物微观形貌,揭示影响机理.

2 结果与讨论

2.1 风积砂混凝土基本力学特性

风积砂混凝土抗压强度与风积砂掺量及养护龄期间的关系如图2所示.由图2可见：混凝土抗压强度随风积砂掺量的增加经历了“先增大后减小”的过程,当掺量为10%～30%时,风积砂混凝土抗压强度均高于普通混凝土(A组);当掺量为20%时,混凝土抗压强度最高,表明风积砂可以作为建筑用砂,适量替代河砂可配置出力学性能优越的混凝土;风积砂混凝土抗压强度增长规律与普通混凝土相似,各试件强度前期增长速率明显快于中后期.

图2 混凝土抗压强度与风积砂掺量及养护龄期间的关系Fig.2 Relation among compressive strength of concrete,aeolian sand content and curing ages

由图2(a)还可以看出：除100%掺量试件外,其他组前7d强度均高于普通混凝土;7d后,普通混凝土强度逐步提高,但28d强度仍低于10%～30%掺量组风积砂混凝土;40%～100%掺量组风积砂混凝土28d强度虽低于普通混凝土,但均满足既定配制强度40MPa;28d后,各组混凝土强度增长趋于稳定.20%掺量风积砂混凝土3d强度较普通混凝土比提高了约15.0%,7d强度提高了约11.0%,28d 强度提高了约8.0%,42d强度提高约6.7%.

风积砂等质量代替河砂,其实质是改变了细骨料的粗细程度(亦即细度模数Mx)及比表面积Ss[18].分析风积砂混凝土抗压强度与砂子细度模数及比表面积间的关系,对实际工程有较大指导意义.混凝土抗压强度与砂子细度模数及比表面积间的关系如图3、4所示.

由图3(b)、图4(b)可见：当水灰比及砂率一定时,混凝土抗压强度随砂子细度模数的增加经历了“先增大后减小”的过程,这与文献[19]所得结论一致;抗压强度与砂子比表面积间呈现出相同的变化>规律;砂子细度模数为2.06、比表面积为59.07cm2/g(亦即风积砂掺量为20%)时,混凝土抗压强度最高;3、7、14、21、28、35、42d强度分别为28.3、42.9、47.9、51.2、55.3、55.7、55.9MPa.风积砂改变混凝土基本力学性能的可能原因在于,其改变了混凝土内部的孔隙分布情况、骨料与浆体间结合裂缝宽度及ITZ结构.

图3 砂子细度模数与风积砂掺量及混凝土强度间的关系Fig.3 Relation among the Mx, ws and fc

图4 砂子比表面积与风积砂掺量及混凝土强度间的关系Fig.4 Relation among the Ss, ws and fc

2.2 风积砂混凝土微(细)观表征

2.2.1孔隙结构

混凝土是典型的多孔介质材料,内部孔隙率及孔径(d)分布范围(物理结构)与力学特性密切相关.吴中伟[20]将混凝土内部的孔隙分为无害孔(d≤20nm)、少害孔(20nm

由图5(a)可见：不同掺量风积砂混凝土T2谱的峰宽、起峰位置、峰的数量及各峰面积占比等有一定差异,但均以第1峰面积占比为主(占比达76%以上);峰随风积砂掺量的增加有右移趋势.按吴中伟[20]的观点,混凝土中无害孔含量最高,约占孔隙总量的一半以上,少害孔含量次之,有害孔最少(见图5(c)).各类孔隙含量随风积砂掺量间呈现出不同的变化规律：无害孔含量随其值的增加“先增大后减小”,多害孔含量则呈反趋势变化;有害孔含量随其值的增大而增大.

图6给出了混凝土抗压强度增量Δfc与孔隙率增量间的关系.由图6不难看出,混凝土强度增量与有害孔隙率增量间有较好的线性关系,相关系数R2=0.913.这较好解释了图5(b)中40%掺量风积砂混凝土总孔隙率大于50%掺量试样,但强度反而高于50%掺量试样的原因.这也表明,混凝土强度是孔隙分布范围、整体孔隙率大小等共同作用的结果.

图5 风积砂混凝土T2谱、孔隙率及孔隙分布Fig.5 Distribution of T2 spectra, pore ratio and classification of concrete pore size

图6 混凝土强度增量与孔隙率增量间的关系Fig.6 Relation between pore ratio and strength increment of concrete

2.2.2ITZ结构及水化产物形貌

混凝土中ITZ的结构形态、水泥水化产物的微观物理结构及孔隙分布等亦对混凝土强度有较大影响.NMR无损检测后,从试样中切割尺寸约为15mm×15mm×5mm的小块,经超声波清洗干净后，用SEM分析浆体与骨料间结合裂缝及ITZ结构,观察水化产物微观形貌,结果如图7所示.

由图7(a)～(c)可见：普通混凝土(风积砂掺量为0%)及100%掺量风积砂混凝土骨料与浆体接触界面间,均存在结合裂缝,100%掺量试样尤为明显,最大缝宽约为2～3μm;20%掺量风积砂试样在同样倍数下未观察到明显的结合裂缝.就界面区结构而言,20%掺量风积砂试样结构最为致密,孔隙细小、孤立,有少量微裂缝,少见连通的大孔隙或大裂缝,没有明显的薄弱区;普通混凝土及100%掺量风积砂混凝土界面区均可看到明显的薄弱区,普通混凝土试样内可见连通的大孔隙及少量收缩微裂缝;100%掺量试样结构最为松散,可观察到明显的大裂缝.混凝土的这种微观界面结构在一定程度上反映了其宏观力学特性.

由图7(d)～(f)可见：不同掺量风积砂混凝土水化产物(MHP)的微观物理形貌亦有较大差异,普通混凝土中可以观察到较多孔隙(孔洞),水化产物或交织成网,或呈片层状分布,密实性较好;20%掺量试样(最优掺量组)中水化产物基本形成一个整体,未观察到明显的裂缝或是孔隙,密实度最好;100%掺量风积砂混凝土中,可以观察到少量片层状结构水化产物及一些较大孔洞或是裂缝,结构松散,整体性差,密实度低.这种微观缺陷程度与混凝土宏观力学特性大小相对应.

图7 风积砂混凝土界面区结构及水化产物SEM微观形貌Fig.7 SEM micrographs of ITZ structure and hydration products of aeolian sand concrete

2.3 风积砂掺量对混凝土力学特性的影响机理

上述结果表明,风积砂掺入后改变了混凝土内部的孔隙结构、ITZ结构及水化产物形貌,进而影响混凝土的宏观力学特性,下面详细说明风积砂掺量对混凝土强度的影响机理.

2.3.1增强机理

不同颗粒级配的砂子对石子有不同的“干涉”(挤开)效应(见图8).适量风积砂能改变混凝土内部孔径分布范围及界面区结构的机理在于：

(1)与河砂比,风积砂粒径细小,适量加入后改善了混凝土骨料级配,使风积砂、河砂及石子间粒径尺寸近似满足Horsfield密实堆积理论,实现了不同粒径颗粒间相互填隙;加之在混凝土振捣成型时风积砂颗粒更易重排、嵌挤而达到最佳密实状态[17],进而提高了集料堆积时所形成的“四角孔”的密实度(图8(a)表示粗骨料间“四角孔”位置,图8(b)、8(c)表示不同类型砂子的填充效应),减小了粗骨料间的孔隙体积.

(2)风积砂较河砂表面浑圆、粒径差异较小,可以发挥“滚珠”效应,降低混凝土成型时浆液与骨料间的摩擦力,减少用于润滑的水分数量,增加浆体的流动性,使浆液更易进入孔隙内部.加之掺入适量风积砂后,细骨料对石子的挤开效应减弱(见图8(d)),骨料间的孔隙体积减小,亦即用于填充孔隙的浆体数量减少,用于包裹骨料的浆液数量增加,从而使水泥石结构的密实度提高.

图8 砂子干涉(挤开)骨料机理示意图Fig.8 Mechanism schematic diagram of sand interference(extrusion) aggregate

(3)混凝土成型时骨料及水分运动方向不同,会在骨料表面产生“微区泌水”效应,尤其是易在骨料下部形成水囊(最终形成孔隙).风积砂粒径细小,比表面积较大,适量掺入后可以减小骨料表面的水分富集量及水膜厚度,使“微区泌水”效应减弱.同时,混凝土振捣时会在骨料,尤其是砂子底部有气泡滞留[21](见图9),砂子粒径越大,滞留越明显.适量风积砂颗粒既可减小气泡滞留数量,又可使滞留的大气泡分散成小气泡(最终形成不连通的小孔隙),从而使混凝土内部无害孔等小孔隙含量增加,ITZ结构改善.图5(c)中20%掺量风积砂混凝土内部孔隙分布范围及图7(b)中ITZ结合裂缝宽度与结构形态很好地证明了这一点.

图9 骨料周围气泡滞留示意图Fig.9 Schematic of bubble retained around the aggregate

2.3.2弱化机理

当掺量过多时,风积砂将变成主要集料.一方面造成集料级配不良甚至是缺失(如100%掺量时几乎不含0.315mm以上颗粒),对粗骨料的“干涉”(挤开)作用甚微(见图8(d)),反而易被挤出形成孔隙[22];或是较集中分布于石子表面附近,使其表面吸附的水分连成更大囊区,“微区泌水”现象加剧,在后期水化过程中形成薄弱结构.另一方面,风积砂比河砂有更大的比表面积及较强的吸水性,掺入过量会使体系中有效水灰比下降,使用于填充孔隙及包裹骨料的浆液变少,从而导致水泥石密实度下降,有害孔含量增大.

为获得混凝土内部真实物理结构,对28d龄期各试样进行CT切片扫描,分析内部初始缺陷(损伤).经用Mimics软件对CT图像进行阈值分割(缺陷阈值范围为-521～800Hu[23]),获得混凝土内部初始缺陷(损伤)分布情况,结果如图10所示(受拍摄精度影响,过小的孔隙及界面区结合裂缝未明显显现出来).

图10 风积砂混凝土CT切片图样Fig.10 CT slice patterns of aeolian sand concrete

由图10可见：各试样在受荷前已存在不同程度的初始损伤(孔隙、裂缝对截面有削弱作用,视为损伤),使有效受荷面积及作用于受荷截面上的应力发生变化,尤其是较大孔隙处极易产生应力集中现象,从而造成力学特性差异.本例中各试样有效受荷面积大小依次为：S20%>S0%>S100%,正好与三者间宏观强度大小相对应.

3 风积砂混凝土抗压强度预测模型

确立混凝土抗压强度与养护龄期间的关系,对工程实践有重要指导意义.ACI committee 209[24]、程多松等[25]、Alhaz Uddin等[26]提出多种考虑龄期增长的混凝土强度模型.其中ACI经验模型(式(1)),具有“(1)fc(0)=0,即曲线经过(0,0)点;(2)一阶导数连续;(3)单调递增,有界”3个显著特征[27],能更好地描述混凝土强度fcu(t)发展规律.对图2(b) 中的数据进行回归分析,发现其与ACI经验模型一致性较好,相关系数R2在0.988以上.

(1)

式中：t为养护龄期,d;a、b为回归系数,a+28b=28;fcu,28为混凝土28d立方体抗压强度,MPa.

进一步分析图2(b)中各曲线回归系数a、b,发现其与风积砂掺量ws间有较好的线性关系,相关系数R2均在0.980以上(见图11).据此,将系数a、b构建为风积砂掺量ws的函数,结果如式(2)所示.将式(2)代入式(1),可得风积沙混凝土强度预测方程(见式(3)).

(2)