張慧梅,鄭世航,景盼園,袁 超,李玉根

(1.西安科技大學(xué) a.理學(xué)院;b.建筑與土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710054;2.中國(guó)冶金地質(zhì)總局一局,河北 廊坊 065201;3.榆林學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著中國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,混凝土的使用量不斷上升。然而,建筑用砂的資源供應(yīng)與需求之間的矛盾也日益突出,成為限制基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一個(gè)重要因素[1]。天然細(xì)骨料匱乏問(wèn)題是目前建筑工程領(lǐng)域所面臨的難題,尋找能替代天然細(xì)骨料的資源已經(jīng)成為主流研究課題[2]。此外,荒漠化的持續(xù)擴(kuò)張構(gòu)成了全球性的環(huán)境挑戰(zhàn),荒漠化防治已成為世界性難題[3]。風(fēng)積砂作為沙漠的產(chǎn)物,資源豐富,若能充分利用其資源,不僅能夠緩解天然細(xì)骨料供不應(yīng)求的局面,還可有效改善沙漠化問(wèn)題,滿足可持續(xù)發(fā)展理念[4-6]。

文獻(xiàn)[7-8]驗(yàn)證了風(fēng)積砂作為混凝土細(xì)骨料的可行性。文獻(xiàn)[9-12]認(rèn)為摻入適量的風(fēng)積砂可以改善混凝土的工作性能,隨風(fēng)積砂摻量增加,混凝土抗壓強(qiáng)度先增大后減小,風(fēng)積砂在混凝土中主要起到填充效應(yīng),并且風(fēng)積砂存在最佳替代率。但文獻(xiàn)[13-14]得出,風(fēng)積砂對(duì)于混凝土力學(xué)性能僅有削弱作用(亦即強(qiáng)度隨風(fēng)積砂替代率的增大而減小)。影響規(guī)律存在差異的主要原因在于風(fēng)積砂的產(chǎn)地、成因、物理及化學(xué)特性不同。文獻(xiàn)[15-16]對(duì)風(fēng)積砂混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行的多尺度研究表明,風(fēng)積砂提升混凝強(qiáng)度的原因與其自身粒徑小、吸水率較高等物化特征有關(guān)。

混凝土是一種多相、非均質(zhì)的多孔材料,硬化后的混凝土中會(huì)產(chǎn)生許多大小不等、形狀不同的孔,進(jìn)而影響其強(qiáng)度。文獻(xiàn)[17]研究了孔隙特征對(duì)風(fēng)積砂混凝土強(qiáng)度的影響機(jī)理,得出少害孔與28 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度最高。文獻(xiàn)[18]通過(guò)灰熵關(guān)聯(lián)度分析了風(fēng)積砂混凝土孔隙分布,建立了抗壓強(qiáng)度與孔隙半徑占比的灰色模型。文獻(xiàn)[19]根據(jù)灰熵關(guān)聯(lián)理論建立了風(fēng)積沙混凝土的氣泡參數(shù)和其抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。然而,關(guān)于風(fēng)積砂混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征與強(qiáng)度關(guān)系的現(xiàn)有研究成果較少,特別是考慮到無(wú)害孔占比的變化鮮有報(bào)道。

因此,本文以毛烏素沙漠風(fēng)積砂等質(zhì)量代替河砂制備C40風(fēng)積砂混凝土,通過(guò)掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)測(cè)試砂漿與骨料間的界面過(guò)渡區(qū),利用核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)技術(shù)分析混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征,探究不同替代率風(fēng)積砂混凝土孔隙結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的內(nèi)在關(guān)系,揭示其影響機(jī)理,建立適用于風(fēng)積砂混凝土的雙因素孔結(jié)構(gòu)-強(qiáng)度模型。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究使用密度為3 151 kg/m3的P·O42.5普通硅酸鹽水泥,檢測(cè)其3 d及28 d抗壓強(qiáng)度分別為24.1 MPa和47.3 MPa。粗骨料為直徑5～20 mm的級(jí)配碎石,表觀密度為2 640 kg/m3,堆積密度為1 652 kg/m3,含泥量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。采用Ⅱ級(jí)粉煤灰,比表面積為352 m2/kg,密度為2 150 kg/m3。細(xì)骨料為混合砂,其中河砂為中砂,風(fēng)積砂取自毛烏素沙漠,主要物理性質(zhì)和化學(xué)成分分別如表1和表2所示。水選用普通自來(lái)水。

表1 試驗(yàn)用砂主要物理性質(zhì)

表2 試驗(yàn)用砂主要化學(xué)成分 %

圖1為試驗(yàn)用砂級(jí)配曲線。從表1和圖1可以看出,河砂的含水率較低而含泥量較高,且顆粒級(jí)配良好;風(fēng)積砂表面渾圓,含水率較高而含泥量較低,顆粒粒徑均勻且較小、級(jí)配不良。經(jīng)檢測(cè),風(fēng)積砂中的SiO2及Al2O3均有活性,這使風(fēng)積砂具有更好的催化和吸附性能。相比之下,河砂pH值為7.05,而風(fēng)積砂為7.49,表明風(fēng)積砂呈弱堿性。

1.2 配合比

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》,水膠比為0.42,砂率為0.32,利用一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的風(fēng)積砂等質(zhì)量代替河砂,風(fēng)積砂替代率分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%(分別以ASC-0、ASC-20、ASC-40、ASC-60、ASC-80和ASC-100表示)。配合比設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表3。

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》制備了尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件6組,其中5組用于力學(xué)特性試驗(yàn),1組用于制備核磁共振φ50×100 mm試樣,每組3個(gè)平行試樣。

采用YAW-2000B型微機(jī)控制電液式壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)達(dá)到既定齡期(3 d、7 d、14 d、21 d和28 d)的風(fēng)積砂混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)積砂替代率和養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律;選用德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)的σ300型場(chǎng)發(fā)射SEM,從試件不同位置選取尺寸約為15 mm×15 mm×5 mm的薄片進(jìn)行表面清潔后觀察,揭示風(fēng)積砂替代率對(duì)混凝土界面過(guò)渡區(qū)(interfacial transition zone, ITZ)結(jié)構(gòu)及水化產(chǎn)物形貌的影響機(jī)理。

采用鉆心機(jī)對(duì)28 d齡期試件鉆取φ50×100 mm的芯樣,經(jīng)105 ℃干燥24 h后抽氣、真空飽水24 h后用MacroMR12-150H-Ⅰ型NMR儀進(jìn)行測(cè)試,分析風(fēng)積砂替代率對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔隙率和孔徑分布)的影響規(guī)律。

2 結(jié)果和分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

風(fēng)積砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)積砂替代率、養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線,如圖2所示。

(a) 風(fēng)積砂替代率 (b) 養(yǎng)護(hù)齡期

由圖2a可知,隨著風(fēng)積砂替代率的增加,風(fēng)積砂混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)歷了“先上升后下降”的過(guò)程,在替代率為20%～80%時(shí),風(fēng)積砂混凝土的抗壓強(qiáng)度均高于普通混凝土,替代率為20%時(shí)抗壓強(qiáng)度最高。以替代率為20%的風(fēng)積砂混凝土為例,其28 d抗壓強(qiáng)度較替代率為0%時(shí)增加了8.87%,較替代率為40%時(shí)增加了4.86%,較替代率為60%時(shí)增加了4.42%,較替代率為80%時(shí)增加了9.25%,較替代率為100%時(shí)增加了13.24%。由圖2b可知,當(dāng)替代率一定時(shí),風(fēng)積砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)規(guī)律與普通混凝土相似,各試件抗壓強(qiáng)度前期增長(zhǎng)速率明顯快于中后期。0～7 d時(shí),抗壓強(qiáng)度增加速度隨著替代率的增加依次分別為5.4 MPa/d、6.47 MPa/d、5.84 MPa/d、5.79 MPa/d、5.88 MPa/d和4.90 MPa/d;21～28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度增加速度依次分別為0.13 MPa/d、0.10 MPa/d、0.11 MPa/d、0.08 MPa/d、0.08 MPa/d和0.27 MPa/d。這是由于在混凝土養(yǎng)護(hù)的不同階段,水泥的水化反應(yīng)速率是不一樣的。在養(yǎng)護(hù)前期,水化反應(yīng)發(fā)生迅速,導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)。然而,在養(yǎng)護(hù)后期,水化反應(yīng)逐漸趨于平穩(wěn),導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度減慢。

2.2 微觀形貌分析

為進(jìn)一步分析風(fēng)積砂替代率對(duì)風(fēng)積砂混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響,選取養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的ASC-0、ASC-20、ASC-100的試樣微觀形貌進(jìn)行觀察。圖3為混凝土界面過(guò)渡區(qū)及水化產(chǎn)物的微觀形貌。

由圖3a和圖3d可以看出,ASC-0試樣ITZ密實(shí)度稍差,可見(jiàn)連通的大孔隙及少量收縮微裂縫,其水化產(chǎn)物主要為網(wǎng)狀的水化硅酸鈣(Ca5Si6O16(OH)·4H2O,C—S—H)凝膠,同時(shí)周圍存在許多針棒狀晶體(鈣礬石,6CaO·Al2O3·3SO3·32H2O,AFt),微觀結(jié)構(gòu)較為松散。由圖3b和圖3e可以看出,ASC-20試樣ITZ結(jié)構(gòu)連接更為緊密,有少量的孔隙和微裂縫,沒(méi)有明顯的薄弱區(qū),水化產(chǎn)生的C—S—H能夠形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使得整體結(jié)構(gòu)更加緊密可靠,內(nèi)部氫氧化鈣[Ca(OH)2]晶體較少。由圖3c和圖3f可以看出,ASC-100試樣ITZ結(jié)構(gòu)能發(fā)現(xiàn)明顯的長(zhǎng)裂縫,以及許多小孔隙,密實(shí)度較其他兩組混凝土最為松散,觀察其水化產(chǎn)物形態(tài)可知,其內(nèi)部富集著大量的AFt,且連接較為松散,同時(shí)存在有片狀的Ca(OH)2晶體,其強(qiáng)度較其他產(chǎn)物來(lái)說(shuō)更低,同時(shí)穩(wěn)定性也較差。

(a) ASC-0界面過(guò)渡區(qū) (b) ASC-20界面過(guò)渡區(qū) (c) ASC-100界面過(guò)渡區(qū)

混凝土的這種微觀界面結(jié)構(gòu)在一定程度上反映了其宏觀力學(xué)特性[10]。分析原因可知,風(fēng)積砂的細(xì)小粒徑和較大比表面積能夠適度減少骨料表面的水分富集以及水膜的厚度,使混凝土內(nèi)部的“微區(qū)泌水”效應(yīng)減弱,ITZ結(jié)構(gòu)得到改善。然而,當(dāng)風(fēng)積砂替代率較高時(shí),在相同用水量下,混凝土的拌合物流動(dòng)性會(huì)降低,造成包裹骨料的水泥砂漿不足,孔隙增多,微裂縫出現(xiàn)在界面過(guò)渡區(qū),從而減弱了砂漿與骨料的粘結(jié)作用,進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度下降。

2.3 孔徑分布

混凝土材料是一種多相、多層次的復(fù)合材料,其宏觀性能是由微觀結(jié)構(gòu)決定的[20]。微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、不確定性決定了材料宏觀物理特征的多變性及不規(guī)則性。核磁共振作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù),在表征微觀孔隙方面有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。根據(jù)核磁共振原理[21-23],弛豫時(shí)間和孔隙尺寸成正比,受材料內(nèi)孔隙比表面積影響,假設(shè)孔隙為理想球體,則可將T2圖譜轉(zhuǎn)化為材料孔徑分布[24],如圖4所示。

圖4 風(fēng)積砂混凝土孔徑分布

圖4中孔徑分布曲線表明了各孔徑孔隙占全部孔隙的百分比,百分比越高表示該孔徑孔隙數(shù)量越多,曲線起始位置表示混凝土中存在的最小孔隙孔徑,而曲線最大峰值則表示孔隙中占比最高的孔隙孔徑,即最可幾孔徑。可以看出,混凝土孔徑分布大部分處于0.001～0.1 μm,各曲線由3～4個(gè)峰組成,主要呈現(xiàn)“主次峰”結(jié)構(gòu),第一峰面積占比在85%以上,且第一峰面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他峰。隨著風(fēng)積砂替代率的增加,曲線起始位置先左移動(dòng)后右移,表明材料內(nèi)最小孔徑先減小后增加,第一峰幅值逐漸降低,結(jié)束位置逐漸左移,表明最大孔徑逐漸減小,大孔隙占比不斷減小,說(shuō)明風(fēng)積砂的加入有利于混凝土大孔隙向小孔隙轉(zhuǎn)化,減少混凝土的總孔隙。

2.4 孔隙結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系

混凝土作為多孔材料,其力學(xué)特性受到孔隙尺寸即孔隙結(jié)構(gòu)的影響,且不同尺寸的孔隙對(duì)混凝土力學(xué)特性的影響程度不同。同時(shí),孔隙率是表征多孔材料孔隙結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要指標(biāo),在早期的相關(guān)研究中,混凝土材料的孔隙率是強(qiáng)度模型的唯一因素。根據(jù)文獻(xiàn)[25]對(duì)混凝土內(nèi)孔徑大小的分類標(biāo)準(zhǔn),孔結(jié)構(gòu)可以分為無(wú)害孔(d≤20 nm)、少害孔(20200 nm)。據(jù)此將圖4中的孔徑分布進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),結(jié)合孔隙率,并考慮對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖5所示。

(a) 孔徑分布 (b) 孔隙率

由圖5a與圖5b可以看出,隨風(fēng)積砂替代率的增加,混凝土抗壓強(qiáng)度先增加后減小,無(wú)害孔占比先上升后下降,少害孔占比先下降后上升,有害孔占比逐漸上升,多害孔占比呈波浪式下降,孔隙率與無(wú)害孔隙率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì),在風(fēng)積砂替代率為20%時(shí),孔隙率達(dá)到最小且混凝土抗壓強(qiáng)度最高。分析原因可知,風(fēng)積砂顆粒級(jí)配不良,粒徑較為集中,可以填充粗骨料與河砂之間的孔隙,增強(qiáng)骨料間的密實(shí)度,使混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小,因此當(dāng)風(fēng)積砂替代率發(fā)生變化時(shí),孔隙半徑更集中于無(wú)害孔和少害孔。同時(shí),可以看出無(wú)害孔的占比與混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律具有一致性,孔隙率呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì),在一定程度上表征風(fēng)積砂混凝土的抗壓強(qiáng)度變化,因此可以判斷無(wú)害孔占比與孔隙率是影響混凝土強(qiáng)度發(fā)展的重要因素。

2.5 風(fēng)積砂對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響機(jī)理

材料的微觀結(jié)構(gòu)將決定其宏觀性能,SEM與NMR表征結(jié)果表明,硬化后的混凝土中會(huì)產(chǎn)生許多大小不等、形狀不同的孔,進(jìn)而影響其力學(xué)性能。由圖3可知,在混凝土中摻入少量風(fēng)積砂可以提高抗壓強(qiáng)度,但摻量過(guò)高時(shí),反而不利于混凝土強(qiáng)度發(fā)展。風(fēng)積砂對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響機(jī)理如圖6所示。

圖6 風(fēng)積砂對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響機(jī)理

通過(guò)分析其內(nèi)在原因可知,風(fēng)積砂粒徑較小且表面渾圓,可以發(fā)揮“填隙”和“滾珠”效應(yīng)。適量的風(fēng)積砂的加入,改善了混凝土骨料級(jí)配,使風(fēng)積砂、河砂及石子間粒徑尺寸近似滿足連續(xù)級(jí)配理論,實(shí)現(xiàn)了不同粒徑顆粒間相互填隙;支撐ITZ為結(jié)構(gòu)骨架,細(xì)化孔隙,減少了粗骨料間的孔隙體積,使“微區(qū)泌水”效應(yīng)減弱,ITZ厚度與受荷面初始損傷減小,使混凝土宏觀性能增強(qiáng)。當(dāng)風(fēng)積砂加入過(guò)多時(shí),容易造成體系內(nèi)骨料級(jí)配不良甚至缺失,砂子對(duì)粗骨料的“干涉”作用減弱,形成更多孔隙,同時(shí)會(huì)加劇“邊界”效應(yīng),使混凝土內(nèi)形成更多臨近的水泥松散堆積體及局部高水灰比區(qū)域,增加了孔隙率,降低了界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,進(jìn)而使混凝土力學(xué)性能下降。

3 孔結(jié)構(gòu)-強(qiáng)度模型

通過(guò)對(duì)圖5a與圖5b的分析,混凝土抗壓強(qiáng)度與無(wú)害孔占比和無(wú)害孔隙率之間存在一定的相關(guān)性。具體而言,隨著無(wú)害孔占比的增加,抗壓強(qiáng)度增大,隨著無(wú)害孔隙率的增大,抗壓強(qiáng)度則減小。此外,通過(guò)圖7可以進(jìn)一步觀察風(fēng)積砂混凝土抗壓強(qiáng)度與無(wú)害孔占比和無(wú)害孔隙率之間的關(guān)系,可以看出無(wú)害孔占比和無(wú)害孔隙率與強(qiáng)度發(fā)展均存在一定的相關(guān)性,因此可以在一定程度上描述風(fēng)積砂混凝土的強(qiáng)度變化。

(a) 無(wú)害孔占比 (b) 無(wú)害孔隙率

通常采用單因素表征混凝土的宏觀強(qiáng)度變化,但基于上述研究,本文嘗試建立C40風(fēng)積砂混凝土無(wú)害孔占比和無(wú)害孔隙率雙因素的孔結(jié)構(gòu)-強(qiáng)度模型,假設(shè)孔結(jié)構(gòu)-強(qiáng)度關(guān)系表達(dá)式為:

fc=α+β1ph+β2nh,

其中:fc為抗壓強(qiáng)度,MPa;ph為混凝土的無(wú)害孔占比,%;nh為混凝土的無(wú)害孔隙率,%;α,β1,β2為回歸參數(shù)。

通過(guò)回歸分析,得到孔結(jié)構(gòu)-強(qiáng)度關(guān)系表達(dá)式參數(shù),如表4所示。

表4 多元回歸系數(shù)

經(jīng)計(jì)算,抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之間一致性較好,表明該模型具有足夠的精度,具體結(jié)果如圖8所示。因此,認(rèn)為無(wú)害孔占比與無(wú)害孔隙率在一定條件下可以較好地預(yù)測(cè)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖8 模型預(yù)測(cè)與試驗(yàn)值對(duì)比

4 結(jié)論

(1)隨風(fēng)積砂替代率的增加,抗壓強(qiáng)度先增大后減小,隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加,強(qiáng)度增長(zhǎng)速率先快后慢,最優(yōu)風(fēng)積砂替代率為20%。

(2)隨風(fēng)積砂替代率的增加,曲線起始位置先左移后右,孔隙率與無(wú)害孔占比先減后增,微觀結(jié)構(gòu)先緊密后松散,促使了大孔隙向小孔隙轉(zhuǎn)化。

(3)風(fēng)積砂增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的機(jī)理在于適量的風(fēng)積砂改善了界面區(qū)結(jié)構(gòu)及混凝土內(nèi)部的孔徑分布,細(xì)化孔隙,使受荷面初始損傷減小,混凝土宏觀性能增強(qiáng)。

(4)建立了以無(wú)害孔占比和無(wú)害孔隙率表征混凝土的抗壓強(qiáng)度的孔結(jié)構(gòu)-強(qiáng)度模型,能很好地預(yù)測(cè)C40風(fēng)積砂混凝土強(qiáng)度。