不同養護方式對混合砂漿抗凍性能影響研究

欒利強,趙瑞宇,文雙壽,任俊穎,張靜怡

(桂林理工大學 a. 土木與建筑工程學院; b. 廣西壯族自治區北部灣綠色海工材料工程研究中心, 廣西 桂林 541000)

0 引言

現代混凝土種類日漸增多,以適應多樣的使用需要,而在河砂稀缺、逐步尋求細集料合適替代品時,淡化海砂和機制砂成為目前主流的替代選擇。在機制砂和海砂的相關研究中,劉占鰲等[1]認為機制砂中小于0.075 mm的含黏土細粉對混凝土影響較大,實際應用中需要除粉等操作,易產生二次污染;黃亮等[2]在總結海砂混凝土研究現狀時認為,海砂淡化技術已經較為成熟,海砂具有巨大的應用前景,但邰雅婷等[3]在研究許多國家海砂開采應用的歷史后認為,海砂作為一種天然砂過度開采仍將對海洋環境造成較大影響。淡化海砂和機制砂作為細集料單獨應用在混凝土的澆筑時,其存在的問題和潛在的影響也阻礙了完全替代河砂成為細集料的進程[4]。目前混合砂的研究也取得一定的進展,普遍認為通過混合兩種砂石可以緩解河砂資源問題和獲得適合工程應用的建筑用砂,如孫江濤等[5]將尾礦-機制砂混合;羅忠濤等[6]將鉬尾礦砂-河砂混合;王雪艷等[7]將沙漠砂-機制砂混合等。將淡化海砂同機制砂按一定比例制成混合砂具有很大研究前景,但目前研究尚少。

兩者混合能降低淡化海砂中Cl離子在混凝土中的含量,此外也能降低機制砂中石粉在混凝土中的占比,淡化海砂作為天然砂也同樣彌補了機制砂的一些不足[8],混合砂可以有效地解決河砂不足的問題。

在我國大部分季節性凍融地區,建筑、路面以及橋梁通常都會受到季節性凍融循環的影響,進而影響混凝土的其他耐久性。MEHTAL等[9]在對以往50年來混凝土的耐久性研究總結時也認為,凍融破壞是耐久性能研究中的重要內容?？到〉萚10]認為地處大風、干寒、晝夜大溫差、交通不便、施工場地限制等地區, 像蒸汽養護等一些高成本的養護方式并不適用,而在混凝土已經確定配合比及材料組成的基礎上,澆筑完成后的養護階段對混凝土的性能有著重要影響。傳統養護下的混凝土損時、費力、耗能,因此找到一種便于實施,并且可以提高抗凍融性能的養護方式具有重大工程意義。

本文為了更好地分析混合砂作為細集料在混凝土中的作用,排除混凝土中粗骨料的影響,制作砂漿試件,在成型混合砂試件后,選取3種便于實施的養護方式(外養護(YY)、內養護(NY)、內外養護(NYY))和用于對比的標準養護(BZY),采用更接近實際凍融情況的慢凍法進行試驗,以抗壓強度、質量損失率、孔隙率變化等指標,結合凍融循環過程外觀變化和凍融后微觀形貌,對不同養護方式下混合砂砂漿抗凍融性能進行分析。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥為普通硅酸鹽水泥,根據GB/T8074《水泥比表面積測定方法(勃氏法)》、GB/T1346《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》、GB/T7671《水泥膠砂強度檢驗方法》對所用水泥物理性能進行測試,結果見表1。

表1 水泥的物理性能Tab. 1 Physical properties of cement

海砂取自北海市鐵山港區營盤鎮附近經晾曬處理過的淡化海砂,機制砂取自桂林市七星區中信砂場原巖為石灰巖,參照規范GB/T 14684—2011《建筑用砂》砂石性能,如表2和表3。

表2 砂石的基本性能Tab. 2 Basic properties of sand and gravel

表3 混合砂中淡化海砂機制砂占比和細度模數Tab. 3 Proportion and fineness modulus of the desiccated sea sand and mechanism sand in the mixed sand

目前內養護的材料分為飽水輕集料(LWA)及高吸水樹脂(SAP)兩類,本文使用的是吉泰化工有限公司生產的萬級高分子吸水樹脂,顆粒大小為30～50目,對應粒徑0.3～0.6 mm高吸水樹脂(SAP)。外養護劑使用市售的北京家晟建材有限公司生產的高分子乳液養護劑。

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比確定

參照JG/T 98—2010《砌筑砂漿配合比設計規程》中混合砂的配比,依據表2混合砂(比例 4)確定具體砂漿配合比,如表4。

表4 砂漿配合比Tab. 4 Mortar ratio

1.2.2 凍融循環試驗方法

參照JGJ/70—2009《砂漿抗凍性試驗操作規程》,采用慢凍法試驗,試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件,試件制作完成并脫模后及時養護,當采用內養護及內外養護制作試件時需要加入SAP,占水泥比例的0.3%。外養護在脫模后立即涂刷一層養護劑,隔5 min再次涂抹,重復3次。內外養護加入SAP后脫膜時,同樣方法涂刷養護劑,標準養護試件放入標準養護箱中養護。除標準養護外的其他試件,實施養護處理后放置在溫度為20 ℃左右、濕度在50%～60%的室內。

抗凍試驗進行時,試件凍結溫度為-20 ℃,每次凍結時間5 h,凍結結束后取出,立即放入水溫20 ℃的恒溫水槽中進行融化,試件在水中的融化時間≥5 h。融化結束記為1次凍融循環,每隔25次稱量1次質量,重復100次循環后取出,測試抗壓強度損失率和質量損失率。強度測試參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》。采用飽水法測試理論,測試試件凍融前后孔隙率,試驗時使用真空飽水試驗機充滿混凝土孔隙,通過測定混凝土飽水前后的質量變化來計算試件的孔隙率[11]。

2 試驗結果與分析

2.1 凍融循環前后強度變化

圖1(a)為標準養護條件下海砂、機制砂、混合砂試件不同齡期的抗壓強度。由圖1(a)可知:機制砂標準養護(GBZY)和海砂標準養護(HBZY)試件在早期的抗壓強度較低,而混合砂標準養護(MBZY)在早期有較高強度,且強度增長穩定。在28 d齡期時HBZY抗壓強度為三者中最高,GBZY最低。強度損失是體現抗凍宏觀性能表現的重要因素,圖1(b)為100次凍融循環前和循環后的抗壓強度及兩者的強度比,HBZY、MBZY、GBZY強度比分別為0.91、0.95、0.85,混合砂的強度比最高。在力學性能上混合砂試件的強度發育以及凍融循環后的抗壓強度損失高于單一砂類試件。

圖1 凍融循環后標準養護條件下3種試件的抗壓強度及強度比Fig. 1 Compressive strength and strength ratio of three specimens under standard conditions after freeze-thaw cycles

對混合砂試件采取4種養護方式,其早期強度對比單一砂類均較高,如圖2(a)所示。采用外養護的混合砂試件抗壓強度最高,內養護試件抗壓強度最低,內外養護的試件強度接近標準養護的試件?？箟簭姸葥p失用凍融循環前后的強度比來衡量,如圖2(b)MYY、MNY、MBZY、MNYY強度比分別為0.98、0.9、0.95、0.96。MYY的強度比最大,MNYY 和MBZY強度比相當。

圖2 凍融循環后4種養護條件下3種試件的抗壓強度及強度比Fig. 2 Compressive strength and strength ratio of three specimens under four curing conditions after freeze-thaw cycles

2.2 凍融循環前后孔隙率變化

孔隙率測試結果表明GBZY的孔隙率最大,4種養護方式下混合砂試件的初始孔隙率及凍融循環后的孔隙率增加量均低于單一砂類,如圖3所示。在4種養護方式中MYY 和MNYY在凍融循環后的孔隙率分別為16.79%(最大)和15.43%(最小),MNYY孔隙率增加量最少,僅增加0.4%,MYY孔隙率增加最大為2.51%。結合圖2(b)中MYY凍融循環前后都具有較高抗壓強度,抗壓強度損失小的特點,而凍融循環后其孔隙率較大且增加較多,表明MYY具備較好的前期抗凍性,但隨著抗凍次數的累加,其孔隙率會增長較快,進而加快裂縫形成和擴展,將會不利于更高次數的抗凍性能。MNYY在經過凍融循環后孔隙率及孔隙率增加均較小,在一定程度上可以反映凍融循環對其影響較小,抗凍融循環的性能較好。

圖3 凍融循環前后孔隙率變化Fig. 3 Porosity changes before and after freeze-thaw cycles

2.3 凍融循環后質量損失率與試件表觀樣貌變化

隨著凍融循環次數的增加,各試件的質量損失率逐漸增大,凍融循環次數與質量損失率之間的關系如圖4所示。在經過100次凍融循環后,質量損失率均小于1%。觀察圖5凍融循環中試件的表觀樣貌,發現試件的棱角處,隨著凍融次數的增加,出現不同程度的剝落,表面出現一些細微的裂縫,試件的表觀樣貌與凍融循環質量損失率大致可以對應,但直觀感受上試件剝落質量大而實測質量損失率較小,這是由于試件在剝落的同時也在吸水[12-14]。圖4和圖5結合來看,MNY質量損失率較大,且經100次凍融循環后,其外觀已經出現細微裂縫,而GBZY和HBZY在棱角處剝落較為明顯,質量損失率也較大,MBZY、MYY、MNYY則在質量損失率和外觀樣貌均相對較完好。

圖4 凍融循環次數與質量損失率關系Fig. 4 Relationship between number of freeze-thaw cycles and quality loss rate

圖5 凍融循環中試件的表觀樣貌Fig. 5 Apparent appearance of specimens in freeze-thaw cycles

2.4 微觀形貌分析

圖6為采用慢凍法對砂漿試件進行100次凍融循環后,標準養護組掃描電鏡結果。圖6(a)和(b)為HBZY試件SEM圖,其表面較為疏松,內部結構分布較多塊狀結晶體,以六面立方錐體的水化硅酸鈣(C-S-H)為主,并且存在一些長桿狀鈣礬石,存在一些孔隙但裂縫較少。大量六面立方錐體的水化硅酸鈣,具備結構穩定的特點,對抗壓強度有利,這也印證了HBZY在圖1(a)中強度較高的特點。

圖6 標準養護組掃描電鏡圖Fig. 6 Scanning electron micrograph of standard conservation group

圖6(c)和(d)是GBZY試件SEM圖,圖6(c)中表面有許多長桿狀的鈣礬石,圖6(d)看到內部結構中有許多裂縫存在,這些裂縫大多是長10 μm的非貫通裂縫,且沒有規則性,排除存在大量自生裂縫可能,裂縫應為凍融循環過程中產生的裂縫。圖6(e)和(f)為MBZY的微觀內部結構,圖6(e)中有較密實和相對平整的內部結構,無明顯特征晶體,圖6(f)中存在一些小于5 μm的細小裂縫和孔隙,相較于HBZY和GBZY具備內部結構密實平整,裂縫較小的特征。由于混合砂是由海砂和機制砂按一定比例混合均勻而成,機制砂中的石粉可以附著于海砂顆粒表面,使結構更加密實,而海砂作為天然砂,強度較高,圓度較好,能夠黏附更多膠體,從而使膠體結構更加合理,性能也要優于兩種單一砂類制成的膠體試件。

凍融循環后的電鏡掃描結果如圖7所示,其中圖7(a)和(b)為MNY掃描圖,圖7(a)表面結構疏松,存在較多孔隙但無明顯裂縫,凍融循環后并沒有產生裂縫。在圖7(b)中,觀察到一種三維交聯網格結構的高分子內養護材料的SAP,這種結構的周圍,存在許多C-S-H晶體和柱狀鈣礬石。申愛琴等[15]研究發現,加入SAP的內養護可以減少有害孔數量,阻斷混凝土內部連通孔,并且在一定程度上增大微孔隙數量。采用內養護的試件會存在初始微孔隙,在凍融循環過程中,提供了一些釋放水壓力的途徑,從而減少凍融裂縫。SAP的引入也使其周圍的水泥石水化反應更充分,達到有效抑制孔隙周圍裂縫擴展的目的。

圖7 混合砂漿試樣組掃描電鏡圖Fig. 7 Scanning electron microscope image of mixed sand specimen set

在MYY試件的SEM的分析中,圖7(c)表面有大量C-S-H晶體,內部結構十分密實,從圖7(d)可以更細致地觀察到這些C-S-H晶體和一些細小的孔隙,內部結構中較多結構穩定的晶體有利于形成高強度。外養護可以獲得較密實的結構和高強度,但經過凍融循環后,會產生一些細小的孔隙,宏觀表現為孔隙率的提高,也印證了2.2節中的分析。

圖7(e)和(f)是MNYY試件掃描圖,圖7(e)中內部結構比內養護組更加密實,但表面沒有明顯晶體結構,存在少量孔隙,裂縫較少。圖7(f)也更清晰地看到其結構平整,由于表面較少的C-S-H晶體結構,宏觀表現上為抗壓強度低于外養護組試件。結合圖2—圖5宏觀性能的分析,100次凍融循環后MNYY試件組孔隙率較小,抗壓強度、質量損失率較低,凍融后的表觀也相對較完整。認為當采用內外養護兩種養護方式時,在提高抗凍性能的同時,較小的孔隙率增幅在更高次數的凍融循環中穩定性更好。

3 結論

(1)淡化海砂和機制砂制備成混合砂,其細度、級配更加合理,有害成分占比減少?；旌仙俺尚驮嚰W性能較好;在凍融循環后,其在質量、強度損失率、孔隙率的發育都要優于單一砂類的試件。

(2)在混合砂試件4種平行養護方式的試驗中發現,SAP的引入,形成較多的初始微孔隙,內養護可顯著提高試件抗凍融循環性能;由于作用原理同引氣劑類似,采用這種養護方式,試件抗壓強度低于標準養護;采用外養護的混合砂試件,有較高的抗壓強度和密實的結構,但在高次數的凍融循環中抗凍性能會降低。

(3)采用內外養護,初始孔隙率和凍融循環后的孔隙率增加均最小,抗壓強度、質量損失率也較小,且抗壓強度可以達到標準養護的水平。因此混合砂試件采用內外養護方式,便于實施,能夠解決傳統養護方式的局限性問題。