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      機(jī)制砂的亞甲藍(lán)(MB)值對水工混凝土碳化性能的影響分析

      2022-02-05 07:31:32
      黑龍江水利科技 2022年11期
      關(guān)鍵詞:石粉水工減水劑

      張 亮

      (遼寧省綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 綏中 125205)

      砂是配制水工混凝土的重要原材料之一,其體積占比通常達(dá)到30%以上,砂的性能在一定程度上決定了水工混凝土的質(zhì)量[1-3]。近年來,隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)以及水利工程建設(shè)數(shù)量的增多,河砂尤其是優(yōu)質(zhì)河砂短缺問題日趨嚴(yán)峻,市場價格不斷上升,機(jī)制砂逐漸替代河砂成為重要來源[4]。相較于天然河砂,機(jī)制砂存在明顯差異,如顆粒表面粗糙、棱角偏多、含有一定數(shù)量的石粉(粒徑75μm以下)等,特別是機(jī)制砂水工混凝土受石粉含量的影響較大。亞甲藍(lán)(MB)值是應(yīng)用機(jī)制砂和判定石粉顆粒吸附性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),用于衡量石粉中的黏土質(zhì)物質(zhì)含量。為合理控制機(jī)制砂MB值,工程中通常選用水洗措施,既造成水資源的浪費(fèi),還會帶來一定的環(huán)境污染[5]。

      針對機(jī)制砂石粉含量,中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)利用MB值給出了明確規(guī)定,許多學(xué)者也開展了深入研究,有學(xué)者等提出砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣與機(jī)制砂MB值的大小密切相關(guān)[6];李盤升等[7]認(rèn)為混凝土的早期收縮和開裂受MB值的影響較大,尤其是MB值超過1.35時更加顯著;王稷良等[8]研究發(fā)現(xiàn)混凝土抗鹽凍剝蝕性能隨MB值的增加逐漸下降,對低強(qiáng)度混凝土的劣化作用更加明顯。然而,現(xiàn)有研究較少考慮水工混凝土碳化性能受機(jī)制砂MB值的影響。

      混凝土碳化是指空氣、水中的CO2與內(nèi)部的CO2發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng),自然條件下生成碳酸鹽,內(nèi)部堿度下降,故也稱為中性反應(yīng),反應(yīng)方程:Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。碳化破壞了鋼筋表面與堿性物質(zhì)氫氧化鈣生成的鈍化膜,碳化大于保護(hù)層厚時就會完全喪失防護(hù)功能,即在不利條件下引起鋼筋銹蝕破壞[9]。文章通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了水工混凝土談話性能、彈性模量、抗壓強(qiáng)度、減水劑摻量受機(jī)制砂MB值的影響,并利用孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)揭示MB值的作用機(jī)理,以期為MB值的合理設(shè)定和機(jī)制砂的推廣應(yīng)用提供一定借鑒。

      1 材料與方法

      1.1 試驗(yàn)材料

      試驗(yàn)選用的材料如下:

      1)石灰石機(jī)制砂:松散堆積孔隙率40%,松散堆積密度1620kg/m3,表觀密度2700kg/m3,最大單級壓碎指標(biāo)16.6%,需水比105%,細(xì)度模數(shù)2.90,石粉含量10.0%。

      2)石灰石石粉:7d活性指數(shù)75%,需水比98%,含水量0.42%,密度2650kg/m3,比表面積460m2/kg,流動比105%,使用前過0.075mm篩。

      3)黏土泥粉:其液塑限、塑限和液限指數(shù)依次為17%、20%、38%,使用前過0.075篩。

      4)花崗巖碎石:按3:5:2的比例混合20~30mm級配、10~20mm級配、5~10mm級配碎石,混合后的壓碎指標(biāo)8.1%,針片狀含量0.5%。

      5)天瑞P·O 42.5級通用硅酸鹽水泥:3d、28d抗壓強(qiáng)度32.8MPa和57.2MPa,初凝、終凝時間為160min和250min,比表面積328m2/kg,標(biāo)稠用水量27.5%。

      6)綏中電廠F類Ⅱ級粉煤灰:28d活性指數(shù)76%,細(xì)度15.1%。

      1.2 試驗(yàn)方法

      依據(jù)物理力學(xué)性能和耐久性能現(xiàn)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),測試水工混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和碳化深度。

      對于砂漿孔結(jié)構(gòu)的測試,將養(yǎng)護(hù)28d的砂漿破碎取出內(nèi)核,設(shè)定真空干燥箱溫度105℃,把砂漿內(nèi)核烘干24h后自然冷卻,然后利用全自動壓汞儀測試砂漿孔結(jié)構(gòu),揭示各組試樣的內(nèi)部特征。

      1.3 試驗(yàn)方案

      本試驗(yàn)利用外加泥粉的方式調(diào)整所需要的MB值,通過復(fù)合添加粒徑0.075mm以下的泥粉和石粉控制來機(jī)制砂MB值,從而探討水工混凝土碳化性能受機(jī)制砂MB值的影W響,機(jī)制砂水工混凝土試驗(yàn)配合比,見表1。

      表1 機(jī)制砂水工混凝土試驗(yàn)配合比

      2 結(jié)果與分析

      2.1 對外加劑摻量的影響

      通過調(diào)整減水劑摻量控制拌合物坍落度處于180~220mm之間,不同MB值的減水劑摻量,見圖1。從圖1可以看出,C30水工混凝土減水劑摻量隨機(jī)制砂MB值的增大表現(xiàn)出上升趨勢,MB值處于0.3~0.9之間時減水劑摻量上升幅度相對緩慢,MB值>1.2后減水劑摻量呈明顯上升趨勢。究其原因,機(jī)制砂MB值就是通過測試細(xì)小泥粉和石粉顆粒吸附亞甲藍(lán)量的多少,來判定其吸附性能,MB值越大則機(jī)制砂的吸附性越強(qiáng)。水工混凝土配制過程中選用MB值較大的機(jī)制砂,摻入減水劑后則機(jī)制砂中吸附性較強(qiáng)的細(xì)小顆粒會優(yōu)先吸附減水劑,減水劑被膠凝材料吸附的概率減小,從而使得部分減水劑失去其應(yīng)有的效應(yīng),所以減水劑摻量隨著機(jī)制砂MB值的增大呈現(xiàn)出上升趨勢。此外,隨機(jī)制砂MB值變化C40水工混凝土減水劑變化規(guī)律與C30保持一致。

      圖1 不同MB值的減水劑摻量

      2.2 對力學(xué)性能的影響

      研究分析水工混凝土力學(xué)性能受機(jī)制砂MB值的影響,不同MB值的水工混凝土力學(xué)性能,見圖2。從圖2(a)可以看出,隨機(jī)制砂MB值的增加C30水工混凝土抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先緩慢增大后快速減小的變化趨勢,機(jī)制砂MB值為0.3、0.6、0.9時56d抗壓強(qiáng)度依次為46.1MPa、46.6MPa、47.8MPa,較MB值0.3時上升了1.1%和3.7%;機(jī)制砂MB值為1.2、1.5、1.8、2.1時56d抗壓強(qiáng)度分別為46.7MPa、45.5MPa、45.0MPa、43.4MPa,較MB值0.9時下降了2.3%、4.8%、5.9%、9.2%。深入分析引起該變化規(guī)律的原因,抗壓強(qiáng)度較低時因混凝土中的砂漿較少而機(jī)制砂顆粒比表面積相對較大,從而增大了拌合物的泌水性,泌水時產(chǎn)生的自由水富集在骨料表面,使得漿體與骨料的結(jié)合力減小,抗壓強(qiáng)度也隨之下降,在機(jī)制砂MB值較大情況下,因泥粉具有較強(qiáng)的吸附性使得混凝土保水性明顯增強(qiáng),拌合物泌水性減小,界面過渡區(qū)有效改善,有利于混凝土強(qiáng)度的提升。另外,泥粉的吸水作用會抑制水泥水化,其吸水變軟后還會在硬化漿體內(nèi)形成缺陷,對混凝土強(qiáng)度造成不利影響。綜上分析,上述兩方面因素均會影響水工混凝土強(qiáng)度,對于MB值較小的機(jī)制砂有利因素發(fā)揮主導(dǎo)作用,隨著MB值的增大混凝土強(qiáng)度有所提升,但MB值>1.2時不利因素發(fā)揮主導(dǎo)作用,此時隨著MB值的增大混凝土強(qiáng)度逐漸減小。

      (a)56d抗壓強(qiáng)度

      從圖2(b)可以看出,隨機(jī)制砂MB值的增大C30水工混凝土彈性模量表現(xiàn)出快速減小趨勢,究其原因可能是混凝土內(nèi)部的泥粉吸附大量自由水,使得濕度明顯下降,增大內(nèi)部微裂縫的形成概率,并且泥粉吸水后呈多孔隙疏松狀,致使硬化后形成缺陷,這兩種因素的共同作用使得彈性模量明顯下降。

      隨機(jī)制砂MB值的增大C40水工混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量變化規(guī)律與C30基本相同,但MB值較大時抗壓強(qiáng)度減小幅度不明顯,表明水膠比較低、膠凝材料用量較高時,泥粉對減弱混凝土強(qiáng)度的不利影響降低。此外,對于強(qiáng)度等級較高的水工混凝土其彈性模量仍然受泥粉量增加的負(fù)面效應(yīng)影響較大[10]。

      2.3 對碳化性能的影響

      研究分析水工混凝土碳化性能受機(jī)制砂MB值的影響,不同MB值的水工混凝土碳化深,見圖3。從圖3(a)可以看出,水工混凝土碳化深度隨機(jī)制砂MB值的增大而變深,抗碳化性能逐漸減弱,在MB值<0.9時碳化變深的幅度較緩,MB值>1.2時碳化變深的幅度明顯增大。機(jī)制砂MB值為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8、2.1時28d齡期碳化深度依次為6.8mm、6.6mm、7.0mm、7.3mm、7.7mm、8.0mm、8.6mm,較MB值0.3時分別增大了-2.9、2.9%、7.4%、13.2%、17.6%、26.5%。深入分析引起該變化規(guī)律的原因,較低MB值情況下,泥粉吸附拌合物中的自由水達(dá)到了保水作用,降低了新拌混凝土泌水性,使得漿體與骨料之間的界面過渡區(qū)明顯改善,對于弱化混凝土抗碳化性能MB值的作用效應(yīng)不明顯;較高M(jìn)B值情況下,泥粉吸附大量的自由水抑制了水泥水化,從而使得內(nèi)部微裂縫明顯增多,多孔疏松狀的泥粉形成內(nèi)部缺陷,這些不利影響嚴(yán)重降低了混凝土的抗碳化性能[11]。

      (b)C30混凝土 (b)C40混凝土

      從圖3(b)可以看出,C40水工混凝土碳化性能受機(jī)制砂MB值的影響規(guī)律與C30基本相同,即碳化深度均隨著機(jī)制砂MB值的增大而變深,在MB值<0.9時碳化變深的幅度較緩,MB值>1.2時碳化變深的幅度明顯增大。C40水工混凝土相對于C30強(qiáng)度等級的碳化深度明顯減小,以MB值1.2為例,C40水工混凝土3d、7d、14d、28d碳化深度依次為2.5mm、3.4mm、4.3mm、5.4mm,較C30強(qiáng)度等級3.4mm、4.6mm、5.5mm、7.0mm減小了26.5%、26.1%、21.8%、22.9。究其原因,水工混凝土密實(shí)度隨著水膠比的減小、膠凝材料用量的提高而增大,其抗碳化性能也隨之明顯增強(qiáng)。

      2.4 對孔隙結(jié)構(gòu)的影響

      試驗(yàn)選用0.3、0.9、1.5、2.1四種不同MB值的機(jī)制砂配制砂漿,將表1中的C40水工混凝土粗骨料去掉后即為砂漿配合比,研究分析孔結(jié)構(gòu)受機(jī)制砂MB值的影響機(jī)理,砂漿孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù),見表2。

      由表2可知,MB值越高則砂漿的孔隙率和平均孔徑越大,機(jī)制砂MB值為0.9、1.5、2.1時砂漿孔隙率依次為18.15%、18.34%、19.78%,較MB值0.3時依次增大了8.6%、9.8%、18.4%;機(jī)制砂MB值為0.9、1.5、2.1時砂漿平均孔徑依次為14.5mm、14.8mm、16.0mm,較MB值0.3時依次增大了20.8%、23.3%、33.3%;此外,砂漿孔結(jié)構(gòu)的孔徑分布還會受機(jī)制砂MB值變化的影響,漿體中100~200nm無害孔和≥200有害孔所占比例隨著機(jī)制砂MB值的增大而增多,而漿體中<20mm無害孔和20~100mm過渡孔所占比例隨機(jī)制砂MB值的增大逐漸減小,究其原因是機(jī)制砂中的泥粉劣化了漿體孔結(jié)構(gòu),內(nèi)部孔隙明顯增多,這也是隨MB值的增大水工混凝土抗碳化性能變差的原因之一[12-13]。

      表2 砂漿孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

      3 結(jié) 論

      1)水工混凝土減水劑摻量隨機(jī)制砂MB值的增大表現(xiàn)出上升趨勢,MB值處于0.3~0.9之間時摻量上升幅度較緩,而MB值>1.2后減水劑摻量呈明顯上升趨勢。

      2)隨機(jī)制砂MB值的增大水工混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先緩慢增大后快速減小的變化趨勢,其彈性模量則表現(xiàn)出快速減小趨勢,碳化深度也不斷加深,并且MB值處于0.3~0.9之間時碳化變深幅度較緩,而MB值>1.2后碳化變深幅度明顯增大。

      3)MB值越高則砂漿的孔隙率和平均孔徑越大,究其原因是機(jī)制砂中的泥粉劣化了漿體孔結(jié)構(gòu),內(nèi)部孔隙明顯增多,這也是隨MB值的增大水工混凝土抗碳化性能變差的原因之一。

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