摻花崗巖石粉的管樁高強(qiáng)混凝土微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能研究

黃曉燕

(福州市交通建設(shè)集團(tuán)有限公司,福州 350002)

0 引 言

先張法預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁[1]是一種重要的基礎(chǔ)類型，已被廣泛應(yīng)用于高層建筑、碼頭港口、道路橋梁等工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)中。管樁高強(qiáng)混凝土所采用的摻合料主要為磨細(xì)砂(天然河砂經(jīng)磨細(xì)后生產(chǎn)而成)，這是因?yàn)樵谡魤吼B(yǎng)護(hù)條件下磨細(xì)砂中的SiO2能與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成托勃莫來石，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密[2]。磨細(xì)砂的生產(chǎn)不僅需要消耗大量的人力、物力和財(cái)力，而且還需要消耗大量的天然砂，但天然砂的資源是有限的，長期大量采挖會破壞生態(tài)[3-4]。因此，尋找一種獲取方便且價格低廉的材料代替磨細(xì)砂制備管樁高強(qiáng)混凝土是非常有必要的。

長期以來，花崗巖被廣泛用于建筑物的內(nèi)外裝飾和基礎(chǔ)砌筑工程之中，但花崗巖的開采、加工過程會產(chǎn)生大量的花崗巖石粉。這些花崗巖石粉被當(dāng)作廢棄物隨意堆放，在大風(fēng)天氣，花崗巖石粉四處飄散，這不僅會嚴(yán)重污染環(huán)境還會導(dǎo)致大量土地資源被占用。因此，對花崗巖石粉的合理利用，不僅可保護(hù)環(huán)境還能產(chǎn)生較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

花崗巖石粉與磨細(xì)砂一樣含有豐富的二氧化硅[5]，而且花崗巖石粉細(xì)度較大，無需進(jìn)行二次研磨即可以直接制備混凝土。目前已有學(xué)者[6-8]研究了采用花崗巖石粉部分替代天然河砂或石英砂制備普通混凝土或超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)[9-10]的可行性。然而，花崗巖石粉在管樁高強(qiáng)混凝土中的研究還比較欠缺。普通混凝土采用的是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，而管樁混凝土和UHPC雖然均為蒸壓養(yǎng)護(hù)，但UHPC中未包含粗骨料且含有較多的膠凝材料和硅灰，故摻入花崗巖石粉對管樁混凝土和普通混凝土或UHPC的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律等勢必有所不同。因此，本文制備了不同石粉取代率和不同石粉摻量的花崗巖石粉管樁高強(qiáng)混凝土，研究摻花崗巖石粉的管樁高強(qiáng)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，探索采用花崗巖石粉制備管樁高強(qiáng)混凝土的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用P·Ⅱ 52.5普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分見表1。細(xì)骨料采用天然河砂，粗骨料采用天然碎石。磨細(xì)砂來自福建省建華管樁有限公司，其基本指標(biāo)見表2?；◢弾r石粉來自福建省連江縣，化學(xué)成分見表3。

表1 水泥的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of cement

表2 磨細(xì)砂的基本指標(biāo)Table 2 Basic indicators of grinding fine sand

表3 花崗巖石粉的化學(xué)成分分析Table 3 Chemical composition analysis of granite powder

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

本文的混凝土配合比有A和B兩個系列，A是保持粉體材料(水泥+花崗巖石粉+磨細(xì)砂)質(zhì)量不變，在水泥 ∶(花崗巖石粉+磨細(xì)砂)=6 ∶4(質(zhì)量比)情況下，變化石粉取代率(花崗巖石粉/(花崗巖石粉+磨細(xì)砂))(質(zhì)量比)，石粉取代率分別為0%、25%、50%、75%和100%(記為A1～A5)。B是保持粉體材料(水泥+花崗巖石粉)質(zhì)量不變，變化石粉摻量(花崗巖石粉/(花崗巖石粉+水泥))(質(zhì)量比)。石粉摻量分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%(記為B1～B6)。具體的配合比見表4。

表4 混凝土配合比Table 4 Mix proportion of concrete

1.2.2 試件的制備與養(yǎng)護(hù)

試件尺寸：100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm。

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(PT)：試件制備完成后在實(shí)驗(yàn)室中靜置1 d，拆模，然后放入溫度為(20±2) ℃、相對濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

蒸壓養(yǎng)護(hù)(ZY)：試件制備完成靜置4 h后放入80 ℃的蒸養(yǎng)池中養(yǎng)護(hù)4 h，冷卻后轉(zhuǎn)入溫度為175 ℃、大氣壓為1.0 MPa的蒸壓釜中養(yǎng)護(hù)8 h，再次冷卻后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至3 d(定義為蒸壓養(yǎng)護(hù)3 d)和28 d(定義為蒸壓養(yǎng)護(hù)28 d)。

5) CRC場放棄復(fù)雜的循環(huán)校驗(yàn)碼，因CAN總線上僅分油機(jī)板卡控制單元一個節(jié)點(diǎn)而使用經(jīng)“變異”了的CRC場即亦或校驗(yàn)。

1.2.3 試驗(yàn)方法

按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[11]的規(guī)定對混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的測試。

采用《工業(yè)氫氧化鈣》(HG/T 4120—2009)及劉克義等[7]采用的測試方法測定混凝土中氫氧化鈣的含量。

采用荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的X/Pert Pro MPD型X射線粉末衍射(XRD)儀進(jìn)行物相組成測試；采用荷蘭Philips-FEI公司生產(chǎn)的XL30 ESEM-TMP型掃描電子顯微鏡(ESEM)進(jìn)行微觀形貌測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土中氫氧化鈣含量測試結(jié)果及分析

圖1 不同石粉取代率混凝土28 d齡期的氫氧化鈣含量Fig.1 Calcium hydroxide content of concrete with various stone powder replacement rates at 28 d

不同石粉取代率和石粉摻量混凝土28 d齡期的氫氧化鈣含量分別見圖1和圖2。由圖1可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，隨著石粉取代率的增加，水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣的含量一直保持在3.08%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，說明在該養(yǎng)護(hù)條件下采用花崗巖石粉取代磨細(xì)砂對氫氧化鈣的含量無影響，即花崗巖石粉和磨細(xì)砂均為惰性材料，不與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)。在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土中氫氧化鈣含量明顯低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的含量，并且在石粉取代率為25%時有最低值0.74%，之后隨著石粉取代率的增大，氫氧化鈣的含量保持不變。這說明在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，花崗巖石粉和磨細(xì)砂中的SiO2能與氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)并消耗氫氧化鈣，在石粉取代率為25%時，二者的火山灰反應(yīng)最大限度地消耗了氫氧化鈣。由圖2可知，隨石粉摻量的增大，兩種養(yǎng)護(hù)條件下混凝土中的氫氧化鈣含量均逐漸減少，這是由于摻入花崗巖石粉導(dǎo)致水泥用量減少(稀釋效應(yīng))，從而使得混凝土中氫氧化鈣含量也減少。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下混凝土中氫氧化鈣的含量下降，其原因是在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，花崗巖石粉中的SiO2能與水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)而消耗氫氧化鈣。

圖2 不同石粉摻量的混凝土28 d齡期的氫氧化鈣含量Fig.2 Calcium hydroxide content of concrete with various stone powder content at 28 d

圖3 三種配合比下混凝土氫氧化鈣含量(28 d)Fig.3 Calcium hydroxide content of three concrete samples (28 d)

2.2 摻花崗巖石粉混凝土力學(xué)性能

2.2.1 不同石粉取代率下混凝土的力學(xué)性能

不同石粉取代率下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d和蒸壓養(yǎng)護(hù)3 d混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別見圖4和圖5。由圖4和圖5可知，隨著石粉取代率的增加，兩種養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均先增大后減小。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)石粉取代率為50%時，混凝土強(qiáng)度最大，其可能是由于在此取代率下粉體材料的級配較為合理，花崗巖石粉可填充混凝土的微孔，使混凝土達(dá)到最為密實(shí)的狀態(tài)。在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)石粉取代率為25%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均為最大，其主要是由于在此取代率下花崗巖石粉最大限度地參與水化反應(yīng)，消耗較多的氫氧化鈣并生成托勃莫來石，填充了混凝土的孔隙，從而具有最高的抗壓和劈拉強(qiáng)度。

圖4 不同石粉取代率下混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.4 Compressive strength of concrete with various stone powder replacement rates

圖5 不同石粉取代率下混凝土的劈拉強(qiáng)度Fig.5 Splitting tensile strength of concrete with various stone powder replacement rates

當(dāng)石粉取代率相同時，蒸壓養(yǎng)護(hù)3 d混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的混凝土，其主要原因?yàn)樵谡魤吼B(yǎng)護(hù)條件下，石粉和磨細(xì)砂會與氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成了對混凝土抗壓強(qiáng)度有利的托勃莫來石晶體[12]。此外，當(dāng)石粉取代率相同時，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，蒸壓養(yǎng)護(hù)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均略有上升。

2.2.2 不同石粉摻量下混凝土的力學(xué)性能

不同石粉摻量下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d和蒸壓養(yǎng)護(hù)3 d混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別見圖6和圖7。由圖6和圖7可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，隨著石粉摻量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均逐漸減小。這主要是由于花崗巖石粉屬于惰性摻合料，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下無法和水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)，并且花崗巖石粉的摻入會導(dǎo)致混凝土中水泥膠凝材料用量減小，從而使水泥的水化產(chǎn)物減少，最終使得混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度降低[13-14]。在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，隨著石粉摻量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均先增大后減小(石粉摻量為20%時最大)。這是因?yàn)樵谡魤吼B(yǎng)護(hù)條件下，石粉中的SiO2和氫氧化鈣發(fā)生了火山灰反應(yīng)并生成了托勃莫來石，提高了混凝土強(qiáng)度。當(dāng)石粉摻量為20%時，混凝土中氫氧化鈣的含量較低，高強(qiáng)致密的托勃莫來石晶體較多[12]，因此混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度最大；當(dāng)石粉摻量大于20%時，過多的花崗巖石粉不能參與反應(yīng)，反而會減少水泥的用量，從而對混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響。

圖6 不同石粉摻量下混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength of concrete with various stone powder content

圖7 不同石粉摻量下混凝土的劈拉強(qiáng)度Fig.7 Splitting tensile strength of concrete with various stone powder content

當(dāng)石粉摻量相同時，混凝土蒸壓養(yǎng)護(hù)3 d的抗壓強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度。在石粉摻量為10%～40%時，混凝土蒸壓養(yǎng)護(hù)3 d的劈拉強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度。然而，在石粉摻量為0%和50%時，蒸壓養(yǎng)護(hù)3 d的劈拉強(qiáng)度要略低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度。蒸壓養(yǎng)護(hù)在短時間內(nèi)提高混凝土強(qiáng)度的同時也造成了一定的內(nèi)部微裂紋，當(dāng)石粉摻量過高時石粉對強(qiáng)度的提高作用低于稀釋效應(yīng)而導(dǎo)致劈拉強(qiáng)度降低。此外，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均有一定程度的提升。

2.2.3 花崗巖石粉取代磨細(xì)砂前后混凝土力學(xué)性能

石粉取代率為0%(A1)、石粉取代率為100%(A5)和石粉摻量為0%(B1)的混凝土在蒸壓養(yǎng)護(hù)3 d和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d條件下的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別見圖8和圖9。

由圖8和圖9可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，A1和A5組混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度下降幅度較大(分別比B1組下降了22.7%和24.4%)，在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，A1和A5組混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均小幅下降(分別比B1組下降0.3%和6.6%)。其主要原因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)情況下，石粉和磨細(xì)砂均為惰性材料，稀釋效應(yīng)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度明顯下降，但在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，石粉和磨細(xì)砂可以與氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)來提高混凝土強(qiáng)度，最終抵消了由稀釋效應(yīng)導(dǎo)致的強(qiáng)度降低。在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，采用花崗巖石粉完全取代磨細(xì)砂后，A5混組凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度和A1組相比降低幅度較小。因此，采用花崗巖石粉代替磨細(xì)砂制備管樁高強(qiáng)混凝土是可行的。

圖8 三種配合比下混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.8 Compressive strength of three concrete samples

圖9 三種配合比下混凝土劈拉強(qiáng)度Fig.9 Splitting tensile strength of three concrete samples

2.3 XRD試驗(yàn)結(jié)果及分析

蒸壓養(yǎng)護(hù)3 d(A1ZY、A5ZY、B1ZY)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d(A1PT、A5PT、B1PT)時混凝土的XRD譜分別見圖10和圖11。

由圖10和圖11可知，在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，A1ZY、A5ZY和B1ZY的混凝土水化產(chǎn)物主要為水化硅酸鈣、托勃莫來石、少量氫氧化鈣，在XRD譜中還檢測到了石英(quartz，主要成分為二氧化硅)。A5ZY和A1ZY氫氧化鈣衍射峰強(qiáng)度均小于B1ZY衍射峰強(qiáng)度，A5ZY和A1ZY的托勃莫來石相衍射強(qiáng)度比B1ZY的衍射強(qiáng)度高。這是因?yàn)樵谡魤吼B(yǎng)護(hù)條件下，水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣與磨細(xì)砂或石粉中的二氧化硅發(fā)生二次水化反應(yīng)，氫氧化鈣被消耗[15-16]，因此其衍射峰強(qiáng)度有所降低；同時由于高硅含量的磨細(xì)砂和石粉的摻加，促進(jìn)了水化硅酸鈣凝膠轉(zhuǎn)化成托勃莫來石，因此其衍射峰強(qiáng)度有所增強(qiáng)。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，A1PT、A5PT和B1PT的混凝土中除了含有石英和水化硅酸鈣，還含有較多的氫氧化鈣。A1PT中石英衍射峰強(qiáng)度稍低于A5PT，而B1PT中石英衍射峰強(qiáng)度最低，其主要是因?yàn)榛◢弾r石粉中的二氧化硅含量比磨細(xì)砂中的高，B1PT中不含磨細(xì)砂或花崗巖石粉，其石英含量最少。與A1PT、A5PT、B1PT相比，A1ZY、A5ZY、B1ZY的水化產(chǎn)物中均還發(fā)現(xiàn)托勃莫來石，并且水化硅酸鈣衍射峰強(qiáng)度也更強(qiáng)，其主要是因?yàn)樵谡魤吼B(yǎng)護(hù)條件下，花崗巖石粉和磨細(xì)砂均能參與水化反應(yīng)。

圖10 蒸壓養(yǎng)護(hù)混凝土的XRD譜Fig.10 XRD patterns of concrete under autoclave curing

圖11 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土的XRD譜Fig.11 XRD patterns of concrete under standard curing

2.4 ESEM試驗(yàn)結(jié)果及分析

蒸壓養(yǎng)護(hù)3 d(A1ZY、A5ZY、B1ZY)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d(A1PT、A5PT、B1PT)時混凝土的ESEM試驗(yàn)結(jié)果分別如圖12和圖13所示。

由圖12可知，在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，A1ZY、A5ZY和B1ZY混凝土中都發(fā)現(xiàn)片狀的托勃莫來石晶體、粒子狀和絮狀的水化硅酸鈣凝膠體和六角薄片狀的氫氧化鈣晶體，其中A5ZY混凝土中氫氧化鈣晶體含量要明顯少于A1ZY和B1ZY。其主要原因?yàn)樵谡魤吼B(yǎng)護(hù)條件下，水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣會與花崗巖石粉和磨細(xì)砂中的二氧化硅發(fā)生火山灰反應(yīng)，而花崗巖石粉二氧化硅含量比磨細(xì)砂二氧化硅含量高，使得花崗巖石粉發(fā)生的火山灰反應(yīng)比磨細(xì)砂更充分，最終導(dǎo)致A5ZY中氫氧化鈣的含量比A1ZY和B1ZY減少更多，這與XRD結(jié)論相符。由圖13可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，A1PT、A5PT、B1PT混凝土中均發(fā)現(xiàn)水化硅酸鈣凝膠及氫氧化鈣晶體，但都未發(fā)現(xiàn)托勃莫來石晶體，這也與XRD測試結(jié)果一致。

圖12 A1ZY、A5ZY、B1ZY的ESEM照片(3 d)Fig.12 ESEM images of A1ZY, A5ZY and B1ZY (3 d)

圖13 A1PT、A5PT、B1PT的ESEM照片(28 d)Fig.13 ESEM images of A1PT, A5PT and B1PT (28 d)

3 結(jié) 論

(1)蒸壓養(yǎng)護(hù)能激發(fā)花崗巖石粉活性，使花崗巖石粉參與水泥的水化反應(yīng)，降低混凝土中氫氧化鈣含量的同時，能夠生成高強(qiáng)致密的托勃莫來石晶體，使得蒸壓養(yǎng)護(hù)混凝土3 d的抗壓強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度更高。

(2)在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)石粉取代率為25%或石粉摻量為20%時，水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣能最大限度地與石粉和磨細(xì)砂中的硅質(zhì)材料發(fā)生水化反應(yīng)，使混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；當(dāng)石粉取代率為100%(即石粉摻量為40%)時，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度降低幅度較小，因此，采用花崗巖石粉代替磨細(xì)砂制備管樁高強(qiáng)混凝土是可行的。

(3)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，石粉和磨細(xì)砂均為惰性材料，無法與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)，而且過多的石粉使得水泥膠凝材料的含量減小，水泥的水化產(chǎn)物減少，從而使得標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均降低。