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硅酸盐通报
BulletinoftheChineseCeramicSociety
ISSN1001-1625,CN11-5440/TQ
《硅酸盐通报》网络首发论文
题目:骨料包浆预处理对礁石混凝土性能的影响
作者:朱兆坤,高旭,范小春,蓝少丁,赵东三
DOI:.issn1001-
收稿日期:2022-06-25
网络首发日期:2022-08-18
引用格式:朱兆坤,高旭,范小春,蓝少丁,
能的影响[J/OL].硅酸盐通报.
/-
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:.
.issn1001--08-1809:52:38
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骨料包浆预处理对礁石混凝土性能的影响
朱兆坤,高旭,范小春,蓝少丁,赵东三
(武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉430070)
摘要:本文对比研究了不同礁石骨料包浆预处理方法以及高性能包浆胶凝材料对礁石骨料物理性质、***离子
溶出行为以及力学性能的影响;并将包浆预处理后的礁石骨料用于制备礁石混凝土,讨论了包浆预处理和
骨料替代率对礁石混凝土力学性能、抗***离子渗透特性以及体积稳定性的影响。结果表明,包浆静置后烘
干较包浆后自然风干与包浆后标准养护的预处理方式具有最好的骨料改性效果,礁石骨料的空隙率、吸水
率、压碎值以及***离子溶出特性等均被优化。礁石骨料以20%、40%、60%体积替代率掺入混凝土中,包
%、%、%,***离子扩散系数分别
%、%、%,%、%、%。礁石骨料经过包浆后改变了
其与水泥砂浆之间的界面过渡区,进而改善了礁石混凝土的力学性能、***离子渗透性能以及体积稳定性。
关键词:礁石骨料;礁石混凝土;包浆预处理;***离子溶出;体积稳定性;界面过渡区
中图分类号:TU528
EffectofAggregateSlurryPretreatmentonPropertiesofReef
Concrete
ZHUZhaokun,GAOXu,FANXiaochun,LANShaoding,ZHAODongsan
(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)
Abstract:Inthispaper,theeffectsofdifferentpretreatmentmethodsandhighperformance
coatingcementingmaterialsonphysicalproperties,chlorideiondissolutionbehaviorand
wasusedtopreparereefconcrete,andtheeffectsofpretreatmentmethodandaggregate
replacementlevelonthemechanicalproperties,chloridepenetrationandvolumestabilityofreef
coatedtheaggregatewithslurryandthendryinginoven,exhibitsthebestaggregatemodification
resultsthanothertreatingmethods,andthetechnicalpropertiesofreefaggregatesuchasvoid
fraction,waterabsorption,crushingvalueandchlorideiondissolutioncharacteristicsare
%,40%
and60%,comparedwithreefconcretewithoutcoating,thecompressivestrengthisincreasedby
%,%%at28d,%,
%%,%,%%,respectively.
Aftercoating,theinterfacetransitionzonebetweenreefaggregateandcementmortarismodified,
andthemechanicalproperties,chlorideionpermeabilityandvolumestabilityofreefconcreteare
improved.
Keywords:reefaggregate;reefconcrete;coatingpretreatment;chlorideiondiffusion;volumetric
stability;interfacialtransitionzone
收稿日期:2022-06-25;修订日期:2022-07-24
基金项目:国家自然科学基金青年项目(52108244);武汉理工大学三亚科教创新园开放基金(2020KF0008)
作者简介:朱兆坤(1997—),男,硕士研究生。主要从事生态混凝土方面的研究。E-mail:******@
通信作者:高旭,博士,教授。E-mail:x.******@:.
0引言
发展海洋经济现已成为一项重要的国家战略,因此海洋基础设施建设的需求正在飞速
增长。涉海地区多远离内陆,基建工程面临着大宗建筑原材料短缺、建设周期长、运输成本
高等问题。与此同时,远海地区拥有丰富的礁石资源,利用海岛礁石资源替代传统骨料制备
混凝土材料可为海工基础设施的高效建设提供新思路与便利条件[1]。然而礁石骨料具有堆积
密度低、孔隙率高、吸水率大、压碎指标大、杂质含量高等缺陷,由礁石骨料配制而成的混
凝土综合性能较低,严重制约了该类混凝土的应用范围[2]。
为改善礁石骨料混凝土的力学性能,研究人员从优化混凝土配合比、使用辅助胶凝材
料、改善礁石骨料技术性质等方面开展了大量研究。Liu等[3]基于高性能混凝土的组成设计
方法,采用颗粒紧密堆积模型对礁石混凝土的颗粒级配进行优化,在一定程度上减少了骨料
的高棱角度对颗粒堆积的负面影响。朱寿永等[4]通过掺入粉煤灰、偏高岭土等掺合料对礁石
砂混凝土进行改性处理,结果表明改性后礁石混凝土的28d抗压强度可提高21%。杨久俊
等[5]、Pandurangan等[6]的研究表明,礁石骨料经过酸溶液浸泡处理过后,可清除杂质,提高
界面结合力,进而改善礁石混凝土力学性能。郭瞳等[7]使用聚乙烯醇溶液浸泡礁石骨料,通
过形成保护膜的方式,改善了骨料与水泥砂浆之间的黏结能力,使礁石混凝土的抗压强度提
高了17%。姚燕等[8]通过盐酸与水玻璃对礁石骨料进行预处理,制备的混凝土的显微硬度、
弹性模量均大幅提高,28d抗压强度可达45MPa。程书凯[9]利用水泥净浆包覆处理礁石骨
料,提升了礁石混凝土的抗碳化以及***离子侵蚀能力。由此可见,相较于优化混凝土配合比
和使用矿物掺合料,通过改善礁石骨料的自身缺陷,提升其技术性质,进而改善礁石混凝土
性能的方法具有更好的改性效果,且是一种针对礁石材料性质特征的科学改性方法。
本文拟通过礁石骨料包裹高性能水泥浆体的方法来优化礁石骨料与礁石混凝土的性能,
研究骨料包浆方法、包浆材料对礁石骨料基ᴨ餪㘖坃堁쌢弯耤⨨ꤖ圁썐�줕樔혬됕ꄊﴂ저
评估包浆处理对礁石混凝土力学性能、***离子渗透性能以及体积稳定性的影响,为礁石骨料
的高性能化设计与应用提供基础与借鉴。
1实验
胶凝材料为市售P·Ⅰ、S95级矿粉和偏高岭土,胶凝材料的化学组成如
表1所示。采用γ-Al2O3分散液(固含量20%)来改善包浆胶凝材料的***离子固化能力。试
验用水为去离子水,减水剂为聚羧酸减水剂,减水率约为40%。
粗集料为10~20mm连续级配碎石,%。礁石粒径范围为10~20mm,表观
密度为2304kg/m3,堆积密度为1043kg/m3,使用时等体积掺入混凝土中。细集料为普通河
砂,表观密度为2638kg/m3,堆积密度为1635kg/m3,。
表1胶凝材料的化学组成
Table1Chemicalcompositionofcementitiousmaterial
Massfraction/%
Material
CaOSiO2Al2O3Fe2O3K2OMgOSO3Na2OLOI
:.
本研究对比了三种不同包浆方式(A1~A3),未包浆组为对比组(A4),不同礁石包
浆方式的分类总结见表2。其中A1:将礁石骨料在浆体中浸润5min后,通过搅拌的方式使
骨料充分包裹浆体,最后放入室内自然风干;A2:将礁石骨料投放入浆体中,搅拌均匀后
放入室内自然风干48h,再放入50℃烘箱中24h,最后冷却至室温;A3:礁石骨料搅拌包
裹浆体以后,进标准养护28d。
包浆过程为:首先将胶凝材料按照表3中的比例关系配制成均匀浆体,然后将礁石骨料
均匀投入盛有包浆浆体的容器中,并按照表2中所描述的不同方法对礁石骨料进行包浆处理,
包浆处理后将骨料放入孔径为10mm的筛网中,轻振半分钟筛除多余浆体,最后按照表2
所描述的方法进行养护。包浆用胶凝材料选用硅酸盐水泥、硅酸盐水泥复合富铝相辅助胶凝
材料两类,后者的材料组成基于***离子固化、渗透以及浆体流动性等前期研究成果确定,包
浆胶凝材料配合比见表3,掺入高效减水剂后浆体工作性与包浆效果良好。礁石骨料包浆前
后表观形貌见图1。
表2不同包浆形式的分类
Table2Classificationofdifferentcoatingforms
SampleIDCoatingmethodCuringmethod
A1Soakedinslurryfor5minNaturalairdrying
A2Standbyfor48hafterevenlycoatedwithslurryCuredat50℃for24h
A3EvenlycoatedwithslurryStandardcuringfor28d
A4NoneWatersaturationthensurfacedrying
表3包浆用胶凝材料配合比
Table3Mixproportionofcementitiousmaterialsforcoating
Massfraction/%
CementSGMKγ-Al2O3Superplasticizer
---
(a)Before(b)After
图1礁石粗骨料包浆前后表观形貌
:.
,采用水泥复掺矿粉(slag,SG)、偏高岭土(metakaolin,MK)、
γ-Al2O3作为包浆胶凝材料,以及包浆后静置48h并50℃烘干的处理方式对礁石进行包浆
处理,进而用于制备礁石混凝土,混凝土配合比见下表4。其中以不掺入礁石骨料为基准对
比组,以考虑礁石骨料包浆和未包浆并以不同替代率来替代普通碎石的试验组。基于力学性
能、***离子渗透性能以及工作性等基础试验结果,确定礁石骨料替代率为20%、40%、60%,
。
表4礁石混凝土配合比
Table4Mixproportionofreefconcrete
Mixproportion/(kg·m-3)
CementSandGravelReef
-
CR-
CoatedreefCR-
CR-
NCR-
UncoatedreefNCR-
NCR-
注:礁石骨料分别以20%、40%、60%等体积替代率替代碎石。
礁石骨料的表观密度、堆积密度、空隙率以及吸水率测试参照《建设用卵石、碎石》(GB/T
14685-2011)进行。礁石骨料的***离子溶出行为按照《建设用砂》(GB/T14684-2011)中
***离子含量的滴定测试方法进行。礁石混凝土的***离子扩散系数依照《普通混凝土长期性能
和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009),采用***离子扩散快速测定法(rapidchloride
migration,RCM)进行测定。
胶凝材料的力学性能通过净浆抗压强度进行表征,按照表3中的实际配比进行配制,试
件尺寸为40mm×40mm×40mm。礁石骨料、混凝土的力学性能分别依据《建设用卵石、碎
石》(GB/T14685-2011)和《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)进
行压碎值和特征龄期的抗压强度测试。礁石混凝土的体积稳定性根据《普通混凝土长期性能
和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)进行,使用接触法立式混凝土收缩仪进行
测定。包浆胶凝材料的物相组成通过D8Advance型X射线衍射仪进行表征分析。包浆礁石
骨料的形貌与界面特征通过场发射扫描电子显微镜进行分析,首先利用低速切割机对礁石骨
料横截面处进行切片处理,切取1~2mm厚的薄片,并进行表面喷金处理。
2结果与讨论
两种包浆用胶凝材料3d、7d、28d的抗压强度如图2(a)所示,纯水泥组浆体的3d、
7d、、、。当用SG、MK和γ-Al2O3部
分替代水泥时,%、%、%。胶凝材料整体具
有较高力学性能的原因在于采用了较低水灰比,同时SG具有较高的反应活性,生成更多水
化硅酸钙(calciumsilicatehydrated,C-S-H);MK与γ-Al2O3均属于高活性辅助胶凝材料,
:.
对抗压强度具有较好的促进作用。图2(b)为两种浆体试样在***盐溶液中侵蚀前后的XRD
衍射图谱,当在***盐中侵蚀3个月后,浆体水化产物中的有效活性铝相与***离子发生化学反
应,生成化学固***产物弗雷德尔盐(Friedelsalt,F盐)。两种浆体试样均观察到了F盐的衍
射峰,且掺辅助胶凝材料浆体中该矿物的衍射峰强度高于纯水泥浆体。SG,MK与γ-Al2O3
的复合使用,综合优化了胶凝材料的颗粒级配,以及Ca-Si-Al平衡关系,进而在消耗CH,
提升力学性能的同时,通过额外补充铝相矿物来提升胶凝材料的***离子固化能力[10]。
(a)Compressivestrengthofthebinders(b)XRDpatternsofcoatedslurrybeforeandafterchlorideerosion
图2包浆浆体的力学性能与***离子固化特性
表5展示了包浆和未包浆礁石骨料的基ᴨ餪㘙㜞㜁쐝娉㔣瘯ㄮ⍐�줰ꩌ줩뜫镑ࠄ븉㔣瘀
后礁石骨料,经A1~A3三种包浆方法预处理后,纯水泥包裹礁石骨料的空隙率分别降低了
%、%%;%、%和
%。纯水泥包裹礁石骨料经A1~%、%、
%;%、%%。由以上
试验结果可知,复合胶凝材料包浆静置后,烘干养护的效果较其他组表现更优,这是因为矿
物掺合料协同使用并烘干养护后水泥基体水化更为充分生成更多水化产物[11]。水化产物能
理想地通过礁石骨料的自身孔隙进入到其内部当中,进一步降低了礁石骨料的内部微裂缝以
及内部孔洞的吸水作用,礁石骨料密实度增加,进而使得骨料的各项物理性能得到了改善。
表5包浆礁石基ᴨ餪㘖圷ⴙ㜞㜀
Table5Basicphysicalpropertiesofcoatedreef
Apparentdensity/Stackingdensity/Voidfraction/Waterabsorption/
Category-3-3
(kg·m)(kg·m)%%
A1-
A1-C**********.
A2-
A2-C**********.
A3-
A3-C**********.
由图3礁石骨料压碎指标柱状图可以看出,相较于未包浆组(A4),各包浆礁石压碎
指标均小于未包浆礁石。纯水泥包裹的礁石骨料中,按文中所述三种包浆养护方法,压碎指
%、%、%;复合胶凝材料包裹礁石骨料的压碎指标分别降低了
:.
%、%、%。其中复合胶凝材料包裹礁石骨料,静置后烘干养护(A2)的预处理
效果较其他养护方法具有更好的骨料力学性能提升作用,原因在于复合胶凝材料具有更高的
力学性能[12],且由于在粉体材料层面使用了不通颗粒尺度的材料进行复配,使得浆体密实
度提升,最终表现为礁石骨料压碎指标的改善。
图3礁石骨料压碎指标
图4(a)为未包浆礁石骨料的SEM照片,可见礁石骨料内部结构疏松多孔。图4(b)
~(g)为不同包浆方法处理后礁石骨料的微观形貌图示,可见骨料外层存在明显的水泥包裹
浆体,但不同浆体和养护方法使礁石和水泥浆之间的界面过渡区存在不同形貌特征。在图4
(b)~(g)中,可见在不同包浆方法中,包浆静置后烘干养护(A2)的预处理效果较好,
礁石与水泥浆之间界面过渡区更为平滑与致密。相较于纯水泥浆,复合胶凝材料由于火山灰
效应以及颗粒堆积效应,使得礁石骨料的致密性有所提升,进而增强了其材料性能指标。
(a)A4
VoidSlurry
ReefReef
SlurrySlurryVoid
Reef
(b)C0-A1(c)C0-A2(d)C0-A3
:.
ReefReefSlurry
VoidVoid
SlurryReef
Slurry
(e)C1-A1(f)C1-A2(g)C1-A3
图4礁石骨料微观形貌
***离子溶出行为
图5反映了礁石骨料在去离子水中***离子含量随浸泡时间的变化情况。未包浆礁石骨料
在去离子水中浸泡1d、3d、7d、14d、28d后,溶液中***%、%、
%、%、%。由图4(a)可知,礁石表面有大小不一的孔洞,礁石中微米级
甚至于纳米级贯通孔或者半封闭孔中的***离子很难在较短浸泡时间内所充分溶出。因此为充
分分析包浆礁石骨料的***离子溶出行为,首先配制***盐溶液来浸泡礁石骨料。浸泡后未包浆
礁石在上述特征龄期内溶液中***%%之间。其中经复合胶凝材
料包浆且烘干养护后的礁石骨料与未包浆礁石相比,溶液中28d***离子含量的降幅为
%。经水泥浆体包浆烘干养护后的礁石骨料与未包浆礁石相比,溶液中28d***离子含
%。表明经复合胶凝材料包浆且烘干养护后改善了礁石骨料的孔隙结构,
弥补了礁石骨料内部的细小孔径和微裂缝,使之更为密实,同时胶凝材料对***离子的固化也
有效抑制了其物理渗透作用。由图可知,随着浸泡时间的变化,浸泡液中***离子的含量呈现
先增加后平缓变化的趋势,浸泡14d以后,各组***离子含量变化不明显。礁石骨料经***盐
浸泡,并在去离子水中浸泡至***离子溶出稳定后,***%。
表明在去离子水中礁石浸泡早期未溶出的***离子在后续浸泡过程中可持续溶出,导致溶液中
***离子含量增加。
图5礁石骨料中***离子溶出行为
图6为礁石混凝土各龄期抗压强度试验结果。由图可知,当礁石骨料体积取代率为20%、
40%、60%时,未包浆礁石骨料混凝土的3d、7d、28d抗压强度均呈下降趋势,其中28d
%、%、%;包浆礁石骨料的28d抗压强度分
%、%、%。当礁石骨料替代率为20%、40%、60%时,相对于未包
:.
浆礁石骨料混凝土,%、%、%。
当掺入未包浆礁石时,礁石混凝土的抗压强度随着礁石骨料替代率的增加而降低。当掺入包
浆礁石时,礁石混凝土的抗压强度随着包浆礁石骨料替代率的增加而增加,并且在各养护龄
期时,包浆礁石混凝土的力学性能要优于未包浆礁石混凝土的力学性能。此现象是因为礁石
骨料内部含有众多细小微裂缝,骨料强度较低,对混凝土负面作用影响较大。当经过复合胶
凝材料包裹礁石骨料,静置后烘干养护之后,水泥水化反应以及SG、MK、γ-Al2O3促进水
泥水化,生成更多的水化硅酸钙等物质,填充了礁石内部细小的微裂缝,使礁石骨料更为密
实,并且浆体在礁石表面形成黏结性较强的“保护膜”,提高了礁石表面与水泥砂浆之间的黏
结能力[13]。因此,将礁石包浆处理可增强礁石混凝土的力学性能。同时值得注意的是,礁
石混凝土力学性能上的提升,可能反映出骨料包裹层与新浆体层之间界面结合情况的优化。
图6礁石混凝土抗压强度
***离子渗透性能
礁石混凝土的***离子扩散系数DRCM的测定结果如图7所示。当礁石替代率为20%、40%、
60%时。未包浆礁石混凝土28d***×10-12m2·s-1、×10-12m2·s-1、×10-12
m2·s-1,%、%、80%。包浆礁石混凝土28d***离子扩散
×10-12m2·s-1、×10-12m2·s-1、×10-12m2·s-1,%、
%、%。因此相较于未包浆礁石混凝土,包浆礁石混凝土28d的***离子扩散系数
%、%、%。未包浆礁石混凝土呈现出此趋势的原因主要有两方面:
(1)礁石骨料细微孔隙众多,与天然骨料相比介质传输能力较强,因此随着未包浆礁石替代
率的提升,基体中的***离子更容易通过礁石混凝土自身孔隙渗透到混凝土内部;(2)礁石骨
料表面较为粗糙,在拌合混凝土过程中,会与新拌砂浆之间形成新的界面过渡区,新界面过
渡区的黏结能力较差,结构疏松,细微裂缝较多[14]。为***离子渗透提供了更加快捷的通道,
从而使礁石混凝土的***离子渗透性能降低。经复合胶凝材料包浆,且烘干养护后的礁石骨料,
可较为理想的改善礁石混凝土的***离子渗透性能,礁石骨料经包浆材料水化反应产生的水化
产物填充了其自身的孔隙。同时胶凝材料中偏高岭土、矿粉、氧化铝等富铝相、多尺