纤维及石粉对混凝土孔隙含量和吸水系数的研究.pdf

广东建材2023年第8期0 引言混凝土作为一种人造建筑材料，因其具有原材料取材方便、价格低廉、强度高等优点而被广泛运用在土木建筑、交通、水利、电力、化工等领域。根据混凝土行业统计数据显示，2021年我国商品混凝土的年产量高达32.93亿方，河砂作为混凝土原材料之一，因其过度开采导致河砂资源匮乏，缓解河砂资源短缺是亟需解决的问题1。采用机制砂替代河砂制备混凝土是一种可行的方法2,3，除此之外，利用石粉替代部分河砂也具有一定的可行性，为此，有大量研究人员开展了关于石粉替代部分河砂对混凝土性能的影响研究。霍曼琳等4通过试验发现，石粉替代河砂的质量分数为20%时，混凝土的黏聚性和保水性表现较好，早期强度和后期强度的增幅均达到最大；张凯等5研究表明利用石粉替代机制砂需要提高减水剂的用量以保证混凝土拌合物的和易性，替代10%机制砂时混凝土的力学性能达到最佳；蔡燕霞等6研究显示，利用凝灰岩石粉替代部分石英砂会降低活性粉末混凝土试块的抗压强度和抗折强度，但能够改善孔隙的孔径及数量，降低孔隙率，石粉替代率大于12%时，孔隙的改善作用有所下降。采用石粉替代部分河砂，降低了混凝土拌合物中骨料的体积，对混凝土体积稳定性具有负面影响，有学者的研究表明在混凝土中掺入纤维对于混凝土体积稳定性具有一定的改善作用7,8。鉴于此，本文将采用石粉替代部分河砂，并掺入适量聚丙烯纤维，以此研究和探索石粉替代率以及聚丙烯纤维掺量对混凝土试块孔隙含量和吸水系数的影响规律，并探讨孔隙含量与吸水系数之间的相关性。1 试验方案1.1试验原材料水泥采用石井牌P O 425R普通硅酸盐水泥，密度为3150kg/m3；细集料采用河砂，细度模数为2.8，密度为2480kg/m3；粗骨料采用粒径 520mm 的碎石，密度为2600kg/m3；石粉取自石材加工厂沉淀池内石材淤泥，在干燥箱105条件下干燥至恒重，再经粉碎机粉碎得到粉体，密度为2420kg/m3，利用激光粒度分析仪得到水泥和石粉的平均粒径分别为12.5m和15.3m；聚丙烯纤维的物理性能参数见表1；减水剂采用液体聚羧酸高性能减水剂；水采用实验室自来水。1.2试验配合比本试验中混凝土的水泥浆体积固定为 0.35，体积水灰比固定为1.2，砂率固定为0.45，减水剂的掺量为水泥质量的1.2%，采用石粉替代等质量的河砂，替代率纤维及石粉对混凝土孔隙含量和吸水系数的研究李 颖(广东省建筑材料研究院有限公司)【摘要】为探索聚丙烯纤维、石粉对混凝土孔隙含量和吸水系数的影响，试验设计聚丙烯纤维掺量分别为混凝土体积的0%、0.05%和0.10%、石粉替代河砂的质量分数分别为0%、10%和20%，共9组混凝土试块，测试了各组试块的孔隙含量和吸水系数。结果显示，随着纤维掺量、石粉替代率的增加，混凝土试块的孔隙含量和吸水系数均呈现下降趋势，通过回归分析发现，孔隙含量与吸水系数之间具有良好的相关性。【关键词】混凝土；聚丙烯纤维；石粉；孔隙含量；吸水系数长度/mm12直径/m31密度/(g m-3)0.91抗拉强度/MPa400杨氏模量/GPa3.5断裂延伸率/%30表1 聚丙烯纤维物理性能材料研究与应用-25广东建材2023年第8期分别为0%、10%、20%，聚丙烯纤维的掺量分别为混凝土体积的0%、0.05%、0.10%。各组试块的编号采用“SXFY”的形式，S代表石粉、X表示石粉的替代率、F代表纤维、Y表示纤维的掺量，具体编号及配合比如表2所示。表2 混凝土配合比编号S0F0S0F0.05S0F0.10S10F0S10F0.05S10F0.10S20F0S20F0.05S20F0.10水泥494494494494494494494494494河砂744744744669.6669.6669.6595.2595.2595.2碎石910910910910910910910910910水190190190272.7272.7272.7291.7291.7291.7石粉00074.474.474.4148.8148.8148.8减水剂666666666聚丙烯纤维00.51.000.51.000.51.0(kg m-3)2 试验方法2.1孔隙含量的测量本试验中混凝土试块孔隙含量的测定参考 ASTMC1688/C1688M-2012，具体步骤如下，首先将 100mm100mm100mm 的混凝土试块进行标准养护至规定龄期，然后擦除试块表面明显的水体，测量试块质量并记为m1，接着利用排水法测量试块的体积并记为V，最后将试块置于干燥箱中在105条件下干燥至恒重，并记录此时试块质量m2，则混凝土试块的孔隙含量P可按下式(1)计算获得，各组试块孔隙含量的结果取该组三个试块测量结果的平均值。本试验方法得到的孔隙含量为试块中可渗透孔隙体积与试块总体积的百分比，对于孔径极小、无法渗透的孔隙则忽略不计，因此相较于压汞法，本试验方法的测量结果会偏小，但本试验方法操作简单、测量速度快。P=m1m2V 100%式中：P为试块的孔隙含量，m1为混凝土试块吸水饱和后且表面无明显水分时的质量，m2为混凝土试块干燥至恒重时的质量，V为混凝土试块的体积，为水的密度。2.2吸水量、吸水系数的测量本试验中混凝土试块吸水量、吸水系数的测试步骤如下，首先将100mm100mm100mm混凝土试块置于标准养护条件下养护至规定龄期；然后将其取出擦净表面的水分，放入干燥箱中在105条件下干燥至恒重；接着选取试件的底面（假设浇筑面为顶面）作为测试面，与其相邻的四个侧面涂抹防水涂料如环氧树脂，顶面采用保鲜膜包裹并用胶带密封，如此形成试块只有一个面能够与外界接触，其余面都不接触，记录此时试件的质量m0；最后将试块浅浸在水中，如图1所示，测量试块在浸泡不同时长后的质量mi，按式(2)计算各组试块质量的增量m，则试块单位面积吸水量I的计算公式如式(3)所示，由于试块单位面积吸水量I与时间平方根t呈一次函数关系，如式(4)所示，斜率 k则为试块的吸水系数。m=mim0I=mAI=kt+c式中：m为试块质量的增量，m0为试块经防水处理后的质量，mi为试块浸在水中不同时长后的质量，A为试块浸在水中的表面积，I为试块单位面积吸水量，k为试块的吸水系数，t为试件的浸水时间，c为常数。图1吸水量、吸水系数测试示意图材料研究与应用-26广东建材2023年第8期3 试验结果及分析3.1孔隙含量的测量结果各组混凝土试块的孔隙含量测试结果如表3所示，孔隙含量随石粉替代率以及纤维掺量的变化情况见图2。从表中数值可以发现各组试块孔隙含量的差距并不大，极差仅为0.44%，表明石粉替代河砂以及纤维的掺入对于混凝土试块孔隙含量的改善作用较小。图2的结果更加清晰地反映了石粉替代率以及纤维掺量对孔隙含量的影响，从图中可明显发现，当纤维掺量为某一定值时，试块的孔隙含量随着石粉替代率的增加而减小；当石粉替代率为某一定值时，试块的孔隙含量同样随着纤维掺量的增加而减小。采用石粉替代河砂减少了混凝土中骨料的体积，骨料之间空隙体积下降，由于石粉粒径与水泥粒径接近，增加了混凝土拌合物中浆体的体积，有助于填充骨料之间的空隙，降低孔隙含量；另一方面，石粉替代河砂降低了混凝土拌合物的水粉比，拌合物中自由水含量下降，减少了混凝土中可蒸发的水分，在一定程度上降低了试块的孔隙含量。本试验中使用的聚丙烯纤维直径小且掺量低，因此，纤维在混凝土拌合物中比较容易分散，能够嵌入混凝土拌合物中细小的缝隙中，降低试块的孔隙含量，因此，孔隙含量随纤维掺量的增加而降低。3.2吸水量、吸水系数测量结果混凝土试块单位面积吸水量随时间平方根变化情况的散点图如图3(a)(c)所示，图中结果显示试块单位面积吸水量与时间平方根呈线性变化关系，与Kubissa等9试验结果比较一致。同时可发现，当石粉替代率保持不变时，纤维掺量由0%增加至0.10%的过程中，试块单位面积吸水量均表现为减小的趋势。为进一步探索试块单位面积吸水量与浸水时间的关系，对图3中的数据点进行回归分析，回归曲线如图所示，拟合函数及R2值结果见表4，结果显示不同石粉替代率、不同纤维掺量下，试块单位面积吸水量与时间平方根均呈现一次函数变化关系，R2值均大于0.98，表明拟合度高，而拟合函数中斜率k值则为各组试块的吸水系数。图4反映了吸水系数与石粉替代率、纤维掺量的变化关系，图中结果清晰表明，石粉替代河砂明显降低了试块的吸水系数，纤维的掺入同样也是降低了试块的吸水系数，可见利用石粉替代河砂以及参与纤维能够稳定提升试块的抗渗性能，Tasdemir10认为掺加石粉置换骨料降低吸水系数是因为石粉在水泥浆孔隙中和骨料空隙中发挥了填充效应。纤维因其直径小，一方面能够嵌进骨料之间的细缝，另一方面，纤维在浆体中无编号S0F0S0F0.05S0F0.10孔隙含量/%6.556.496.28编号S10F0S10F0.05S10F0.10孔隙含量/%6.446.316.22编号S20F0S20F0.05S20F0.10孔隙含量/%6.276.196.11表3 混凝土试块孔隙含量测试结果图2 孔隙含量随纤维掺量和石粉掺量的变化情况(a)石粉替代率为0%(b)石粉替代率为10%(c)石粉替代率为20%图3 试块单位面积吸水量随时间平方根的变化情况材料研究与应用-27广东建材2023年第8期序分布形成网格，提升了浆体的稳定性，降低吸水系数。3.3吸水系数与孔隙含量相关性分析试块吸水系数随孔隙含量的变化关系如图5所示，从中可发现，试块的孔隙含量越高，试件的吸水系数值则越大，由此可见，试块的吸水系数与孔隙含量之间存在一定的相关性。为进一步探索吸水系数与孔隙含量之间的关系，对图中的数据点进行回归分析，拟合曲线、拟合公式及R2值如图所示，结果显示试块的吸水系数与孔隙含量之间存在线性函数关系，拟合曲线的相关系数R2值达到0.8845，表明吸水系数与孔隙含量之间具有较高的关联性，孔隙含量增多导致试块的吸水系数增大。4 结论利用石粉替代河砂以及掺入聚丙烯纤维在一定程度上降低了混凝土试块的孔隙含量和吸水系数，改善了混凝土试块的抗渗性能，达到了提高耐久性的目标。通过将混凝土试块的吸水系数与孔隙含量进行回归分析，发现吸水系数与孔隙含量之间呈现线性变化关系，孔隙含量可作为吸水系数的主要影响因素。【参考文献】1 高楚文,张金海.混合砂在中、低强度混凝土中的应用研究J.混凝土,2008,228(10):87-88+91.2 李洋,刘纪伟,安小龙.不同机制砂取代率下混凝土性能研究J.人民长江,2015,46(08):47-49.3 张淑云,陈猛,杨旭龙,等.机制砂掺量对自密实轻骨料混凝土碳化性能的影响机理J.科学技术与工程,2023,23(01):314-320.4 霍曼琳,王娅丽,肖瑜,等.采石场废弃石粉对混凝土基本性能影响的试验研究J.兰州交通大学学报,2015,34(04):57-61.5 张凯,李北星,李广,等.片麻岩石粉掺入方式对混凝土性能的影响J.水利水电技术(中英文),2023,54(01):187-198.6 蔡燕霞,洪伟华,张景瑞,等.凝灰岩石粉代砂制备活性粉末混凝土性能分析J.公路,2023,68(02):274-279.7 黄金涛.大流动性混凝土体积稳定性及其他性能的研究D.南昌:南昌大学,2021.8 魏琦.轻质低收缩超高性能混凝土的制备与体积稳定性研究D.合肥:安徽建筑大学,2020.9 Kubissa W,Jaskulski R.Measuring and time variability of the sorptivity of concreteJ.Procedia Engineering,2013,57:634-641.10 Tasdemir C.Combined effects of mineral admixturesandcuringconditionsonthesorptivitycoefficient of concreteJ.Cement Concrete Research,2003,33(10):1637-1642.编号S0F0S0F0.05S0F0.10S10F0S10F0.05S10F0.10S20F0S20F0.05S20F0.10拟合函数y=0.0029x+0.2215y=0.0028x+0.1687y=0.0026x+0.1343y=0.0027x+0.2127y=0.0025x+0.1913y=0.0023x+0.1648y=0.0026x+0.2581y=0.0024x+0.2051y=0.0021x+0.2037R2值0.99310.99460.99560.99050.99490.99680.98920.98690.9833表4 各组试块单位面积吸水量随时间平方根变化情况的线性拟合函数及R2值图4 试块吸水系数随纤维掺量和石粉替代率的变化情况图5 试块吸水系数与孔隙含量的变化关系材料研究与应用-28