掺花岗岩石粉的管桩高强混凝土微结构和力学性能研究

黄晓燕

(福州市交通建设集团有限公司,福州 350002)

0 引 言

先张法预应力高强混凝土管桩[1]是一种重要的基础类型，已被广泛应用于高层建筑、码头港口、道路桥梁等工程结构的基础中。管桩高强混凝土所采用的掺合料主要为磨细砂(天然河砂经磨细后生产而成)，这是因为在蒸压养护条件下磨细砂中的SiO2能与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成托勃莫来石，使水泥石结构更为致密[2]。磨细砂的生产不仅需要消耗大量的人力、物力和财力，而且还需要消耗大量的天然砂，但天然砂的资源是有限的，长期大量采挖会破坏生态[3-4]。因此，寻找一种获取方便且价格低廉的材料代替磨细砂制备管桩高强混凝土是非常有必要的。

长期以来，花岗岩被广泛用于建筑物的内外装饰和基础砌筑工程之中，但花岗岩的开采、加工过程会产生大量的花岗岩石粉。这些花岗岩石粉被当作废弃物随意堆放，在大风天气，花岗岩石粉四处飘散，这不仅会严重污染环境还会导致大量土地资源被占用。因此，对花岗岩石粉的合理利用，不仅可保护环境还能产生较好的社会经济效益。

花岗岩石粉与磨细砂一样含有丰富的二氧化硅[5]，而且花岗岩石粉细度较大，无需进行二次研磨即可以直接制备混凝土。目前已有学者[6-8]研究了采用花岗岩石粉部分替代天然河砂或石英砂制备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，花岗岩石粉在管桩高强混凝土中的研究还比较欠缺。普通混凝土采用的是标准养护，而管桩混凝土和UHPC虽然均为蒸压养护，但UHPC中未包含粗骨料且含有较多的胶凝材料和硅灰，故掺入花岗岩石粉对管桩混凝土和普通混凝土或UHPC的力学性能和微观结构的影响规律等势必有所不同。因此，本文制备了不同石粉取代率和不同石粉掺量的花岗岩石粉管桩高强混凝土，研究掺花岗岩石粉的管桩高强混凝土的微观结构和力学性能，探索采用花岗岩石粉制备管桩高强混凝土的可行性。

1 实 验

1.1 试验材料

水泥采用P·Ⅱ 52.5普通硅酸盐水泥，其化学成分见表1。细骨料采用天然河砂，粗骨料采用天然碎石。磨细砂来自福建省建华管桩有限公司，其基本指标见表2。花岗岩石粉来自福建省连江县，化学成分见表3。

表1 水泥的化学成分Table 1 Chemical compositions of cement

表2 磨细砂的基本指标Table 2 Basic indicators of grinding fine sand

表3 花岗岩石粉的化学成分分析Table 3 Chemical composition analysis of granite powder

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土配合比设计

本文的混凝土配合比有A和B两个系列，A是保持粉体材料(水泥+花岗岩石粉+磨细砂)质量不变，在水泥 ∶(花岗岩石粉+磨细砂)=6 ∶4(质量比)情况下，变化石粉取代率(花岗岩石粉/(花岗岩石粉+磨细砂))(质量比)，石粉取代率分别为0%、25%、50%、75%和100%(记为A1～A5)。B是保持粉体材料(水泥+花岗岩石粉)质量不变，变化石粉掺量(花岗岩石粉/(花岗岩石粉+水泥))(质量比)。石粉掺量分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%(记为B1～B6)。具体的配合比见表4。

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

1.2.2 试件的制备与养护

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

标准养护(PT)：试件制备完成后在实验室中静置1 d，拆模，然后放入温度为(20±2) ℃、相对湿度为95%以上的标准养护室进行养护。

蒸压养护(ZY)：试件制备完成静置4 h后放入80 ℃的蒸养池中养护4 h，冷却后转入温度为175 ℃、大气压为1.0 MPa的蒸压釜中养护8 h，再次冷却后放入标准养护室中养护至3 d(定义为蒸压养护3 d)和28 d(定义为蒸压养护28 d)。

5) CRC场放弃复杂的循环校验码，因CAN总线上仅分油机板卡控制单元一个节点而使用经“变异”了的CRC场即亦或校验。

1.2.3 试验方法

按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[11]的规定对混凝土进行抗压强度和劈裂抗拉强度的测试。

采用《工业氢氧化钙》(HG/T 4120—2009)及刘克义等[7]采用的测试方法测定混凝土中氢氧化钙的含量。

采用荷兰飞利浦公司生产的X/Pert Pro MPD型X射线粉末衍射(XRD)仪进行物相组成测试；采用荷兰Philips-FEI公司生产的XL30 ESEM-TMP型扫描电子显微镜(ESEM)进行微观形貌测试。

2 结果与讨论

2.1 混凝土中氢氧化钙含量测试结果及分析

图1 不同石粉取代率混凝土28 d龄期的氢氧化钙含量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掺量混凝土28 d龄期的氢氧化钙含量分别见图1和图2。由图1可知，在标准养护条件下，随着石粉取代率的增加，水泥水化产物氢氧化钙的含量一直保持在3.08%(质量分数，下同)，说明在该养护条件下采用花岗岩石粉取代磨细砂对氢氧化钙的含量无影响，即花岗岩石粉和磨细砂均为惰性材料，不与氢氧化钙发生反应。在蒸压养护条件下，混凝土中氢氧化钙含量明显低于标准养护的含量，并且在石粉取代率为25%时有最低值0.74%，之后随着石粉取代率的增大，氢氧化钙的含量保持不变。这说明在蒸压养护条件下，花岗岩石粉和磨细砂中的SiO2能与氢氧化钙发生火山灰反应并消耗氢氧化钙，在石粉取代率为25%时，二者的火山灰反应最大限度地消耗了氢氧化钙。由图2可知，随石粉掺量的增大，两种养护条件下混凝土中的氢氧化钙含量均逐渐减少，这是由于掺入花岗岩石粉导致水泥用量减少(稀释效应)，从而使得混凝土中氢氧化钙含量也减少。与标准养护相比，蒸压养护条件下混凝土中氢氧化钙的含量下降，其原因是在蒸压养护条件下，花岗岩石粉中的SiO2能与水泥水化产物中的氢氧化钙发生火山灰反应而消耗氢氧化钙。

图2 不同石粉掺量的混凝土28 d龄期的氢氧化钙含量Fig.2 Calcium hydroxide content of concrete with various stone powder content at 28 d

图3 三种配合比下混凝土氢氧化钙含量(28 d)Fig.3 Calcium hydroxide content of three concrete samples (28 d)

2.2 掺花岗岩石粉混凝土力学性能

2.2.1 不同石粉取代率下混凝土的力学性能

不同石粉取代率下标准养护28 d和蒸压养护3 d混凝土的抗压强度和劈拉强度分别见图4和图5。由图4和图5可知，随着石粉取代率的增加，两种养护条件下混凝土的抗压强度和劈拉强度均先增大后减小。在标准养护条件下，当石粉取代率为50%时，混凝土强度最大，其可能是由于在此取代率下粉体材料的级配较为合理，花岗岩石粉可填充混凝土的微孔，使混凝土达到最为密实的状态。在蒸压养护条件下，当石粉取代率为25%时，混凝土的抗压强度和劈拉强度均为最大，其主要是由于在此取代率下花岗岩石粉最大限度地参与水化反应，消耗较多的氢氧化钙并生成托勃莫来石，填充了混凝土的孔隙，从而具有最高的抗压和劈拉强度。

图4 不同石粉取代率下混凝土的抗压强度Fig.4 Compressive strength of concrete with various stone powder replacement rates

图5 不同石粉取代率下混凝土的劈拉强度Fig.5 Splitting tensile strength of concrete with various stone powder replacement rates

当石粉取代率相同时，蒸压养护3 d混凝土的抗压强度和劈拉强度均高于标准养护28 d的混凝土，其主要原因为在蒸压养护条件下，石粉和磨细砂会与氢氧化钙发生火山灰反应，生成了对混凝土抗压强度有利的托勃莫来石晶体[12]。此外，当石粉取代率相同时，随着养护龄期的增加，蒸压养护混凝土的抗压强度和劈拉强度均略有上升。

2.2.2 不同石粉掺量下混凝土的力学性能

不同石粉掺量下标准养护28 d和蒸压养护3 d混凝土的抗压强度和劈拉强度分别见图6和图7。由图6和图7可知，在标准养护条件下，随着石粉掺量的增大，混凝土的抗压强度和劈拉强度均逐渐减小。这主要是由于花岗岩石粉属于惰性掺合料，在标准养护条件下无法和水泥水化产物氢氧化钙发生火山灰反应，并且花岗岩石粉的掺入会导致混凝土中水泥胶凝材料用量减小，从而使水泥的水化产物减少，最终使得混凝土的抗压强度和劈拉强度降低[13-14]。在蒸压养护条件下，随着石粉掺量的增大，混凝土的抗压强度和劈拉强度均先增大后减小(石粉掺量为20%时最大)。这是因为在蒸压养护条件下，石粉中的SiO2和氢氧化钙发生了火山灰反应并生成了托勃莫来石，提高了混凝土强度。当石粉掺量为20%时，混凝土中氢氧化钙的含量较低，高强致密的托勃莫来石晶体较多[12]，因此混凝土的抗压强度和劈拉强度最大；当石粉掺量大于20%时，过多的花岗岩石粉不能参与反应，反而会减少水泥的用量，从而对混凝土的抗压强度产生不利的影响。

图6 不同石粉掺量下混凝土的抗压强度Fig.6 Compressive strength of concrete with various stone powder content

图7 不同石粉掺量下混凝土的劈拉强度Fig.7 Splitting tensile strength of concrete with various stone powder content

当石粉掺量相同时，混凝土蒸压养护3 d的抗压强度均高于标准养护28 d的强度。在石粉掺量为10%～40%时，混凝土蒸压养护3 d的劈拉强度高于标准养护28 d的强度。然而，在石粉掺量为0%和50%时，蒸压养护3 d的劈拉强度要略低于标准养护28 d的强度。蒸压养护在短时间内提高混凝土强度的同时也造成了一定的内部微裂纹，当石粉掺量过高时石粉对强度的提高作用低于稀释效应而导致劈拉强度降低。此外，随着养护龄期的增加，蒸压养护条件下混凝土的抗压强度和劈拉强度均有一定程度的提升。

2.2.3 花岗岩石粉取代磨细砂前后混凝土力学性能

石粉取代率为0%(A1)、石粉取代率为100%(A5)和石粉掺量为0%(B1)的混凝土在蒸压养护3 d和标准养护28 d条件下的抗压强度和劈拉强度分别见图8和图9。

由图8和图9可知，在标准养护条件下，A1和A5组混凝土的抗压强度和劈拉强度下降幅度较大(分别比B1组下降了22.7%和24.4%)，在蒸压养护条件下，A1和A5组混凝土的抗压强度和劈拉强度均小幅下降(分别比B1组下降0.3%和6.6%)。其主要原因为在标准养护情况下，石粉和磨细砂均为惰性材料，稀释效应导致混凝土强度明显下降，但在蒸压养护条件下，石粉和磨细砂可以与氢氧化钙发生火山灰反应来提高混凝土强度，最终抵消了由稀释效应导致的强度降低。在蒸压养护条件下，采用花岗岩石粉完全取代磨细砂后，A5混组凝土的抗压强度和劈拉强度和A1组相比降低幅度较小。因此，采用花岗岩石粉代替磨细砂制备管桩高强混凝土是可行的。

图8 三种配合比下混凝土抗压强度Fig.8 Compressive strength of three concrete samples

图9 三种配合比下混凝土劈拉强度Fig.9 Splitting tensile strength of three concrete samples

2.3 XRD试验结果及分析

蒸压养护3 d(A1ZY、A5ZY、B1ZY)和标准养护28 d(A1PT、A5PT、B1PT)时混凝土的XRD谱分别见图10和图11。

由图10和图11可知，在蒸压养护条件下，A1ZY、A5ZY和B1ZY的混凝土水化产物主要为水化硅酸钙、托勃莫来石、少量氢氧化钙，在XRD谱中还检测到了石英(quartz，主要成分为二氧化硅)。A5ZY和A1ZY氢氧化钙衍射峰强度均小于B1ZY衍射峰强度，A5ZY和A1ZY的托勃莫来石相衍射强度比B1ZY的衍射强度高。这是因为在蒸压养护条件下，水泥水化产物氢氧化钙与磨细砂或石粉中的二氧化硅发生二次水化反应，氢氧化钙被消耗[15-16]，因此其衍射峰强度有所降低；同时由于高硅含量的磨细砂和石粉的掺加，促进了水化硅酸钙凝胶转化成托勃莫来石，因此其衍射峰强度有所增强。在标准养护条件下，A1PT、A5PT和B1PT的混凝土中除了含有石英和水化硅酸钙，还含有较多的氢氧化钙。A1PT中石英衍射峰强度稍低于A5PT，而B1PT中石英衍射峰强度最低，其主要是因为花岗岩石粉中的二氧化硅含量比磨细砂中的高，B1PT中不含磨细砂或花岗岩石粉，其石英含量最少。与A1PT、A5PT、B1PT相比，A1ZY、A5ZY、B1ZY的水化产物中均还发现托勃莫来石，并且水化硅酸钙衍射峰强度也更强，其主要是因为在蒸压养护条件下，花岗岩石粉和磨细砂均能参与水化反应。

图10 蒸压养护混凝土的XRD谱Fig.10 XRD patterns of concrete under autoclave curing

图11 标准养护混凝土的XRD谱Fig.11 XRD patterns of concrete under standard curing

2.4 ESEM试验结果及分析

蒸压养护3 d(A1ZY、A5ZY、B1ZY)和标准养护28 d(A1PT、A5PT、B1PT)时混凝土的ESEM试验结果分别如图12和图13所示。

由图12可知，在蒸压养护条件下，A1ZY、A5ZY和B1ZY混凝土中都发现片状的托勃莫来石晶体、粒子状和絮状的水化硅酸钙凝胶体和六角薄片状的氢氧化钙晶体，其中A5ZY混凝土中氢氧化钙晶体含量要明显少于A1ZY和B1ZY。其主要原因为在蒸压养护条件下，水泥水化产物氢氧化钙会与花岗岩石粉和磨细砂中的二氧化硅发生火山灰反应，而花岗岩石粉二氧化硅含量比磨细砂二氧化硅含量高，使得花岗岩石粉发生的火山灰反应比磨细砂更充分，最终导致A5ZY中氢氧化钙的含量比A1ZY和B1ZY减少更多，这与XRD结论相符。由图13可知，在标准养护条件下，A1PT、A5PT、B1PT混凝土中均发现水化硅酸钙凝胶及氢氧化钙晶体，但都未发现托勃莫来石晶体，这也与XRD测试结果一致。

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

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

3 结 论

(1)蒸压养护能激发花岗岩石粉活性，使花岗岩石粉参与水泥的水化反应，降低混凝土中氢氧化钙含量的同时，能够生成高强致密的托勃莫来石晶体，使得蒸压养护混凝土3 d的抗压强度比标准养护混凝土28 d的抗压强度更高。

(2)在蒸压养护条件下，当石粉取代率为25%或石粉掺量为20%时，水泥水化产物氢氧化钙能最大限度地与石粉和磨细砂中的硅质材料发生水化反应，使混凝土的抗压强度达到最大；当石粉取代率为100%(即石粉掺量为40%)时，混凝土的抗压强度和劈拉强度降低幅度较小，因此，采用花岗岩石粉代替磨细砂制备管桩高强混凝土是可行的。

(3)在标准养护条件下，石粉和磨细砂均为惰性材料，无法与水泥水化产物氢氧化钙发生火山灰反应，而且过多的石粉使得水泥胶凝材料的含量减小，水泥的水化产物减少，从而使得标准养护混凝土的抗压强度和劈拉强度均降低。