基于內部孔結構的功能型混凝土研究初探

王發(fā)洲，楊 進，程 華，吳 靜，李新平

（1.武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.后勤工程學院軍事土木工程系，重慶 400016；3.武漢紡織大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430200；4.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070）

混凝土是工程建設中應用量最大、最廣泛的土木材料［1］，其性能可滿足不同類型結構工程的需求.然而混凝土的內部結構及原材料組成較復雜，如何建立混凝土內部結構與宏觀性能之間的聯(lián)系，實現(xiàn)混凝土結構功能一體化，一直是混凝土研究領域的熱點.目前此項研究的難點是混凝土內部結構不易控制.

鑒于此，本文利用大粒徑（≥4mm）球形高吸水樹脂SAP材料形狀規(guī)則、數(shù)量及粒徑易于控制的特點，在混凝土內部制造出均勻分布的規(guī)則球形孔，并由此賦予混凝土多種新的功能，探索一種基于內部孔結構的功能型混凝土（以下簡稱SFIC）制備方法.該技術可解決現(xiàn)有混凝土天然骨料資源嚴重短缺、再生骨料來源不一、成分及質量波動大等問題［2－4］.本文對所制備的基于孔結構功能型混凝土的內部相對濕度、力學性能、保溫隔熱性能和吸聲降噪性能進行了探討.

1 試驗

1.1 原材料

水泥：普通硅酸鹽水泥（OPC），比表面積318m2／kg；硫鋁酸鹽快硬水泥（SAC），比表面積279m2／kg，兩者強度等級均為42.5.磨細礦渣粉（SG）：比表面積420m2／kg，燒失量0.82%（文中涉及的燒失量、水灰比等除特別說明外均為質量分數(shù)或質量比）.粉煤灰（FA）為Ⅱ級粉煤灰，細度（0.045mm篩余）7.8%，燒失量2.3%.硅灰（SF）：比表面積25m2／g，SiO2含量大于90%.細集料：中砂（S），粒徑≤4.75mm，表觀密度2.65g／cm3，細度模數(shù)2.84.聚甲醛纖維（POM）：密度1.41g／cm3，抗拉強度750MPa，直徑20μm，長度9mm.拌和水（W）∶自來水.減水劑（SP）為聚羧酸高效減水劑，減水率25%.大粒徑球形高吸水樹脂SAP（聚丙烯酸系）：在淡水中的吸水率為115 倍左右，在0.4 mol／L NaCl溶液中的吸水率為18倍左右，吸水飽和后為規(guī)則的球形，粒徑4～8mm.

本文所用的3 種粒徑球形SAP 在0.4 mol／L NaCl溶液中的參數(shù)如表1所示.

表1 不同粒徑球形SAP的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of spherical SAP with different particle sizes

上述3種球形SAP交聯(lián)密度高，與常規(guī)內養(yǎng)護使用的粉狀SAP（粒徑＜500μm）相比，其吸水率及吸水速率顯著降低，保水性強，凝膠強度高，在混凝土攪拌過程中不易破碎，可替代普通集料.

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土制備方法

對大粒徑球形SAP進行浸泡預處理，使其粒徑達到尺寸要求，使用飽水后的球形SAP等體積替代集料，最高取代率（體積分數(shù)，下同）為100%.本文以球形SAP為主要研究對象，在大量前期工作基礎上，將球形SAP取代率作為主要變量，其他用量不變.表2為SFIC 的基本配合比，其中SFIC－1～SFIC－6的球形SAP 取代率分別為0%，20%，40%，60%，80%和100%.依次按照集料—膠凝材料—飽水球形SAP—水—減水劑的加料順序拌和混凝土.

表2 SFIC基本配合比Table 2 Mix proportion of SFIC kg／m3

大粒徑球形SAP 的吸水速率遠低于常規(guī)粉狀SAP的吸水速率，球形SAP達到飽和需耗時300min左右，而粉狀SAP 僅需2min左右.這一點決定了常規(guī)內養(yǎng)護所用粉狀SAP 可以以干粉狀態(tài)拌入混凝土，而大粒徑球形SAP 須先進行預飽水處理，再引入混凝土內.另外，球形SAP 可以大量拌入混凝土內，而粉狀SAP使用量大時會存在絮凝不易分散及泌水等問題.

1.2.2 球形SAP基本性能測試

球形SAP 吸水－釋水循環(huán)：稱取一定量球形SAP，使其吸水飽和，用網袋法測定其吸水率，然后在50 ℃烘箱內烘干；再次使其吸水飽和，測定吸水率，如此循環(huán)多次.

1.2.3 水分擴散測試

成型100mm×100mm×100mm 立方體試件，采用WSX－Ⅱ型內部相對濕度測試儀測定試件自表面向內部50mm 處的相對濕度，精確到1%.為了直觀表征球形SAP在混凝土內部的作用范圍，采用紅墨水作為示蹤材料，用薄刀片將浸泡好的球形SAP平分切成兩半，剖面緊貼培養(yǎng)皿底部，然后將攪拌好的膠凝漿體小心注入培養(yǎng)皿中成型，由此可從培養(yǎng)皿底部觀測SAP的釋水軌跡.

1.2.4 力學性能測試

使用浸泡好的球形SAP Ⅰ，按表2基本配合比成型40mm×40 mm×160 mm 試件，進行標準養(yǎng)護.抗折強度和抗壓強度測定按GB／T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》進行，采用美國產MTS－810材料試驗機測定試件28d彈性模量.

1.2.5 保溫隔熱性能測試

成型40mm×40mm×160mm 試件，標準養(yǎng)護至28 d，將試件進行低溫烘干處理，參照GB／T 10297—1998《非金屬固體材料導熱系數(shù)的測定 熱線法》，采用日本產QTM－500導熱系數(shù)測試儀測定試件導熱系數(shù).

1.2.6 吸聲降噪性能測試

成型φ96×50mm 試件，參照GBJ 88—85《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范》，采用AWA6122型智能電聲測試儀測定試件不同頻率處的吸聲系數(shù).

2 試驗結果與討論

2.1 球形SAP基本性能

SAP在吸水過程中受滲透壓影響較大，外界溶液濃度越大，樹脂網絡內外滲透壓差就越?。?］.圖1為球形SAP Ⅰ（干燥粒徑1.5～2.0mm）在不同溶液濃度下的吸水率隨時間變化的曲線.由圖1可以看出，隨著外界溶液濃度的增大，球形SAP 的吸水率逐漸降低，飽和粒徑逐漸減小；在較高濃度的鹽溶液中球形SAP的吸水速率、吸水率、達到平衡所需時間以及膨脹后的尺寸都較小.由此可見，球形SAP吸水后的粒徑除了由本身干燥粒徑決定外，還可以通過溶液濃度或者浸泡時間進行控制，按照此思路可實現(xiàn)混凝土內部孔結構的控制與設計.

圖1 不同溶液濃度下球形SAP的吸水曲線Fig.1 Absorptivity of spherical SAP in different saline solutions

球形SAP 在0.4mol／L NaCl溶液中的吸水－釋水循環(huán)規(guī)律如圖2所示.由圖2可見，隨著吸水－釋水循環(huán)的進行，球形SAP的飽和吸水率呈現(xiàn)出下降趨勢.這是由于高吸水樹脂在吸水過程中存在一定溶解現(xiàn)象，交聯(lián)鍵發(fā)生水解斷裂，有效吸水成分減少，故經過一定吸水－釋水循環(huán)之后，樹脂吸水率表現(xiàn)出降低趨勢.由此可以推測，球形SAP 在混凝土內部經過長時間干濕循環(huán)之后，或者長期處于潮濕環(huán)境中時，由于溶解現(xiàn)象的存在使其尺寸與原始飽水狀態(tài)相比會有減小趨勢.因此，球形SAP 在混凝土內部應不會出現(xiàn)由于再次吸水，導致體積超過原始尺寸而產生膨脹應力的現(xiàn)象.

圖2 球形SAP吸水－釋水循環(huán)Fig.2 Absorption－desorption cycles of spherical SAP

2.2 混凝土內部相對濕度變化及水分擴散規(guī)律

圖3為摻加球形SAP的試件SFIC－3與未摻加球形SAP 的試件SFIC－1 早期內部相對濕度的對比.由圖3可以看出，在低水灰比下，SFIC－1內部相對濕度在水泥水化作用下，21d時降至58.5%，而SFIC－3內部相對濕度在21d時僅下降了4.0%，比SFIC－1高出28.5%，這證明球形SAP 在混凝土內部有持久釋水的作用，在很大程度上延緩了混凝土內部相對濕度的降低時間.研究表明［6－7］，當混凝土內部相對濕度低于75.0%時，水泥水化將會受到明顯抑制，因此球形SAP的存在有助于促進水泥等膠凝材料的水化.

圖3 摻加球形SAP的混凝土試件與未摻球形SAP的空白混凝土試件內部相對濕度變化Fig.3 Internal relative humidity change of concrete with and without spherical SAP

觀察使用紅墨水標記的球形SAP在混凝土內部的釋水軌跡，可以發(fā)現(xiàn)球形SAP在漿體內部各種因素作用下釋放水分，在其周圍形成了1個環(huán)形養(yǎng)護層.表3為不同粒徑球形SAP所形成的環(huán)形養(yǎng)護范圍.由表3可見，球形SAP粒徑越大，環(huán)形養(yǎng)護范圍也越大.表3數(shù)據(jù)來自凈漿成型試塊，其結構致密，在混凝土試件中，由于內部孔隙等缺陷的存在，球形SAP水分擴散范圍可能更大.根據(jù)Lura［8］的研究結果，輕集料（粒徑4～8mm）對其周圍漿體的養(yǎng)護范圍僅有1mm 左右，即使所有粗集料都用輕集料替代，也只有70%的漿體得到養(yǎng)護.可見，大粒徑球形SAP在混凝土內部具有作用范圍更大的持久養(yǎng)護作用.

表3 不同粒徑球形SAP水分擴散范圍Table 3 Moisture diffusion range of spherical SAP with different particle sizes

2.3 物理力學性能

為了研究大摻量球形SAP 對混凝土后期強度的影響，該部分試驗中所成型的試件在標準養(yǎng)護28d后用保鮮膜密封保存至1a.圖4 為不同球形SAP摻量下混凝土試件的強度發(fā)展規(guī)律.由圖4可以看出，球形SAP 摻量對試件強度影響顯著.當球形SAP取代率由0%增大到100%時，混凝土試件28d抗壓強度由68 MPa降低到4 MPa，其中球形SAP取代率為40%的混凝土試件SFIC－3，1a后的抗壓強度達到40MPa以上.此外，雖然混凝土試件28d后停止了標準養(yǎng)護，但放置1a后仍表現(xiàn)出較大程度的強度增長，球形SAP取代率100%的混凝土試件SFIC－6抗壓強度回升至8MPa，抗壓強度增長率最大.分析認為，在停止28d標準養(yǎng)護后試件內部相對濕度逐漸下降，在濕度差的驅動下球形SAP逐漸釋放其內部儲存的水分，起到了調節(jié)混凝土內部濕度場，促進水泥后期水化及礦物質摻和料水化的作用.球形SAP 取代率越大，混凝土內部水泥石得到的養(yǎng)護越充分.根據(jù)文獻［9］，在混凝土水灰比為0.5，養(yǎng)護齡期28d時礦渣在水泥漿體中的反應程度在40%以下，粉煤灰的反應程度在10%以下.也有研究［10］表明，水泥水化28d時粉煤灰仍然沒有發(fā)生反應.總體而言，在大摻量球形SAP 的釋水作用下，水泥、粉煤灰和礦渣等的后期水化程度得以促進，提高了混凝土的后期強度增長.

圖4 不同齡期SFIC的強度發(fā)展Fig.4 Strength development of SFIC at different ages

圖5為球形SAP取代率對混凝土試件28d彈性模量的影響.由圖5 可見，SAP 摻量對混凝土彈性模量影響顯著，表現(xiàn)出了與抗壓強度相似的下降趨勢；當球形SAP取代率由0%增大到100%時，試件28d彈性模量由31.0GPa降低至2.5GPa.試件彈性模量隨球形SAP 取代率的增大而下降的原理與輕集料替代碎石類似［11］，這是因為：球形SAP 取代率增大，混凝土內部單位體積內的骨料含量降低.一般而言，骨料用量越低，混凝土彈性模量越小.此外，混凝土內部孔隙率的增大對其彈性模量也有一定影響.

圖5 球形SAP取代率對SFIC彈性模量的影響Fig.5 Elastic modulus of SFIC as a function of replacement rate（by volume）of spherical SAP

普通混凝土為脆性材料，當抗壓強度由10MPa增大到60MPa時，其折壓比（抗折強度ft／抗壓強度fc）由約1／10降至約1／15，幾乎呈直線下降，通過引入橡膠顆粒等彈性改性組分可改善其韌性.圖6為球形SAP取代率對混凝土試件折壓比的影響.

圖6 球形SAP取代率對SFIC折壓比的影響Fig.6 Bend－press ratio of SFIC as a function of replacement rate（by volume）of spherical SAP

由圖6可見，在纖維摻量相同的情況下，球形SAP的摻入可在一定程度上改善混凝土的折壓比；當未摻球形SAP時，混凝土試件的折壓比為1／5左右，當球形SAP取代率增大時，試件的折壓比在一定范圍內表現(xiàn)出增大趨勢；但是，球形SAP 的過量摻入會對試件強度造成不利影響，其折壓比反而不如未摻球形SAP的空白樣.

圖7為球形SAP 取代率對混凝土試件理論球形孔隙率及密度的影響.

圖7 球形SAP取代率對SFIC的理論球形孔隙率和密度的影響Fig.7 Theoretical spherical porosity and density of SFIC as a function of replacement rate（by volume）of spherical SAP

由圖7可見，球形SAP取代率越大，混凝土試件內部球形孔隙率越高，密度越低.當球形SAP取代率達40%時，混凝土試件密度降低至1 900 kg／m3以下，達到輕骨料混凝土范疇.當采用陶砂（表觀密度1 680kg／m3）作為細集料時，其密度可降至1 600kg／m3以下，最低可至640kg／m3.該種功能型混凝土固體原料用量約為1 500kg／m3，而普通混凝土約為2 200kg／m3，可節(jié)約固體原料用量37%左右.雖然該種功能型混凝土原材料成本約為普通混凝土的2倍左右，但其在偏遠地區(qū)和遠海地區(qū)等地因節(jié)約大量原材料運輸量所降低的運輸成本卻是不可忽視的.

2.4 保溫隔熱性能

混凝土的導熱系數(shù)主要取決于骨料類型、孔隙率和干濕狀態(tài)［12－13］.表4為由不同集料制備的普通混凝土典型導熱系數(shù).

表4 不同集料制備的普通混凝土導熱系數(shù)Table 4 Thermal conductivity of normal concrete made of different coarse aggregates

圖8 球形SAP取代率對SFIC導熱系數(shù)的影響Fig.8 Thermal conductivity of SFIC as a function of replacement rate（by volume）of spherical SAP

圖8為球形SAP 取代率對混凝土試件導熱系數(shù)的影響.由圖8可見，隨著球形SAP 取代率的增大，混凝土試件的導熱系數(shù)顯著降低，其保溫隔熱性能得到改善；當球形SAP 取代率為0%時，混凝土試件實測導熱系數(shù)為2.626 W／（m·K），當球形SAP取代率增大到100%時，其導熱系數(shù)降低至0.316W／（m·K）.球形SAP之所以能顯著改善混凝土的保溫性能，是因為其在混凝土內部形成了大量封閉、獨立的球形孔（見圖9），這樣既降低了骨料的含量又增加了混凝土內部的球形孔隙率.加氣混凝土的導熱系數(shù)通常在0.080～0.250W／（m·K），但強度較低；干密度為1 200～1 600kg／m3的黏土陶?；炷翆嵯禂?shù)為0.530～0.840W／（m·K）.可見，通過混凝土內部球形SAP的合理設計可以使該種混凝土的保溫隔熱性能超過同密度等級的輕集料混凝土，具有在保溫隔熱材料方面的應用潛力.

圖9 SFIC內部球形孔斷面圖Fig.9 Cross－section of spherical pores in SFIC

2.5 吸聲降噪性能

輪胎與路面的接觸噪聲是交通噪聲中的主要噪聲源，路面與輪胎的噪聲頻率主要集中在600～1 250Hz.本試驗主要測試250，500，800，1 000，1 600，2 000Hz處的吸聲系數(shù)，不同球形SAP摻量下SFIC 的吸聲系數(shù)及降噪系數(shù)如表5 所示.與空白樣相比，摻加球形SAP后混凝土試件在1 000Hz處出現(xiàn)了吸聲峰值，且吸聲系數(shù)峰值達0.877.根據(jù)文獻［14］，采用混響室法測得的普通混凝土路面吸聲系數(shù)為0.090，密級配瀝青路面為0.220，低噪音瀝青混凝土路面為0.430.可見，球形SAP的摻入改變了混凝土內部的孔結構，使其吸聲降噪性能超過了密級配瀝青路面，表現(xiàn)出良好的吸聲降噪潛力.

表5 不同球形SAP取代率下SFIC的吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)Table 5 Sound absorption coefficient and noise reduction coefficient of SFIC under different replacement rates（by volume）of spherical SAP

從路面的角度考慮，降噪主要涉及吸聲和減振.球形SAP可以顯著改善混凝土材料吸聲性能，主要原因為：球形SAP在混凝土內部及表面產生較多球形孔，由于這種特殊的球形孔結構，聲波在孔壁表面被多次反射吸收；另外，球形SAP是高彈性高分子材料，類似于橡膠顆粒［15］，具有阻尼特性，從而使該種混凝土可以同時吸收輪胎振動和沖擊，產生降噪效果.

3 結論

（1）利用球形SAP 形狀規(guī)則、數(shù)量及粒徑易于控制的特點，實現(xiàn)混凝土內部孔結構的準確控制，制備出一種基于內部孔結構的功能型混凝土.

（2）球形SAP在混凝土內部起到較好的養(yǎng)護作用，可調節(jié)混凝土內部相對濕度，顯著延緩混凝土內部相對濕度的降低，促進混凝土后期強度的持續(xù)增長.

（3）通過內部造孔，混凝土的保溫隔熱性能、吸聲降噪性能得到顯著改善，導熱系數(shù)降至0.316W／（m·K），降噪系數(shù)達0.348，峰值吸聲系數(shù)達0.877，具有保溫隔熱、吸聲降噪等功能.

（4）隨著球形SAP 取代率的提高，混凝土的強度及彈性模量均表現(xiàn)出顯著的下降趨勢.通過控制球形SAP的取代率，可制備出抗壓強度高于40MPa的混凝土.

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