MPC混凝土制備及其力學(xué)性能試驗研究

謝 劍，李 明，白偉亮

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300072；3.中國電子工程設(shè)計院有限公司，北京 100142；4.中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100142)

磷酸鎂水泥(magnesium phosphate cement，MPC)主要是由磷酸鹽、重?zé)趸V、緩凝劑等材料按照一定比例組合而成的一種氣硬性膠凝材料.區(qū)別于傳統(tǒng)硅酸鹽水泥，MPC的水合作用主要是磷酸鹽與氧化鎂之間的酸-堿中和反應(yīng)，水化產(chǎn)物是一種類似于鳥糞石的水化凝膠體[1-2].MPC由于其早期強度高、體積穩(wěn)定性好、黏結(jié)性強等優(yōu)點，目前主要應(yīng)用于工程的快速修復(fù)與加固、固化放射性核廢料及有害金屬離子等方面[3-6].然而MPC凝結(jié)時間過快導(dǎo)致材料可操作性差，使其應(yīng)用范圍十分有限.當(dāng)前延長凝結(jié)時間的方法主要是依靠緩凝劑，目前常用的緩凝劑有硼砂、硼酸、六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉及一系列的復(fù)合緩凝劑等，這些緩凝劑的加入雖然有效延長了MPC的凝結(jié)時間，但對其早期強度發(fā)展有明顯的削弱作用.由于MPC凝結(jié)時間不可控，利用MPC作為膠凝材料制備混凝土的應(yīng)用研究還不是很多.劉新狀等[7]研究了不同配合比的MPC混凝土，發(fā)現(xiàn)隨著膠骨比的增加，MPC混凝土的強度先增長后降低.紀(jì)方[8]對MPC混凝土在高溫下的力學(xué)性能展開研究，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高MPC混凝土的力學(xué)性能有劣化趨勢.陶琦等[9]對負(fù)溫下的MPC混凝土的力學(xué)性能和抗凍性進行研究，發(fā)現(xiàn)其在低溫下力學(xué)性能損失較小，抗凍性能優(yōu)異.李九蘇等[10]發(fā)現(xiàn)MPC混凝土耐水性較差，但耐硫酸鹽、氯鹽腐蝕性較好.余家歡等[11-12]發(fā)現(xiàn)將聚丙烯纖維摻加到MPC混凝土中，可有效提高其抗壓抗折強度以及耐磨和抗凍等耐久性能，同時還研究了摻加無機外加劑以提高MPC混凝土的耐水性能，結(jié)果表明加入不同的磷酸鹽、硅灰以及聚丙烯纖維均能不同程度提高MPC混凝土的耐水性能.白曉彤[13]制備了一種MPC混凝土專門用于立面修復(fù)，修復(fù)效果明顯且耐久性優(yōu)良.陳兵等[14]利用磷酸鎂水泥和聚苯乙烯泡沫制備一種輕質(zhì)混凝土材料，研究發(fā)現(xiàn)其可作為一種性能優(yōu)良的保溫隔熱材料.通過對研究現(xiàn)狀的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前MPC混凝土的研究方向比較分散，各學(xué)者并未進行深入研究，處于研究起步階段，MPC混凝土還未形成完整體系.但是MPC混凝土的優(yōu)異性能，使其未來在建筑領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景，例如單春明等[15]研究表明將MPC混凝土用于裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件接縫材料可很好地發(fā)揮MPC混凝土自身的優(yōu)勢.

為制備MPC混凝土，凝結(jié)時間的調(diào)控是關(guān)鍵因素，陳兵等[16-17]在MPC中加入偏高嶺土對其進行改性研究，發(fā)現(xiàn)加入偏高嶺土的MPC膠凝材料凝結(jié)時間延長，進一步增強了其早期強度和黏結(jié)強度，同時微觀結(jié)構(gòu)分析表明偏高嶺土中的活性Al2O3與磷酸鹽發(fā)生水化反應(yīng)并形成AlPO4和AlH3(PO4)2·H2O等非晶態(tài)凝膠，這些物質(zhì)進一步改善了MPC的力學(xué)性能.陳兵等[18-20]基于對MPC的研究，以其為膠凝材料研制出植物莖稈增強混凝土和泡沫MPC混凝土等綠色輕質(zhì)MPC基材料，其導(dǎo)熱系數(shù)低，可用于建筑保溫材料.基于陳兵等的研究，本文利用活性偏高嶺土和高性能空心玻璃微珠對MPC進行改性得到凝結(jié)時間可控且性能優(yōu)良的改性MPC.

基于MPC的優(yōu)良性能以及當(dāng)前加固材料面臨的加固施工周期長、與舊混凝土結(jié)構(gòu)黏結(jié)效果差等問題，本文利用改性MPC制備不同骨料的MPC混凝土，測試?yán)庵w抗壓強度，并采集其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，利用過鎮(zhèn)海模型[21]對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進行描述，同時對比其與普通混凝土的力學(xué)性能差異，為MPC混凝土的結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用提供指導(dǎo).

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

MPC混凝土主要由兩部分組成：一部分是改性MPC膠凝材料，另一部分是組成混凝土的粗細(xì)骨料.

1)改性MPC

改性MPC主要由重?zé)趸V(MgO)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、活性偏高嶺土(MK)、高性能空心玻璃微珠(MG)和緩凝劑按照一定比例組合而成.其中改性成分為MK和MG，試驗用改性MPC膠凝材料凝結(jié)時間可達30 min以上，凈漿流動度達100 mm以上，凈漿抗折強度達到5 MPa以上，凈漿抗壓強度達到45 MPa以上.改性MPC組成成分及各組分比例如表1所示，混合均勻的改性MPC粉體如圖1所示，呈白色粉體狀.

表1 改性MPC材料各組分比例

2)骨料

本試驗利用改性MPC膠凝材料制備3種不同密度等級的MPC混凝土，其中輕質(zhì)粗細(xì)骨料分別選用宜昌光大陶粒廠生產(chǎn)的900級碎石型頁巖陶粒和700～800級頁巖陶砂，普通粗細(xì)骨料分別選用級配細(xì)石和河砂，骨料主要性能如表2所示.

表2 混凝土骨料性能

1.2 MPC混凝土制備

本文以改性MPC為膠凝材料制備3種不同表觀密度的MPC混凝土，其中普通碎石MPC混凝土骨料采用普通碎石和河砂，砂輕MPC混凝土骨料采用頁巖陶粒和河砂，全輕MPC混凝土骨料采用頁巖陶粒和頁巖陶砂.根據(jù)配合比常用參數(shù)選取骨膠比和砂率2個試驗參數(shù)進行試配，MPC混凝土配合比如表3所示.按照每種配合比分別制作2組邊長100 mm立方體試塊，養(yǎng)護完成后分別測試7 d和28 d立方體抗壓強度.

制備時首先將MPC各組分按比例混合均勻，之后加入細(xì)骨料再次混合均勻，加水迅速攪拌成漿體，加入粗骨料攪拌成混凝土，倒入試模澆筑成型，2 h后拆模進行自然養(yǎng)護.強度及表觀密度測試結(jié)果如表3所示，首先7 d立方體抗壓強度基本達到40 MPa左右，其次骨膠比及砂率對強度的影響規(guī)律不是十分明顯.對比不同齡期強度情況，MPC混凝土具有早期強度高、強度發(fā)展快的特點.同時根據(jù)立方體表觀密度計算結(jié)果可以得到，全輕MPC混凝土可達1 600級，砂輕MPC混凝土可達1 700級，普通碎石MPC混凝土可達2 000級.另外，MG的加入，降低了MPC的密度，輕質(zhì)骨料未發(fā)生上浮現(xiàn)象，最終骨料在混凝土內(nèi)均勻分布.

表3 MPC混凝土配合比及力學(xué)性能測試結(jié)果

1.3 單軸受壓試件設(shè)計

單軸抗壓試驗采用棱柱體試件，尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，根據(jù)前期MPC混凝土試配結(jié)果，每種類別的MPC混凝土選取1組最優(yōu)配合比制作棱柱體試件，每組制作3個平行試件，同時制作1組C40混凝土棱柱體作為對照組.C40混凝土骨料選用級配細(xì)石及河砂，編號C1～C3.共制作棱柱體試件4組用于試驗，每組棱柱體試件配合比如表4所示.

表4 棱柱體試件配合比

棱柱體試件養(yǎng)護成型如圖2所示，MPC混凝土試件澆筑成型脫模后養(yǎng)護7 d，C40混凝土試件養(yǎng)護28 d，達到規(guī)定齡期后分別進行單軸抗壓試驗.

1.4 單軸受壓試驗測試

本試驗在電液伺服壓力機下進行，采用等應(yīng)變加載的方式.在試件中部100 mm純壓段相對布置2個WTB-100型工具式表面應(yīng)變傳感器，測量軸向壓應(yīng)變，在水平方向橫向相對布置2個120-50AA混凝土應(yīng)變片，測量橫向拉應(yīng)變.在試件與壓力機間布置一個壓力傳感器對荷載值實時采集.試驗加載裝置如圖3所示.

測試時分為預(yù)壓調(diào)試階段和正式試驗階段，預(yù)壓調(diào)試階段主要通過預(yù)壓調(diào)節(jié)使棱柱體軸心受壓；在正式試驗階段時加載速度采用10×10-6～20×10-6ε/s，利用靜態(tài)應(yīng)變采集儀對荷載、純壓段的豎向壓應(yīng)變、橫向拉應(yīng)變進行實時采集，之后經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到每種材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并計算得到材料的彈性模量以及泊松比等力學(xué)性能指標(biāo).

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗過程及現(xiàn)象

C40混凝土棱柱體經(jīng)預(yù)壓調(diào)整保證軸心受壓后進入正式加載階段，試驗在位移控制下進行，開始階段荷載緩慢均勻增長，隨著荷載的增加，當(dāng)荷載接近峰值荷載時，試件中部開始出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的繼續(xù)增加裂縫迅速開展，隨后隨著“砰”的一聲，荷載值不再增長，隨即開始下降，試驗結(jié)束.

3種MPC混凝土試驗現(xiàn)象基本一致，預(yù)壓調(diào)節(jié)保證試件軸心受壓后開始正式加載，試驗初期荷載值隨著位移的增加均勻增長，呈線性增長趨勢.當(dāng)接近峰值荷載時，棱柱體中部開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，緊接著荷載值不再增長，隨著“砰”的一聲，棱柱體試件呈炸裂狀，荷載迅速下降.觀察試件破壞后的狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，3種MPC混凝土破壞后呈現(xiàn)中部錐形破壞的特征，并且部分裂縫延伸至上下兩端，破壞后的試件比較松散(如圖4(b)～(d)).觀察3種MPC混凝土界面破壞特征可以發(fā)現(xiàn)：普通碎石MPC混凝土破壞界面為水泥碎石之間界面黏結(jié)破壞，界面碎石未發(fā)現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象(如圖5(a)所示)；砂輕MPC混凝土破壞界面為2類，即水泥與碎石之間界面黏結(jié)破壞和界面頁巖陶粒剪切破壞(如圖5(b)所示)；全輕MPC混凝土破壞界面均為界面頁巖陶粒剪切破壞，大部分頁巖陶粒被破壞界面切斷，個別粒徑較大的陶砂也被破壞面切斷(如圖5(c)所示).

2.2 應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系及特征值

通過處理棱柱體單軸受壓試驗數(shù)據(jù)，得到4種混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，由于MPC混凝土脆性明顯，破壞突然，能量釋放迅速，所以，僅測得應(yīng)力下降段的一部分.本文采用過鎮(zhèn)海[21]本構(gòu)模型對4種材料的上升段以及下降段趨勢進行描述，該模型以量綱一化的應(yīng)力和應(yīng)變作為x軸和y軸，對上升和下降2段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分別進行描述，其分段數(shù)學(xué)表達式如下：

(1)

A=E0/Ep

(2)

式中：A為上升段參數(shù)；E0為混凝土初始彈性模量；Ep為峰值點處混凝土割線模量；a為表示下降段的陡峭程度的參數(shù)，即與下降段的剛度絕對值正相關(guān)；x為量綱一化處理之后的應(yīng)變；y為量綱一化處理之后的應(yīng)力.

將4組應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)進行處理，得到4種混凝土材料本構(gòu)模型參數(shù)值(如表5所示)，可以發(fā)現(xiàn)幾種混凝土材料上升段參數(shù)A值基本一致，但MPC混凝土的下降段參數(shù)a值較大，下降段呈現(xiàn)更加陡峭的特性，這與試驗現(xiàn)象基本吻合.將4種材料的量綱一化的曲線分別乘以相應(yīng)的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變后繪制各自的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)曲線，各曲線與應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合良好.將4類材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系理論曲線進行對比(如圖6所示)，得出MPC混凝土上升段的曲線斜率明顯小于普通混凝土，說明其彈性模量明顯小于普通混凝土.觀察下降段可以發(fā)現(xiàn)，MPC混凝土較普通混凝土斜率更大，應(yīng)力下降速度更快.

表5 本構(gòu)模型參數(shù)

曲線峰值應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)如表6所示.對比曲線的峰值應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，普通碎石及砂輕MPC混凝土較C40混凝土偏小，全輕MPC混凝土與C40混凝土基本一致，其中普通碎石MPC混凝土的峰值應(yīng)力最小僅為26.73 MPa.對比曲線的峰值應(yīng)變數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，C40混凝土峰值應(yīng)變?yōu)?×10-3左右，但是普通碎石MPC混凝土的峰值應(yīng)變基本上是C40混凝土的1.5倍，即3×10-3左右，砂輕和全輕MPC混凝土達到C40混凝土的1.8倍，即3.6×10-3左右.峰值應(yīng)變的影響因素較多，在峰值應(yīng)力基本一致的情況下，本文峰值應(yīng)變主要與材料的彈性模量有關(guān).

2.3 彈性模量及泊松比

彈性模量和泊松比是材料變形的2個主要性能指標(biāo).首先根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)計算4種材料的彈性模量，本文采用《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081—2002)[22]中關(guān)于彈性模量的計算方法，計算公式為

(3)

式中：Ec為混凝土彈性模量，MPa；Fa為應(yīng)力為1/3軸心抗壓強度時的荷載，N；F0為應(yīng)力為0.5 MPa時的初始荷載，N；A為試件承壓面積，mm2；L為測量標(biāo)距，mm；Δn為從F0加荷至Fa試件兩側(cè)平均變形值，mm.

彈性模量計算結(jié)果如表6所示，由計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，首先MPC基材料的彈性模量明顯小于硅酸鹽水泥基材料，其次當(dāng)使用陶粒陶砂作為混凝土骨料時，彈性模量進一步下降.導(dǎo)致MPC混凝土彈性模量偏小的原因是：第一輕質(zhì)骨料的多孔結(jié)構(gòu)使得其自身彈性模量顯著低于普通碎石材料，另外，MPC材料由于水化反應(yīng)速度過快，其內(nèi)部多存在大量氣孔結(jié)構(gòu).與此同時，彈性模量偏小將對構(gòu)件剛度產(chǎn)生不利影響，因此，MPC混凝土的實際應(yīng)用效果有待進一步考證.

表6 混凝土彈性模量及峰值應(yīng)力、應(yīng)變值

泊松比是反映材料橫向變形性能的彈性系數(shù)，袁群等[23]曾在研究橡膠混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗中發(fā)現(xiàn)，混凝土材料的泊松比隨著應(yīng)力的增加呈上漲的趨勢，但在應(yīng)力較小的階段，其泊松比基本為一個定值.然后，將橫向應(yīng)變與中部縱向應(yīng)變的比值作為混凝土的泊松比.由于泊松比隨應(yīng)力呈上漲趨勢，故分別計算1/3峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)力時的泊松比，并進行對比分析(如表7所示).首先4種材料1/3峰值應(yīng)力時的泊松比基本為0.19～0.22，處于常見混凝土彈性階段泊松比范圍.對比峰值應(yīng)力時的泊松比可以發(fā)現(xiàn)，MPC混凝土的泊松比高于C40混凝土，并且隨著輕質(zhì)骨料的增多，其泊松比進一步增大.脆性材料泊松比變化的影響因素主要是內(nèi)部裂縫的發(fā)展程度，由峰值應(yīng)力時的泊松比數(shù)據(jù)可以得出MPC混凝土在達到峰值應(yīng)力時其內(nèi)部裂隙發(fā)展明顯多于普通混凝土材料，同時也導(dǎo)致MPC混凝土材料的最終破壞現(xiàn)象更加劇烈，破壞后試件更加松散.

表7 混凝土泊松比

3 結(jié)論

1)MPC混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上升段斜率明顯小于普通混凝土，并且峰值應(yīng)力相差不大時，峰值應(yīng)變明顯高于普通混凝土.

2)MPC混凝土的彈性模量明顯小于普通混凝土，同時輕質(zhì)骨料使得砂輕和全輕MPC混凝土的彈性模量進一步減小，最終得到MPC混凝土彈性模量為12～14 GPa.

3)4種材料彈性階段泊松比均處于常見混凝土泊松比范圍，對比峰值應(yīng)力泊松比，發(fā)現(xiàn)MPC混凝土泊松比高于普通混凝土，達到峰值應(yīng)力時，MPC混凝土的內(nèi)部裂隙發(fā)展比例更高，最終破壞現(xiàn)象更加劇烈.

4)MPC混凝土材料破壞突然，破壞后的試件呈松散狀，韌性較差，后期可加入纖維對MPC混凝土的韌性進行改善.

5)本文制備不同密度等級的MPC混凝土，首先進一步拓展了MPC的應(yīng)用范圍，同時良好的強度使其可以很好地用作結(jié)構(gòu)材料.通過對其力學(xué)性能進一步探究，得到了MPC混凝土的優(yōu)缺點，可以使其應(yīng)用過程中做到揚長避短，對工程應(yīng)用提供可靠指導(dǎo).