輕集料對(duì)超高性能混凝土工作和力學(xué)性能的影響

張高展， 王宇譞， 葛競(jìng)成， 楊 軍， 魏 琦

(1.安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601; 2.安徽省先進(jìn)建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230022)

超高性能混凝土(UHPC)是一種基于最佳顆粒級(jí)配的典型水泥基復(fù)合材料，通常情況下其水膠比低于0.25，抗壓強(qiáng)度不低于100MPa，開(kāi)裂后抗拉強(qiáng)度不低于5MPa[1-3].UHPC一般可分為兩大類，一類是在活性粉末材料、工程復(fù)合膠凝材料等DSP(densified with small particles)材料中加入纖維和石英粉等；一類是在DSP材料中加入砂、碎石等粗細(xì)集料得到的超高強(qiáng)度UHPC[4].相比普通高性能混凝土，UHPC不僅具有更高的強(qiáng)度，其耐久性能、延性和吸能性能也得到大幅提升[2-3,5]，在預(yù)制橋梁、海上平臺(tái)、地下空間等土建工程中均顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，是混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向[6].

然而，UHPC的設(shè)計(jì)原理決定了其存在收縮大、易開(kāi)裂的問(wèn)題.國(guó)內(nèi)外學(xué)者從膨脹劑[7]、內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料[8-10]、粗集料[11]等角度開(kāi)展了大量UHPC的減縮抗裂研究.本課題組[12-14]則利用高吸水率、中低強(qiáng)度輕集料對(duì)UHPC進(jìn)行減縮抗裂研究，并取得了良好效果.輕集料內(nèi)部多孔，預(yù)濕后具有顯著的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)，尤其是在低水膠比的UHPC中效果更為顯著，可明顯改善UHPC的體積穩(wěn)定性.但輕集料孔隙率高、強(qiáng)度低的特點(diǎn)也勢(shì)必顯著影響UHPC的工作性能和力學(xué)性能，因此有必要探明輕集料顆粒特性的影響.本文基于顆粒最緊密堆積原理來(lái)確定膠凝材料組成和輕集料顆粒級(jí)配，優(yōu)化得出輕集料超高性能混凝土(LUHPC)的基準(zhǔn)配合比，并研究輕集料的粒形、預(yù)吸水率和摻量對(duì)LUHPC工作性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律及其機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

P·O 52.5水泥；硅灰，其中的SiO2含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文涉及的含量、需水量比、膠砂比等除特別說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)為96%，比表面積21500m2/kg；粉煤灰微珠，需水量比90%；上述膠凝材料的化學(xué)組成見(jiàn)表1.石英砂，表觀密度2600kg/m3；輕集料，800級(jí)球形黏土陶粒，筒壓強(qiáng)度5.3MPa，表觀密度1350kg/m3，粒徑范圍0.15～4.75mm，飽和預(yù)濕時(shí)的吸水率17.6%，碎石形陶粒由其破碎篩分而來(lái)；鍍銅鋼纖維，φ0.22×13mm，抗拉強(qiáng)度2850MPa；聚羧酸減水劑，減水率30%.

表1 膠凝材料化學(xué)組成

1.2 LUHPC配合比設(shè)計(jì)與制備

1.2.1配合比設(shè)計(jì)

基于Aim-Goff三元體系模型[15-17]并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定UHPC膠凝材料組成為：m(水泥)∶m(硅灰)∶m(粉煤灰)=1.00∶0.26∶0.12；基于文獻(xiàn)[18-19]關(guān)于集料與鋼纖維相互關(guān)系理論，確定輕集料最大粒徑為2mm；采用修正Andreasen&Andersen法計(jì)算輕集料顆粒級(jí)配[20]，其計(jì)算方法考慮了最大和最小粒徑的級(jí)配，表達(dá)式見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：p′(d)為粒徑小于d的集料累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；dmin、dmax分別為集料最小粒徑和最大粒徑；q為分布模量，取值為0.23.

試驗(yàn)用輕集料粒徑范圍為0.15～2.00mm，則dmin為0.15mm，dmax為2.00mm.依據(jù)式(1)計(jì)算得輕集料顆粒級(jí)配(見(jiàn)表2)，最終確定輕集料的顆粒級(jí)配為5個(gè)等級(jí)，具體為0.15～0.18mm、0.18～0.25mm、0.25～0.425mm、0.425～0.85mm、0.85～2.00mm，質(zhì)量比為0.05∶0.10∶0.18∶0.27∶0.40.

表2 輕集料顆粒級(jí)配

基于上述膠凝材料組成和輕集料顆粒級(jí)配，通過(guò)調(diào)控鋼纖維摻量(體積分?jǐn)?shù))、膠砂比和外加劑適應(yīng)性，確定了LUHPC的基準(zhǔn)配合比，見(jiàn)表3.

表3 LUHPC基準(zhǔn)配合比

1.2.2試件制備與養(yǎng)護(hù)

將陶粒裝入網(wǎng)袋后放入水中預(yù)濕至需要程度，取出晾至面干，得到預(yù)濕陶粒.將按基準(zhǔn)配合比稱取的水泥、硅灰、粉煤灰微珠、1/3量的鋼纖維、預(yù)濕陶粒倒入混凝土攪拌機(jī)中干拌1～3min，待充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠹尤?0%水和減水劑繼續(xù)攪拌3～6min，獲得均勻流動(dòng)漿體；然后邊攪拌邊均勻撒入剩余2/3量的鋼纖維、剩余的20%水和減水劑，攪拌3～5min 后裝模成型；在成型試模表面覆蓋保鮮膜后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期.力學(xué)性能試件均為GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試件.

1.3 試驗(yàn)方法

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試LUHPC拌和物的坍落度和擴(kuò)展度；按照GB/T 31387—2015測(cè)試LUHPC的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量；利用超景深三維數(shù)碼顯微鏡表征LUHPC的界面區(qū)三維形態(tài)；利用掃描電子顯微鏡表征輕集料表面形貌和界面區(qū)二維形貌.

2 結(jié)果與討論

2.1 輕集料對(duì)LUHPC拌和物工作性能的影響

2.1.1輕集料粒形

輕集料粒形對(duì)LUHPC拌和物坍落度和擴(kuò)展度的影響結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 碎石形和球形陶粒LUHPC拌和物的工作性能

由表4可知，球形陶粒LUHPC初始和2h的坍落度與擴(kuò)展度均明顯優(yōu)于碎石形陶粒LUHPC，而球形陶粒和碎石形陶粒LUHPC的2h坍落度損失率分別為6.8%和7.5%，2h擴(kuò)展度損失率分別為5.7%和7.1%，說(shuō)明陶粒粒形對(duì)LUHPC拌和物的工作性能影響較明顯.從LUHPC拌和物工作性能考慮，輕集料粒形宜為球形.王德輝[21]、吳波等[22]研究也發(fā)現(xiàn)，集料的球形度越大，混凝土的工作性能越好.

2.1.2輕集料預(yù)吸水率

輕集料預(yù)吸水率對(duì)LUHPC拌和物坍落度和擴(kuò)展度的影響見(jiàn)圖1.

由圖1可見(jiàn)，隨著陶粒預(yù)吸水率的增大，LUHPC拌和物初始、2h的坍落度和擴(kuò)展度均明顯增大，但增幅逐步降低.此外，陶粒預(yù)吸水率越低，LUHPC拌和物工作性能損失越大，利用預(yù)吸水率10%陶粒制備的LUHPC拌和物2h坍落度和擴(kuò)展度損失分別達(dá)22%和10%.以上結(jié)果表明，輕集料預(yù)吸水率是影響LUHPC拌和物工作性能的關(guān)鍵因素.提高輕集料預(yù)吸水率有利于改善LUHPC拌和物的工作性能，但當(dāng)預(yù)吸水率超過(guò)一定值后改善效果有限.輕集料預(yù)吸水率明顯低于其飽和吸水率時(shí)，輕集料在LUHPC拌和過(guò)程中會(huì)吸收膠凝漿體中的水分，導(dǎo)致拌和物水膠比降低，工作性能變差[23].而當(dāng)輕集料預(yù)吸水率增大后，其吸收膠凝漿體中水分的能力減弱，尤其是輕集料預(yù)吸水率超過(guò)13%后，輕集料和膠凝漿體中的水分可能基本達(dá)到平衡，對(duì)LUHPC拌和物工作性能的影響變小.

圖1 輕集料預(yù)吸水率對(duì)LUHPC拌和物工作性能的影響

2.1.3輕集料摻量

基于表3基準(zhǔn)配合比，以石英砂和預(yù)吸水率13%的球形陶粒為集料制備LUHPC，石英砂的顆粒級(jí)配與陶粒保持一致.然而，由于陶粒和石英砂表觀密度差別較大，在摻入石英砂時(shí)，表3基準(zhǔn)配合比中集料的體積分?jǐn)?shù)需保持一致.輕集料摻量(以陶粒體積分?jǐn)?shù)φc表示)對(duì)LUHPC拌和物工作性能的影響見(jiàn)圖2.

圖2 輕集料摻量對(duì)LUHPC拌和物工作性能的影響

由圖2可見(jiàn)，隨著輕集料摻量的增加，LUHPC拌和物初始、2h的坍落度和擴(kuò)展度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).由于陶粒呈球形，受到膠凝漿體的黏滯力較小，對(duì)LUHPC拌和物起到潤(rùn)滑作用，會(huì)增大拌和物流動(dòng)性；隨著輕集料摻量的進(jìn)一步增加，在陶粒自身多孔輕質(zhì)作用下，將導(dǎo)致拌和物密度下降，自重作用下的流動(dòng)性減弱.此外，對(duì)比LUHPC拌和物初始、2h的坍落度和擴(kuò)展度可發(fā)現(xiàn)，隨著輕集料摻量的增加，LUHPC拌和物的坍落度和擴(kuò)展度損失減小，這說(shuō)明預(yù)濕輕集料的摻入減小了LUHPC拌和物的流動(dòng)性損失，但輕集料摻量超過(guò)50%后的減弱效果有限.

2.2 輕集料對(duì)LUHPC力學(xué)性能的影響

2.2.1輕集料粒形

輕集料粒形對(duì)LUHPC力學(xué)性能的影響如表5所示.

表5 碎石形和球形陶粒LUHPC的力學(xué)性能(28d)

由表5可見(jiàn)，球形陶粒LUHPC的28d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均大于碎石形陶粒LUHPC，說(shuō)明陶粒粒形對(duì)LUHPC力學(xué)性能有明顯影響.Kaplan[24]發(fā)現(xiàn)集料形狀指數(shù)對(duì)混凝土力學(xué)性能有較大影響，集料的球形度越大，混凝土力學(xué)性能越好；李洋[25]發(fā)現(xiàn)預(yù)濕球形陶粒會(huì)在高強(qiáng)混凝土中形成“拱殼狀”界面區(qū)，其特殊的形態(tài)能夠均勻分散應(yīng)力，進(jìn)而提升混凝土的力學(xué)性能.

2.2.2輕集料預(yù)吸水率

輕集料預(yù)吸水率對(duì)LUHPC力學(xué)性能的影響如圖3所示.

由圖3可見(jiàn)，隨著陶粒預(yù)吸水率的增加，LUHPC的28d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明陶粒存在最佳預(yù)吸水率.Lo等[26]、楊宇婷[27]研究了輕集料預(yù)吸水率對(duì)輕集料混凝土力學(xué)性能的影響，也發(fā)現(xiàn)了相似規(guī)律.預(yù)濕輕集料在混凝土中具有顯著的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)，尤其是在水膠比較低的高性能混凝土中.因此，當(dāng)輕集料預(yù)吸水率增大時(shí)，其內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果增強(qiáng)，LUHPC內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)和輕集料-水泥石界面區(qū)結(jié)構(gòu)得到改善，LUHPC力學(xué)性能提升.但當(dāng)輕集料預(yù)吸水率過(guò)高時(shí)，輕集料在LUHPC拌和物未終凝時(shí)即開(kāi)始釋水，相當(dāng)于提高了LUHPC的總水膠比，導(dǎo)致其力學(xué)性能降低.

圖3 輕集料預(yù)吸水率對(duì)LUHPC力學(xué)性能的影響

2.2.3輕集料摻量

輕集料摻量φc對(duì)LUHPC力學(xué)性能的影響如圖4所示.

由圖4可見(jiàn)，隨著輕集料摻量的增加，LUHPC的28d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)出先略增后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明輕集料摻量存在一個(gè)最佳值.陶粒自身輕質(zhì)多孔，強(qiáng)度明顯低于石英砂，在LUHPC中摻入陶粒等體積替代石英砂后，其強(qiáng)度理論上應(yīng)降低.然而，摻入的陶粒為球形，替代石英砂后使LUHPC顆粒堆積密度提高[24]；且陶粒表面較石英砂更為粗糙，增加了集料與水泥石間的機(jī)械嚙合作用[28]；此外，陶粒在摻入前預(yù)吸了13%的水分，其內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用也會(huì)改善LUHPC的孔隙結(jié)構(gòu)和界面區(qū)結(jié)構(gòu)[25].以上原因均能改善LUHPC的力學(xué)性能.因此，輕集料摻量為25%時(shí)，LUHPC力學(xué)性能略有提升，說(shuō)明摻入的輕集料正面效應(yīng)高于負(fù)面效應(yīng)；而輕集料摻量為50%、75%和100%時(shí)，LUHPC力學(xué)性能降低，說(shuō)明摻入過(guò)多輕集料后對(duì)其力學(xué)性能帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)更大.但是，輕集料摻量為100%時(shí)，LUHPC的28d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量依然優(yōu)異，分別達(dá)到120.1MPa、12.4MPa和56.2GPa，且其表觀密度僅為1983kg/m3，遠(yuǎn)低于全石英砂UHPC的表觀密度2423kg/m3.因此，從輕質(zhì)化UHPC的角度來(lái)看，球形輕集料100%取代石英砂是完全可行的.

圖4 輕集料摻量對(duì)LUHPC力學(xué)性能的影響

2.3 輕集料對(duì)LUHPC工作性能和力學(xué)性能的影響機(jī)理

2.3.1輕集料粒形分析

球形陶粒和碎石形陶粒呈現(xiàn)出完全不同的顆粒形態(tài)，球形陶粒具有優(yōu)異的球形度，而碎石形陶粒為不規(guī)則形狀.Goktepe等[29]、王蘊(yùn)嘉等[30]研究表明，顆粒狀材料的球形度對(duì)其堆積密度有顯著影響，孔隙比隨球形度增大而減小，材料的密實(shí)程度更高.當(dāng)LUHPC膠凝漿體包裹2種粒形的輕集料時(shí)，球形陶粒四周更易形成潤(rùn)滑層，產(chǎn)生“滾珠”效應(yīng)，改善LUHPC拌和物工作性能，而碎石形陶粒之間相互摩擦咬合，需要更多的膠凝漿體在顆粒間形成潤(rùn)滑層，導(dǎo)致拌和物工作性能變差.此外，球形陶粒帶來(lái)的高密實(shí)度也會(huì)提升硬化LUHPC的力學(xué)性能.

另一方面，焦雙健等[31]利用Ansys軟件模擬了單集料混凝土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著集料球形度的增大，集料邊緣的應(yīng)力降低，球形集料與四邊形集料的最大應(yīng)力差可達(dá)50%；王蘊(yùn)嘉等[30]分析認(rèn)為卵石堆石料強(qiáng)度主要取決于卵石集料內(nèi)部接觸力的各向異性程度，卵石集料球形度越大，接觸力分散越均勻，卵石集料越不容易破碎.這也進(jìn)一步解釋了球形輕集料LUHPC力學(xué)性能優(yōu)于碎石形輕集料LUHPC的原因.

2.3.2輕集料表面形貌分析

圖5為球形陶粒和石英砂顆粒表面形貌SEM圖.

圖5 球形陶粒和石英砂表面形貌SEM圖

由圖5可見(jiàn)，球形陶粒表面粗糙、凸凹不平，且有不少微孔，而石英砂表面致密.由二者表面形貌分析可知，陶粒的親水性明顯優(yōu)于石英砂，陶粒與膠凝漿體在LUHPC拌和物中的裹附性和二者在LUHPC硬化體中的界面黏結(jié)性均明顯優(yōu)于石英砂，進(jìn)而改善了LUHPC的界面.

圖6為L(zhǎng)UHPC中球形陶粒-水泥石和石英砂-水泥石界面區(qū)的微觀形貌圖.

由圖6可見(jiàn)，球形陶粒與水泥石結(jié)合密實(shí)，二者結(jié)合處沒(méi)有明顯的界線，而石英砂與水泥石結(jié)合處的界線分明.陶粒表面粗糙多孔，膠凝漿體裹附時(shí)會(huì)通過(guò)表面孔隙滲入其中，混凝土凝結(jié)硬化后陶粒-水泥石界面呈嵌鎖狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使陶粒-水泥石黏結(jié)更為緊密[28].因此，LUHPC中的輕集料由于其表面特性而增強(qiáng)了與水泥石的黏結(jié)性，進(jìn)而削弱了輕集料自身強(qiáng)度不足對(duì)LUHPC力學(xué)性能帶來(lái)的負(fù)面影響.

2.3.3輕集料內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

由圖6(a)可見(jiàn)，陶粒內(nèi)部存在大量孔隙，預(yù)濕后可以吸收較多的水分，進(jìn)而能夠在LUHPC中充分發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)，改善其界面區(qū)結(jié)構(gòu).對(duì)比圖6(a)、(b)可明顯看出，石英砂-水泥石界面區(qū)疏松多孔，并有明顯的微裂紋存在，而陶粒-水泥石的界面區(qū)結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，與水泥石基體完全融為了一體，界面區(qū)已經(jīng)不再是LUHPC的薄弱環(huán)節(jié).隨著LUHPC膠凝漿體凝結(jié)硬化進(jìn)程的發(fā)展，LUHPC內(nèi)部相對(duì)濕度迅速下降，為了維持LUHPC內(nèi)部相對(duì)濕度平衡，陶粒會(huì)釋放預(yù)吸收的水分，促進(jìn)陶粒周圍膠凝漿體的水化，進(jìn)而改善界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)和性能.國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究表明[32-34]：在高強(qiáng)混凝土中，作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的預(yù)濕輕集料因釋水而使界面區(qū)漿體水化更為充分，使得界面區(qū)性能優(yōu)于水泥石基體，輕集料高強(qiáng)混凝土的性能得以提升.筆者[35-36]曾利用29Si NMR 和顯微硬度計(jì)定量表征了輕集料-水泥石界面區(qū)的水化程度、C-S-H凝膠聚合度和顯微硬度，發(fā)現(xiàn)輕集料-水泥石界面區(qū)漿體的水化更為充分，C-S-H凝膠平均分子鏈長(zhǎng)增長(zhǎng)、聚合度增加，從而提高了界面區(qū)的力學(xué)性能.

圖6 LUHPC中球形陶粒-水泥石和石英砂-水泥石界面區(qū)的微觀形貌圖

此外，當(dāng)輕集料為球形時(shí)，UHPC中輕集料周圍的界面在三維空間呈現(xiàn)為“拱殼狀”(見(jiàn)圖7(b))，因而可均勻分散外來(lái)應(yīng)力，避免應(yīng)力對(duì)UHPC界面區(qū)造成破壞，進(jìn)而進(jìn)一步緩解了輕集料自身強(qiáng)度不足對(duì)UHPC力學(xué)性能帶來(lái)的負(fù)面影響.

圖7 LUHPC中“拱殼狀”界面區(qū)

3 結(jié)論

(1)提高輕集料的球形度和預(yù)吸水率，不僅有益于提升LUHPC拌和物的初始工作性能，而且有益于減小LUHPC拌和物的工作性能損失；增加球形輕集料摻量，LUHPC拌和物的初始工作性能呈現(xiàn)先提升后減弱的趨勢(shì)，但LUHPC拌和物工作性能的損失持續(xù)減小.

(2)球形輕集料LUHPC的力學(xué)性能優(yōu)于碎石形輕集料LUHPC，且隨著球形輕集料預(yù)吸水率和摻量的增大，LUHPC的力學(xué)性能均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)；但即使球形輕集料在LUHPC中的摻量為100%時(shí)，其力學(xué)性能依然優(yōu)異，且表觀密度遠(yuǎn)低于全石英砂UHPC.

(3)輕集料粒形和輕集料預(yù)吸水率是影響LUHPC 性能的關(guān)鍵因素，其主要通過(guò)增大顆粒球形度、改善輕集料-水泥石界面黏結(jié)性和預(yù)濕內(nèi)養(yǎng)護(hù)來(lái)提升LUHPC的工作性能和力學(xué)性能.