陶瓷纖維輕骨料混凝土制備

耿連恒，潘柏，常姍姍，尤志國

(華北理工大學 建筑工程學院 河北 唐山063210)

引言

輕質(zhì)混凝土具有質(zhì)量輕、隔熱保溫性能好、耐火性能好、抗震性能好及綜合經(jīng)濟技術(shù)效果好等優(yōu)點。輕骨料混凝土在大跨橋梁、高層建筑等工程應(yīng)用中具有巨大的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代混凝土的一個重要發(fā)展方向。我國對纖維輕質(zhì)混凝土進行了一定研究：如學者陳瀟洋[1]向輕骨料混凝土中加入不同摻量、不同尺寸纖維，對其進行力學性能試驗證明了纖維可以增強輕骨料混凝土的抗拉性能；徐麗麗[2]通過試驗證明了纖維可以改善輕骨料混凝土的脆性變形能力；趙天俊[3]、吳振華[4]通過試驗得出了纖維可以增強輕骨料混凝土的抗壓強度等等。但其制備過程中突發(fā)問題較多，輕骨料上浮與纖維結(jié)團是制備纖維輕骨料混凝土過程中不可避免的現(xiàn)象，二者嚴重影響混凝土的整體外觀、強度、耐久度，影響輕骨料混凝土的廣泛推廣。為了解決兩大關(guān)鍵問題以提高混凝土的性能，針對輕骨料上浮與陶瓷纖維結(jié)團現(xiàn)象進行探討與研究，提出相應(yīng)解決方案，并應(yīng)用處理后的陶瓷纖維與輕骨料進行膠砂強度試驗與工作性能測試。

1制備

1.1 原材料與配比

采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，粗集料采用球形粉煤灰陶粒輕骨料，粒徑為10～20 mm，細集料采用中粗河砂，膠凝材料為：水泥、硅灰、粉煤灰。減水劑采用高效聚羧酸減水劑，纖維采用陶瓷纖維：長度為6 mm，直徑為3～6 μm。確定混凝土基體配合比如表1所示。水膠比為0.39、聚羧酸減水劑摻量為0.5%、含砂率為48%、粉煤灰與硅灰分別為膠凝材料的20%、10%。

表1 混凝土基體配合比原材料用量/(kg·m-3)

1.2 試驗過程

本次試驗?zāi)康氖侵苽涓吡鲃有岳w維輕骨料混凝土，制作試塊類型：100 mm×100 mm×100 mm與100 mm×100 mm×400 mm。試驗過程參照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51-2002、《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ/T221-2010、《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》CCES 02-2004、《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 38:2004。為了保證試驗精準度，試驗前依照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》JGJ 52-2006與《輕集料及其試驗方法第2部》GB/T 17431.2-1998規(guī)范，將粉煤灰陶粒、砂子放置于干燥箱中烘干至恒重。攪拌順序：首先加入膠凝材料與纖維進行干拌，硅灰、水泥、粉煤灰、纖維攪拌時長1 min，隨后放入烘干后的粉煤灰陶粒、砂子進行攪拌，時長為1 min，最后加入水、減水劑攪拌2 min，攪拌完成后將混凝土拌合物進行裝模養(yǎng)護。由于靜電力的作用陶瓷纖維在自然狀態(tài)下會有結(jié)團現(xiàn)象發(fā)生如圖1所示。為了查驗陶瓷纖維在新拌混凝土內(nèi)部是否有結(jié)團現(xiàn)象，進行水泥膠砂試驗，試驗過程依照《水泥膠砂強度檢驗方法》GB/T 17671-1999規(guī)范標準，進行3 d、28 d抗壓、抗折強度試驗，陶瓷纖維摻量為水泥質(zhì)量的5%，得到結(jié)果見表2。

圖1 自然狀態(tài)下的陶瓷纖維

表2 陶瓷纖維膠砂強度值/MPa

1.3 試驗現(xiàn)象及分析

(1)輕骨料上浮現(xiàn)象

當混凝土在試模中靜置一段時間后發(fā)現(xiàn)輕骨料上浮現(xiàn)象，養(yǎng)護并破碎查看陶粒分布情況，可以看出輕骨料分布不均勻，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，如圖2及圖3所示。

圖2 輕骨料上浮現(xiàn)象 圖3 陶粒分層現(xiàn)象

總結(jié)原因主要有兩點：a.輕骨料具有高吸水性能，使輕骨料在配置混凝土過程中極其不穩(wěn)定，其吸水直到飽和是一個漫長的過程，且每小時的吸水率并不相同，因此附加水并不會瞬間被吸收，致使骨料和漿體之間存在多余附加水，導致輕骨料上??；b.輕骨料的密度小于基體膠凝材料的密度, 受機械振搗的“攪融[5]作用”，輕骨料容易發(fā)生上浮現(xiàn)象。

(2)陶瓷纖維結(jié)團現(xiàn)象

利用陶瓷纖維進行水泥膠砂試驗，養(yǎng)護3 d并破碎查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)如圖4所示內(nèi)部具有明顯的陶瓷纖維結(jié)團現(xiàn)象，其結(jié)團原因是：陶瓷纖維的大長徑比、靜電作用產(chǎn)生的機械纏繞力容易發(fā)生結(jié)團、分散不均勻現(xiàn)象[6]，其中含有的雜質(zhì)、渣團為其結(jié)團提供良好的介質(zhì)，同樣也是影響纖維結(jié)團的重要因素[7]。表2數(shù)據(jù)表明：摻入水泥質(zhì)量5%陶瓷纖維試件養(yǎng)護3 d、28 d的抗壓強度分別為19.4 MPa、40.7 MPa，相比無摻加對比組抗壓強度分別降低了1.9 MPa與5.8 MPa。同樣陶瓷纖維試件組養(yǎng)護3 d、28 d的抗折強度分別為4.3 MPa與7.2 MPa，相比無摻加對比組降低了0.7 MPa、1.0 MPa。綜上所述：當纖維出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象時，破壞了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不僅沒能改善混凝土性能，反而降低了混凝土強度。

圖4 陶瓷纖維在基體內(nèi)部結(jié)團現(xiàn)象

2解決方案設(shè)計

2.1 輕骨料上浮

利用5組提前用水浸泡6 h、12 h、18 h、24 h、30 h的輕骨料，用干毛巾擦拭之后晾至表面干燥無明水[8]，分別進行混凝土制備，最后利用學者劉立[9]等人的試驗方法來檢測陶粒輕骨料的上浮、分層情況：即利用上、中、下三層模具裝滿輕骨料混凝土，振搗棒振搗之后放在振動臺上震動10 s，隨后靜置5 min分別用水沖去各層砂漿得到輕骨料烘干并稱重，使用每層的輕骨料質(zhì)量除以總質(zhì)量就可以反映出輕骨料的分層情況。

2.2 纖維結(jié)團

纖維結(jié)團問題在國內(nèi)外雖然沒有較完善的解決方案，但也有相關(guān)研究人員提出了多種有效的解決方法：包括機械攪拌法、施工工藝法[10]、超聲分散法、添加分散劑法[11]等。本次試驗利用添加分散劑法：將常溫水與陶瓷纖維制備成濃度為0.02 g/ml的水溶液，隨后分別加入溶液質(zhì)量0.025%、0.05%、0.075%和0.1%聚丙烯酰胺(PAM)進行攪拌，攪拌時間為15 min，最后利用沖洗過濾的方法，烘干并稱重得出纖維分散率。

2.3 結(jié)果與分析

圖5、圖6分別為預(yù)濕處理時間與輕骨料分層率、聚丙烯酰胺(PAM)加入量與陶瓷纖維分散率的變化情況。圖7(a)為改善后無輕骨料上浮現(xiàn)象，圖7(b)、圖7(c)為陶瓷纖維分散情況。

圖5 輕骨料分層情況圖

圖6 陶瓷纖維分散情況

圖7 試驗結(jié)果

由圖5可以看出，未經(jīng)過預(yù)濕處理的陶粒出現(xiàn)嚴重分層現(xiàn)象，上層占比高達85.2%，嚴重影響混凝土整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，6 h、12 h、18 h由于陶粒吸水不足，整體密度小于水泥漿體密度，未能達到良好的分層效果，但隨時間的增長上浮現(xiàn)象開始逐漸改善。當陶粒進行24 h預(yù)濕處理后，發(fā)現(xiàn)上、中、下3層占比基本相同，未發(fā)生不均勻分層與上浮現(xiàn)象，可以看出浸泡30 h的陶粒與24 h每層占比基本保持一致，說明了當陶粒在24 h時吸水已經(jīng)達到飽和狀態(tài)，可以說明預(yù)濕處理也就是將陶粒進行飽和吸水的方法，此方法有效阻止了輕骨料上浮現(xiàn)象。

由圖6可以看出，未加入聚丙烯酰胺(PAM)的陶瓷纖維分散率為1.1%，說明了只加水攪拌對陶瓷纖維并沒有分散的功能，如圖7(c)所示，由于陶瓷纖維的強親水性[12]，使纖維粘聚成一團，無法再次使用。加入PAM之后有明顯的分散效果且與PAM加入量成正比，這是由于PAM會產(chǎn)生同種微小的電荷附著在纖維壁上，使之產(chǎn)生同種電荷的相互排斥力，促使纖維分散[13]。當PAM加入量是溶液質(zhì)量的0.075%時曲線達到最高峰，此時分散效果最佳，如圖7(b)所示。但加入量達到0.1%時分散效果開始下降，這是因為PAM加入量過多使陶瓷纖維溶液具有粘稠性，導致纖維之間產(chǎn)生粘聚效果，影響纖維分散。綜上所述，添加分散劑的方法可以有效促使纖維分散，PAM加入量是溶液質(zhì)量的0.075%時效果最佳。

3水泥膠砂試驗

為了驗證分散后的陶瓷纖維能否提高水泥膠砂試驗強度，通過加入聚丙烯酰胺分散后的陶瓷纖維進行3 d、28 d抗壓強度與抗折強度測試，測試結(jié)果如表3所示。破碎后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部無結(jié)團現(xiàn)象發(fā)生，并在其內(nèi)部發(fā)現(xiàn)陶瓷纖維呈蛛網(wǎng)狀如圖8所示。

表3 分散后5%陶瓷纖維膠砂強度值/MPa

圖8 破碎后基體試件

由表3可以看出，當齡期為3 d時，分散后的陶瓷纖維膠砂抗壓強度與抗折強度分別為21.9 MPa、5.8 MPa，相比未分散陶瓷纖維分別提高了13%與35%；當齡期為28 d時，分散后的陶瓷纖維膠砂抗壓強度與抗折強度分別為52.1 MPa、12.9 MPa，相比未分散陶瓷纖維分別提高了28%與79%。分析其原因：由于分散后纖維可以在水泥基體中起到橋接[14]作用，形成由內(nèi)到外致密均勻的多尺度復(fù)合材料，對水泥基體起到了增強、增韌的效果。破碎后陶瓷纖維在基體內(nèi)部呈現(xiàn)蛛網(wǎng)狀，說明了分散后的陶瓷纖維在機體內(nèi)部分布均勻，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強了纖維與基體的粘結(jié)作用，大大提高了基體的韌性和變形能力。

4性能測試

利用預(yù)濕處理后的粉煤灰陶粒進行混凝土工作性能試驗(坍落擴展度試驗)，分別測試對比普通輕骨料混凝土，未分散的陶瓷纖維輕骨料混凝土與添加聚丙烯酰胺(PAM)分散后的陶瓷纖維輕骨料混凝土的擴展度。試驗步驟依照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51-2002與《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》CCES 02-2004規(guī)范標準。試驗照片及結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖10數(shù)據(jù)看出3種混凝土擴展度依次減小，原因是：陶瓷纖維在混凝土內(nèi)部呈三維亂向分布，對骨料產(chǎn)生承托[15]作用，抑制混凝土向外擴展，同時陶瓷纖維具有一定吸水性，導致維持拌合物和易性的自由水下降，也就降低了混凝土的擴展度。而由于分散后的陶瓷纖維加入了聚丙烯酰胺，其自身粘稠性阻止混凝土向外擴展。

圖9 擴展度情況

圖10 擴展度測試

為了滿足《自密實混凝土設(shè)計與施工指南》CCES 02-2004自密實混凝土的目標擴展度標準，利用減水劑綜合分散劑的方式來保證纖維分散后混凝土的流動均勻性，通過額外添加陶瓷纖維溶液質(zhì)量的1.57%、1.76%、1.96%、2.15%減水劑進行擴展度測試，其結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明：當減水劑外加量為陶瓷纖維溶液質(zhì)量的1.96%時，與未加入聚丙烯酰胺陶瓷纖維輕骨料混凝土擴展度基本相同，可以達到目標擴展度。

圖11 擴展度測試結(jié)果

5結(jié)論

(1)粉煤灰陶粒經(jīng)過24 h預(yù)濕處理可以有效解決輕骨料上浮現(xiàn)象。

(2)陶瓷纖維結(jié)團現(xiàn)象破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，嚴重地降低混凝土的力學性能。

(3)添加聚丙烯酰胺(PAM)對陶瓷纖維有分散作用，當PAM加入量為溶液質(zhì)量的0.075%時纖維分散效果最佳。

(4)分散后的陶瓷纖維3 d、28 d膠砂抗壓強度相比未分散陶瓷纖維分別提高了13%、28%，抗折強度分別提高了35%、79%。

(5)額外添加陶瓷纖維溶液質(zhì)量的1.96%的減水劑可以保證分散后混凝土的流動均勻性。