陶砂對(duì)輕骨料超高性能混凝土的影響研究

許 婷

(1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034； 2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一種具有超高強(qiáng)度、超強(qiáng)耐久性能的新型水泥基復(fù)合材料，在橋梁工程、海洋工程、維護(hù)加固工程中具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值，但由于膠凝材料用量高、無(wú)粗骨料等特點(diǎn)，導(dǎo)致其產(chǎn)生較大的收縮，增加其早期開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

輕骨料是一種輕質(zhì)多孔材料，可通過(guò)吸釋水過(guò)程發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，因此，采用輕骨料可同時(shí)降低超高性能混凝土的自重和收縮。常用的輕骨料包括陶砂、浮石、火山石等，其中應(yīng)用最為廣泛的是陶砂。于凌波[2]研究了頁(yè)巖陶砂對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，陶砂的摻入會(huì)使UHPC的流動(dòng)度有所提高，早期強(qiáng)度明顯降低，后期強(qiáng)度與UHPC差距減小。丁慶軍[3]采用陶砂全部取代石英砂制備了輕質(zhì)超高性能混凝土，結(jié)果表明陶砂具有緩釋水的作用，可促進(jìn)界面處水泥的持續(xù)水化，改善界面微結(jié)構(gòu)，降低混凝土收縮。穆龍飛等[4]研究了預(yù)濕陶粒對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)陶粒易吸水，會(huì)導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性變差，且陶粒預(yù)濕時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土7 d強(qiáng)度越低，28 d強(qiáng)度越高。蔡佳振[5]認(rèn)為陶砂孔隙率較高，極易吸水，對(duì)混凝土的工作性不利，需對(duì)陶砂進(jìn)行預(yù)濕處理。

目前，預(yù)濕陶砂對(duì)超高性能混凝土耐久性能的研究相對(duì)較少，同時(shí)，陶砂對(duì)超高性能混凝土工作性能的影響存在一定的爭(zhēng)議。本文研究了不同等級(jí)陶砂及預(yù)處理方式對(duì)輕骨料超高性能混凝土工作性能、力學(xué)性能、干縮性能和耐久性能的影響，并與未摻陶砂的超高性能混凝土進(jìn)行了對(duì)比，旨在降低超高性能混凝土的收縮和自重，為輕骨料超高性能混凝土的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用的水泥為洋房P·O 42.5級(jí)水泥；硅灰為埃肯硅灰，比表面積為23 000 m2/kg；粉煤灰微珠的比表面積為1 250 m2/kg，D50值為2.049 μm,膠凝材料的化學(xué)組成見(jiàn)表1；細(xì)集料為洞庭湖河砂，有2種粒徑，分別為0.3～0.6 mm和0.6～1.18 mm，細(xì)砂和粗砂按1∶1混合，混合砂細(xì)度模數(shù)為2.3；陶砂為湖北匯騰輕集料環(huán)保產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的破碎頁(yè)巖陶砂，有600級(jí)和800級(jí)2種，粒徑分布為2～5 mm，陶砂的性能和粒徑分布分別見(jiàn)表2和表3。此外，2種陶砂的外觀形貌見(jiàn)圖1，其中800級(jí)陶砂的邊緣棱角較多，600級(jí)陶砂的邊緣較為圓潤(rùn)，對(duì)2種粒徑的陶砂進(jìn)行預(yù)濕處理，預(yù)濕時(shí)間為24 h，待飽和面干狀態(tài)使用；鋼纖維直徑為0.2 mm，長(zhǎng)度為13 mm；減水劑為粉狀聚羧酸高性能減水劑；消泡劑為上海某公司生產(chǎn)；水為自來(lái)水。

表1 膠凝材料化學(xué)組成 %

表2 陶砂性能

表3 陶砂粒徑分布

圖1 陶砂的外觀形貌

1.2 試驗(yàn)方法

1) 工作性能試驗(yàn)。陶砂輕骨料超高性能混凝土的坍落度試驗(yàn)參照GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行[6]。

2) 力學(xué)性能試驗(yàn)。陶砂輕骨料超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度參照GB/T 31387-2015 《活性粉末混凝土》進(jìn)行[7]，抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

3) 耐久性試驗(yàn)。陶砂輕骨料超高性能混凝土的干縮試驗(yàn)、抗凍性試驗(yàn)和抗?jié)B性試驗(yàn)參照GB/T 50082-2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行[8]，干縮試驗(yàn)的試驗(yàn)齡期為1，3，7，14，28，45和60 d，進(jìn)行抗凍試驗(yàn)和抗?jié)B試驗(yàn)時(shí)，試件應(yīng)先養(yǎng)護(hù)28 d，其中抗凍試驗(yàn)的總凍融循環(huán)次數(shù)為500次。

1.3 陶砂輕骨料超高性能混凝土配合比

陶砂輕骨料超高性能混凝土的配合比見(jiàn)表4。

表4 輕骨料超高性能混凝土配合比 kg/m3

汪：*TS為陶砂；D為干陶砂；W為預(yù)濕陶砂；600為600級(jí)陶砂；800為800級(jí)陶砂。

由表4可知，硅灰和粉煤灰微珠的摻量分別為17%和11%，集料的總量為900 kg/m3，陶砂與砂子的質(zhì)量比為1∶2，水膠比為0.18，鋼纖維的體積摻量為1%，減水劑摻量為0.94%，消泡劑摻量為0.11%。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 陶砂輕骨料超高性能混凝土力學(xué)性能

陶砂對(duì)輕骨料超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2。由圖2可知，與未摻陶砂的超高性能混凝土相比，摻600級(jí)干陶砂和預(yù)濕陶砂的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別降低42.8%和37.3%，摻800級(jí)干陶砂和預(yù)濕陶砂的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分別降低21.8%和17.3%，這是由于陶砂為多孔結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較低，導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度值均有所降低。摻預(yù)濕陶砂制備的混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度均高于摻干陶砂的混凝土抗壓強(qiáng)度，其中摻600級(jí)和800級(jí)預(yù)濕陶砂的混凝土抗壓強(qiáng)度分別比摻干陶砂的混凝土提高9.6%和5.7%，這說(shuō)明在濕度差應(yīng)力的作用下，預(yù)濕陶砂可以發(fā)揮“微泵”效應(yīng)，向周?chē)乃喹h(huán)境中釋放水，促進(jìn)水泥水化，使輕骨料與水泥石的界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)致密，C-S-H等水化產(chǎn)物可以進(jìn)入輕骨料孔隙；其次，干陶砂的吸水飽和程度較低，釋水能力較弱，對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高作用相對(duì)較小。

圖2 陶砂對(duì)輕骨料超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

陶砂輕骨料超高性能混凝土的工作性能和抗折強(qiáng)度見(jiàn)表5。

表5 陶砂輕骨料超高性能混凝土的流動(dòng)性及抗折強(qiáng)度

由表5可知，摻陶粒的輕骨料超高性能混凝土坍落度和擴(kuò)展度均比未摻陶砂的超高性能混凝土低，且摻陶砂后混凝土的抗折強(qiáng)度也有下降。其次，摻預(yù)濕陶砂混凝土的流動(dòng)性和抗折強(qiáng)度均大于摻干陶砂的混凝土，其中摻600級(jí)預(yù)濕陶砂輕骨料超高性能混凝土的坍落度為200 mm，28 d抗折強(qiáng)度為13.5 MPa，摻800級(jí)預(yù)濕陶砂輕骨料超高性能混凝土的坍落度為225 mm，28 d抗折強(qiáng)度為15.9 MPa，這說(shuō)明干陶砂在水泥漿體中會(huì)吸收水分，而預(yù)濕陶砂的吸水率明顯小于干陶砂。因此，摻預(yù)濕陶砂輕骨料超高性能混凝土的工作性能和力學(xué)性能高于摻干陶砂的輕骨料超高性能混凝土。此外，摻陶砂的輕骨料超高性能混凝土容重明顯降低，其中摻600級(jí)和800級(jí)濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土容重分別為2 060 kg/m3和2 240 kg/m3，比超高性能混凝土降低了15.9%和8.6%。

2.2 陶砂輕骨料超高性能混凝土干縮性能

陶砂對(duì)輕骨料超高性能混凝土干縮性能的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知，摻陶砂的輕骨料超高性能混凝土各齡期干燥收縮均低于未摻陶砂的超高性能混凝土，說(shuō)明在混凝土水化過(guò)程中，預(yù)濕陶砂可釋放水分，發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，降低混凝土的干縮。與未摻陶砂的超高性能混凝土相比，摻600級(jí)干陶砂和預(yù)濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土60 d干燥收縮值分別減少12.41%和22.16%，摻800級(jí)干陶砂和預(yù)濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土60 d干燥收縮分別減少7.90%和14.76%，這是由于600級(jí)陶砂的內(nèi)部孔隙較大且多，吸水率高于800級(jí)陶砂，導(dǎo)致?lián)?00級(jí)陶砂的輕骨料超高性能混凝土的干燥收縮值較小。其次，預(yù)濕處理對(duì)600級(jí)陶砂的影響較大，對(duì)800級(jí)陶砂的影響相對(duì)較少。

圖3 陶砂對(duì)輕骨料超高性能混凝土干縮性能的影響

2.3 陶砂輕骨料超高性能混凝土抗凍性能

陶砂輕骨料超高性能混凝土凍融循環(huán)過(guò)程中的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量分別見(jiàn)表6和圖4。

表6 凍融循環(huán)過(guò)程中的輕骨料超高性能混凝土質(zhì)量損失率 %

圖4 凍融循環(huán)過(guò)程中的輕骨料超高性能混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量

由表6和圖4可知，與凍融前相比，未摻陶砂的超高性能混凝土在500次凍融循環(huán)后的質(zhì)量及相對(duì)動(dòng)彈性模量均略有增加，但變化幅度很小。摻陶砂輕骨料超高性能混凝土的抗凍性能則受陶砂及預(yù)處理方式的影響呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，對(duì)于600級(jí)陶砂，摻干陶砂和預(yù)濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土的質(zhì)量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量則隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。此外，預(yù)處理方式對(duì)摻600級(jí)陶砂輕骨料超高性能混凝土抗凍性的影響較大，摻600級(jí)干陶砂和預(yù)濕陶砂輕骨料超高性能混凝土在500凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為97.20%和94.77%。對(duì)于800級(jí)陶砂，摻干陶砂和預(yù)濕陶砂輕骨料超高性能混凝土的質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈性模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，其次，預(yù)濕處理對(duì)800級(jí)陶砂輕骨料超高性能混凝土抗凍性的影響較小，其500次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為101.27%和100.92%。

2.4 陶砂輕骨料超高性能混凝土抗?jié)B性能

陶粒對(duì)輕骨料超高性能混凝土電通量的影響見(jiàn)圖5。

圖5 陶砂輕骨料超高性能混凝土的電通量值

由圖5可知，摻800級(jí)干陶砂和預(yù)濕陶砂輕骨料超高性能混凝土的電通量分別為25.7 C和25.5 C，與未摻陶砂的超高性能混凝土相近，而摻600級(jí)干陶砂和預(yù)濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土的電通量分別為40.9 C和42.2 C，比未摻陶砂的超高性能混凝土電通量值分別增加了67.6%和72.9%，摻600級(jí)預(yù)濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土的抗?jié)B性能高于摻800級(jí)干陶砂的輕骨料超高性能混凝土，這與抗凍試驗(yàn)的結(jié)果一致。此外，輕骨料超高性能混凝土的電通量均低于50 C，同樣具備優(yōu)異的抗?jié)B性能，這是由于隨著混凝土內(nèi)部濕度的降低，陶砂中的水分逐漸釋放，不僅可以養(yǎng)護(hù)水泥石，而且水化產(chǎn)物可填充陶砂的內(nèi)部孔隙，并在陶砂表面形成低鈣型水化硅酸鈣，使界面過(guò)渡區(qū)更加致密，增加了有害離子滲透路徑的曲折度，大幅度提高混凝土的抗?jié)B性[9-11]。

3 結(jié)論

1) 在超高性能混凝土體系中，摻入陶砂會(huì)降低混凝土的力學(xué)性能，其中摻600級(jí)陶砂的輕骨料超高性能混凝土28 d抗壓強(qiáng)度低于80 MPa，降幅大于35%，而摻800級(jí)陶砂的輕骨料超高性能混凝土28 d抗壓強(qiáng)度高于90 MPa，降幅大于15%。

2) 相同齡期時(shí)，摻600級(jí)陶砂輕骨料超高性能混凝土的力學(xué)性能、干縮性能、抗?jié)B性能和抗凍性能均低于摻800級(jí)陶砂的輕骨料超高性能混凝土。

3) 同等級(jí)陶砂，摻預(yù)濕處理陶砂的輕骨料超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均高于摻干陶砂的輕骨料超高性能混凝土，且摻預(yù)濕處理陶砂的輕骨料超高性能混凝土干燥收縮低于摻干陶砂的輕骨料超高性能混凝土。

4) 對(duì)于600級(jí)陶砂，經(jīng)預(yù)濕處理制備的輕骨料超高性能混凝土抗凍性能略有降低，而對(duì)于800級(jí)陶砂，經(jīng)預(yù)濕處理的輕骨料超高性能混凝土的抗凍性能則略有增加。