孔隙特征對機制砂自密實輕骨料混凝土強度的影響規(guī)律

張淑云， 陳秘， 周杰， 王恩， 楊旭龍

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 西安 710054; 2.中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司， 寶安 518102)

混凝土是工程建設(shè)中運用最為廣泛的建筑材料，砂是制備混凝土的必須原材料之一。在工程建設(shè)日趨龐大，天然砂資源日趨匱乏的今天，機制砂越來越多地被用到混凝土中[1]。蔣正武等[2]研究表明，可以采用機制砂配制出力學(xué)性能及工作性能滿足要求的機制砂自密實混凝土，且配合比參數(shù)與采用河砂有明顯差異。周聰聰?shù)萚3]研究了機制砂自密實混凝土工作性能的影響因素。洪靖等[4]研究了機制砂高強自密實混凝土的長期力學(xué)性能。季錫賢等[5]研究了C50機制砂自密實混凝土的配合比設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)、澆筑施工、養(yǎng)護要點?，F(xiàn)有研究主要還停留在機制砂自密實混凝土的配合比設(shè)計、工作性能以及宏觀力學(xué)性能研究方面。

自密實輕骨料混凝土(self-compacting light-aggregate concrete, SCLC)是在自密實混凝土(self-compacting concrete, SCC)的基礎(chǔ)上，用輕骨料替代普通碎石骨料得到的一種高性能混凝土，它兼具二者的優(yōu)勢，無需振搗即可以自動成型，可以降低噪聲對環(huán)境的污染，有效減輕結(jié)構(gòu)自重，降低建筑物的震害，具有較好的保溫隔熱性能、抗凍性能及耐久性能[6]。目前已有許多學(xué)者對自密實輕骨料混凝土的各項性能做了相關(guān)研究，董建苗等[7]對SCLC的配合比設(shè)計進行了研究；王玉梅等[8]對SCLC的工作性能及力學(xué)性能進行了研究。已有研究主要集中在SCLC宏觀性能的研究方面。

在SCLC的基礎(chǔ)上，采用機制砂(manufactured sand,MS)作為細骨料制備出機制砂自密實輕骨料混凝土(MS-SCLC)，測量其養(yǎng)護時間為3、7、14、28 d的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度，利用核磁共振測量其微觀孔隙特征，研究了MS-SCLC力學(xué)性能與養(yǎng)護齡期之間的關(guān)系，以及微觀孔隙特征與其力學(xué)性能之間的關(guān)系。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗材料及配合比

水泥：采用海螺牌水泥廠的表觀密度為3 000 kg/m3的P·O42.5水泥，各項指標(biāo)均符合GB 175—2007/XG1—2009《通用硅酸鹽水泥》中的相關(guān)規(guī)定。

粉煤灰：采用黑龍江省雙達粉煤灰廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，各項指標(biāo)均符合《用于水泥及混凝土中的粉煤灰》GB 1596—2005的規(guī)定。

硅灰：采用大連瑞安建筑材料有限公司生產(chǎn)的高活性硅灰。

機制砂：采用產(chǎn)自陜西漢中的機制砂，該砂表觀密度為2 728 kg/m3；堆積密度為1 585 kg/m3，石粉(粒徑小于0.075 mm顆粒)含量為3.6%，細度模數(shù)為2.92，壓碎指標(biāo)為8.3%，亞甲藍值為4.4 g/kg，顆粒級配如表1所示。

表1 機制砂篩分結(jié)果Table 1 Screening results of manufactured sand

輕骨料：輕骨料采用產(chǎn)自中國宜昌的700級高強膨脹頁巖陶粒，顆粒大小為5～16 mm的連續(xù)級配，表觀密度為700 kg/m3，堆積密度為1 180 kg/m3，筒壓強度為5.5 MPa，24 h吸水率為4.13%，顆粒級配如表2所示。

表2 輕骨料篩分結(jié)果Table 2 Screening results of light aggregate

本文中在設(shè)計機制砂自密實輕骨料混凝土配合比時參考《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)、《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 283—2012和《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)，考慮輕骨料吸水返水特性和機制砂高性能混凝土配制的特點，采用固定砂石體積法和改進的全計算方法統(tǒng)一結(jié)合的方法[9]，設(shè)計了三種強度等級的機制砂自密實輕骨料混凝土(MS-SCLC30、MS-SCLC40、MS-SCLC50)。三個強度的配合比砂用量系數(shù)均為0.41，輕骨料用量系數(shù)均為0.52，水膠比分別為0.42、0.37、0.3。具體配合比如表3所示。

表3 不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土配合比Table 3 Mix ratio of self-compacting lightweight aggregate concrete with manufactured sand of different strength

1.2 試驗方法

本文中制作100 mm×100 mm×100 mm的機制砂自密實輕骨料混凝土立方體試塊，在模具中養(yǎng)護48 h后脫模，緊接著在溫度為(20±2) ℃，相對濕度95%以上的環(huán)境下養(yǎng)護至規(guī)定齡期，分別測定其養(yǎng)護時間為3、7、14、28 d的立方體抗壓強度，劈裂抗拉強度。通過鉆芯取樣從養(yǎng)護時間為3、7、14、28 d的機制砂自密實輕骨料混凝土立方體試塊中心取直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體試樣，經(jīng)過4 h真空及24 h飽水處理后，利用核磁共振技術(shù)測定其內(nèi)部的孔隙特征。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 抗壓強度

圖1為MS-SCLC立方體試件劈裂抗拉試驗破壞形態(tài)，圖2為MS-SCLC立方體試件抗壓試驗破壞形態(tài)。從圖1可以看到，MS-SCLC劈裂破壞的裂縫不同于采用碎石骨料的混凝土，采用碎石作為骨料的混凝土劈裂破壞的裂縫通常有明顯的鋸齒形，而MS-SCLC的裂縫基本為一條沿著中軸線的直線，并沒有明顯的鋸齒狀。從圖2可以看到，MS-SCLC受壓破壞的破壞形式也與采用碎石骨料的混凝土有所不同。對于采用碎石骨料的混凝土，由于碎石本身的彈性模量與強度較高，相對來說，過渡界面與砂漿部分成為混凝土中較為薄弱的部分，在受壓時碎石不會破壞，所有的破壞都來自砂漿區(qū)域與過渡界面；而在MS-SCLC中，輕骨料本身的強度是低于砂漿部分的，因此在受壓破壞時，骨料較砂漿部分更為薄弱，在受力過程中，骨料會先遭到破壞，這也是圖1中劈裂試驗時試件產(chǎn)生的裂縫幾乎為直線的原因。綜合上述分析，MS-SCLC的強度主要取決于砂漿部分的強度。

圖1 劈裂抗拉破壞形態(tài)Fig.1 Splitting tensile failure mode

圖2 立方體抗壓破壞形態(tài)Fig.2 Cube compressive failure mode

圖3為不同強度MS-SCLC立方體抗壓強度和抗拉強度隨齡期的變化圖。由圖3(a)可以看到，各強度MS-SCLC立方體抗壓強度隨齡期的變化規(guī)律大致相同，但在不同強度之間，各個養(yǎng)護時間段，仍存在細微差別。隨著養(yǎng)護時間的增長，各強度MS-SCLC的立方體抗壓強度增長速率均有所減小，但減小的幅度不相同，MS-SCLC30>MS-SCLC40>MS-SCLC50，這一規(guī)律在養(yǎng)護時間為14 ～28 d時表現(xiàn)尤為明顯。造成這種情況的原因，是混凝土養(yǎng)護7 d之前，其內(nèi)部的水化反應(yīng)劇烈，隨著養(yǎng)護時間的增長，混凝土中所剩余的膠凝材料在不斷減少，水化反應(yīng)程度相對減弱，因此強度上升速率變得緩慢，從配合比可以看出，MS-SCLC50到MS-SCLC30膠凝材料的量本身是減少的，因此，隨著養(yǎng)護齡期的增加，MS-SCLC30強度上升速率減小幅度最大，MS-SCLC40次之，MS-SCLC50下降最少。從圖3(b)可以看到，MS-SCLC劈裂抗拉強度的上升速率也隨著養(yǎng)護齡期的增長而減小，規(guī)律同立方體抗壓強度變化規(guī)律相同。

圖3 各齡期機制砂自密實輕骨料混凝土劈裂強度Fig.3 Strength of MS-SCLC at various ages

2.2 孔隙度

本文中采用核磁共振技術(shù)測量了各強度MS-SCLC在不同養(yǎng)護齡期時的孔隙結(jié)構(gòu)，不同強度的MS-SCLC在養(yǎng)護時間為3、7、14、28 d時的孔隙度如表4所示。由表4可以看出，無論是哪個強度的MS-SCLC，隨著養(yǎng)護齡期的增長，其孔隙度都是減小的，這是由于隨著養(yǎng)護齡期的增長，膠凝材料的水化反應(yīng)加劇，所形成水化產(chǎn)物的量增多，這些產(chǎn)物將會填充混凝土中的原有孔隙，使的孔隙度下降。養(yǎng)護時間相同時，強度越高孔隙度越小，分析其原因，是由于隨著強度升高，水灰比減小，膠凝材料用量增加，膠凝材料水化得到的產(chǎn)物較多，MS-SCLC中被填充的孔隙也就更多，因此造成強度越高，MS-SCLC的孔隙度越小的現(xiàn)象。

表4 各齡期下不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土孔隙度Table 4 Porosity of MS-SCLC of different strengths at different ages

在混凝土橫向弛豫時間譜(T2譜)中，存在一個界限值，即T2截止，當(dāng)T2>T2截止時，對應(yīng)孔隙中的水為自由流體，當(dāng)T2

圖4 各齡期下不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土流體飽和度Fig.4 Fluid saturation of MS-SCLC of different strengths at various ages

2.3 T2譜

核磁共振測試技術(shù)測量的是試件中流體的核磁共振信號，采用CPMG[10]序列測定混凝土橫向弛豫時間T2，由橫向弛豫時間的分布可以得到混凝土內(nèi)部孔隙的特征。在多孔結(jié)構(gòu)中，孔徑越大，孔中水的弛豫時間越長，孔徑越小，弛豫時間越短，并且峰面積也與所對應(yīng)的孔隙的多少有關(guān)[11]。圖5為不同強度MS-SCLC在養(yǎng)護時間為3、7、14、28 d時的弛豫時間分布曲線(T2譜)。

圖5 各齡期下不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土T2譜分布曲線Fig.5 NMR T2 spectrum distribution curve of MS-SCLC at different ages

由T2譜可以看出，所有的曲線均有四個峰，均為第一特征峰的信號幅值最大，說明機制砂自密實輕骨料混凝土的內(nèi)部孔隙主要以小孔隙為主。MS-SCLC30、MS-SCLC40、MS-SCLC50養(yǎng)護時間為3 d時的弛豫時間范圍分別為0.344 896～4 659.526 ms、0.344 896～7 575.25 ms、0.197 917～4 055.461 ms，養(yǎng)護時間為28 d時的弛豫時間分別為0.184 642～1 431.459 ms、0.243 744～4 347.013 ms、0.160 705～1 762.914 ms，由此可以看出，隨著養(yǎng)護時間的增長，MS-SCLC的T2曲線向左偏移，隨著養(yǎng)護齡期的增加，T2曲線的4個特峰中，第一特征峰的變化幅度最大，說明，在養(yǎng)護的過程中小孔隙的變化量最大。對比3 d和28 d的曲線，可以看出隨齡期的增長，各孔徑的孔隙都在減少，且孔徑越小，減少幅度越大，但最終試件中的孔隙還是以小孔隙為主。

2.4 孔徑分布

由混凝土的橫向弛豫時間分布，可以得到其內(nèi)部孔隙的孔徑分布，公式為

(1)

式(1)中：S為孔隙表面積，cm2；V為孔隙體積，cm3；ρ2為橫向表面弛豫強度，μm/s，因樣品不同而有不同的取值，根據(jù)文獻[12]混凝土的ρ2取值為3～10 μm/s，本文中取ρ2=5 μm/s[13]，孔隙近似于球體，因此，S/V=3/r，r為孔隙半徑。由此得到孔徑分布曲線如圖6所示。

圖6 各齡期下不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土孔隙半徑分布曲線Fig.6 Distribution curve of pore radius of MS-SCLC with different strengths at different ages

從圖6可以看出，各強度MS-SCLC在不同養(yǎng)護時間時的孔徑分布圖均為第一特征峰高度最高，面積最大，依次向右面積越來越小。說明無論在哪個養(yǎng)護齡期，內(nèi)部孔隙都是以小孔隙為主，同T2譜得到的規(guī)律一致，且孔徑越大，占比越少。對比不同齡期機制砂自密實輕骨料混凝土孔徑分布曲線，可以看到，曲線第一峰的大小隨齡期的增長呈先減小后增大的趨勢，說明混凝土中小孔隙的占比隨齡期先減少后增多，說明在養(yǎng)護過程中，混凝土中先是小孔隙向中大孔隙轉(zhuǎn)化，后隨著齡期的增長，再由中大孔隙向小孔隙轉(zhuǎn)化，使得混凝土密實度越來越好，強度越來越高。

混凝土中出現(xiàn)概率最大的孔徑稱為最可幾孔徑，最可幾孔徑出現(xiàn)的位置對混凝土強度及耐久性都有一定影響，各強度MS-SCLC在不同養(yǎng)護齡期時的最可幾孔徑如表5所示。從表中可以看出，最可幾孔的尺寸隨著強度的升高而減小，隨著養(yǎng)護齡期的增長，最可幾孔尺寸呈波動趨勢，對比3 d與28 d的最可幾孔尺寸，可以看到隨著齡期的增長，最可幾孔的尺寸整體上呈減小趨勢。最可幾孔徑的減小，會使得混凝土的強度有所提升，這里得到的結(jié)論與前文T2譜與孔徑分布曲線得到的結(jié)論相一致。

表5 各強度機制砂自密實輕骨料混凝土不同齡期時的最可幾孔尺寸Table 5 The most probable hole size of MS-SCLC of different strengths at different ages

3 抗壓強度與孔隙特征之間的關(guān)系

3.1 機制砂自密實輕骨料混凝土孔級分布

根據(jù)吳中偉[14]院士對孔隙級別的劃分，孔隙半徑小于0.02 μm的為無害孔，孔隙半徑在0.02～0.05 μm的為少害孔，孔隙半徑在0.05～0.2 μm的為有害孔，孔隙半徑大于0.2 μm的為多害孔。MS-SCLC的各類孔徑占比如圖7所示。

圖7 各齡期下不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土的孔徑類型分布Fig.7 Pore size distribution of MS-SCLC with different strengths at different ages

從圖7中可以看出，所有混凝土孔隙中，占比最大的是無害孔，多害孔次之，少害孔和有害孔含量較少且相差不大。隨著養(yǎng)護齡期的增長，無害孔的占比呈先減小后增加的趨勢，從3 d到28 d，MS-SCLC30無害孔占比增加了13.39%，MS-SCLC40無害孔占比增加了7.64%，MS-SCLC50無害孔占比增加了1.58%。多害孔的占比呈先增大后減小的趨勢，從3 d到28 d，MS-SCLC30多害孔占比降低了18.81%，MS-SCLC40多害孔占比降低了5.11%，MS-SCLC50多害孔占比降低了2.09%。對比下來，可以看出MS-SCLC50孔級分布相對較好，MS-SCLC30孔級分布相對最差，對混凝土性能影響較大的孔級為有害孔與多害孔級，占比越大對混凝土性能越不利。

3.2 28 d抗壓強度與各影響因素的灰熵關(guān)聯(lián)分析

灰色系統(tǒng)理論由鄧聚龍[15]教授提出，是在小樣本、貧信息的條件下，在隨機的因素序列中找到其中關(guān)聯(lián)性的一種分析方法。已有學(xué)者的研究證明了此方法的有效性[16]。本文中取機制砂自密實輕骨料混凝土28 d抗壓強度為參考列，各級孔占比、自由流體飽和度、束縛流體飽和度以及孔隙度為比較列，采用灰關(guān)聯(lián)熵的分析方法[17]對比各孔隙特征參數(shù)對機制砂自密實輕骨料混凝土抗壓強度的影響。表6為各強度影響因素與28 d抗壓強度值，灰關(guān)聯(lián)熵計算結(jié)果如表7所示，可以看出，所取各影響因素對機制砂自密實輕骨料混凝土強度的影響都很大，灰熵關(guān)聯(lián)度均大于0.9。相比之下，與28 d抗壓強度關(guān)聯(lián)度最大的是有害孔占比，并不是占比最多的無害孔，也不是孔徑最大的多害孔；關(guān)聯(lián)度最小的是孔隙度，束縛流體飽和度與自由流體飽和度與28 d抗壓強度之間的關(guān)聯(lián)度相近。

表6 各影響因素與28 d抗壓強度Table 6 Influencing factors and 28 days compressive strength

表7 機制砂自密實輕骨料混凝土各序列關(guān)聯(lián)度Table 7 Correlation degree of each sequence of MS-SCLC

4 結(jié)論

(1)MS-SCLC受力時的破壞形態(tài)與普通自密實混凝土大不相同，MS-SCLC受力時，首先遭到破壞的是骨料，其次是砂漿部分，因此MS-SCLC的強度主要取決于砂漿部分的強度。不同強度的MS-SCLC在養(yǎng)護過程中，強度發(fā)展規(guī)律略有不同，大體上都是隨著養(yǎng)護時間的增加，強度發(fā)展速率逐漸減小，但對比不同強度的MS-SCLC，可以看出隨強度的升高，14 d之前的強度發(fā)展速率相對更小，14～28 d的強度發(fā)展速率相對更大。

(2)隨著養(yǎng)護齡期的增長，MS-SCLC中束縛流體飽和度與自由流體飽和度大小成上下波動的變化形式，但自由流體飽和度始終小于束縛流體飽和度，說明MS-SCLC中的孔隙主要以小孔隙為主。

(3)通過T2譜和孔徑分布曲線可以看出，隨養(yǎng)護齡期的增長，各孔徑的孔隙含量都在減小，且第一特征峰的變化幅度最大，說明孔隙總體含量隨齡期增長而減小，且小孔隙的含量減少最多。從孔級分布來看，MS-SCLC中無害孔的占比最多，其次為多害孔，少害孔與有害孔的含量相差不大。隨齡期增長，無害孔占比增大，混凝土強度增大。

(4)與MS-SCLC 28 d抗壓強度關(guān)聯(lián)最大的因素是有害孔的占比，之后依次是無害孔占比，束縛流體飽和度、自由流體飽和度、多害孔占比、少害孔占比以及孔隙度。無害孔占比越大，有害孔占比越小，強度越高；束縛流體飽和度越大，自由流體飽和度越小，強度越高。內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)對MS-SCLS強度有著非常大的影響，在進行MS-SCLC配合比設(shè)計時，應(yīng)多考慮對孔徑分布影響大的因素，盡量使孔徑分布趨于更優(yōu)。