利用膨脹珍珠巖制備超高性能輕及次輕骨料混凝土

耿旗輝，侯東帥,2,*，王鑫鵬，武 迪

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525；2.山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266525)

混凝土密度的降低能減輕混凝土結(jié)構(gòu)的自重，減少生產(chǎn)、運(yùn)輸和維護(hù)成本，提升混凝土結(jié)構(gòu)的保溫、隔熱、耐火以及抗震性能。因此，輕骨料混凝土(Lightweight Aggregate Concrete，LWAC，干表觀密度小于1950 kg/m3)和次輕骨料混凝土(Semi-Lightweight Aggregate Concrete，SLWAC，干表觀密度小于2300 kg/m3)的研究和應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)LWAC的性能(主要是抗壓強(qiáng)度)難以滿足超大跨度橋梁、超高層建筑、嚴(yán)苛環(huán)境工程對(duì)建材的高要求[1]。

大部分研究表明輕骨料的低強(qiáng)度[2]是限制高強(qiáng)LWAC和SLWAC開發(fā)的主要原因。通過優(yōu)選高強(qiáng)輕骨料或構(gòu)建“核-殼結(jié)構(gòu)”能提高輕骨料的力學(xué)性能，進(jìn)而提升LWAC和SLWAC的強(qiáng)度。然而，輕骨料的優(yōu)選或預(yù)處理(“核-殼結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì))增加了施工成本，且優(yōu)選或預(yù)處理后的輕骨料的力學(xué)性能仍遠(yuǎn)低于普通砂石骨料，限制了LWAC力學(xué)性能的進(jìn)一步提升。BABU[3]和ROY[4]等的研究表明LWAC的性能不僅受輕骨料的力學(xué)性能影響，也與輕骨料粒徑關(guān)系緊密，即輕骨料粒徑越小，其對(duì)水泥基材料機(jī)械性能的負(fù)面影響越小。NGUYEN等[5]也得到了類似的結(jié)論，他認(rèn)為輕骨料的粒徑尺寸與孔徑大小對(duì)水泥基材料的性能影響類似，其試驗(yàn)結(jié)果也表明將輕骨料的粒徑由7～9 mm降低到4～6 mm，LWAC強(qiáng)度提升20%。MALACHANNE等[6]研究了骨料分散性的影響，其研究結(jié)果表明輕骨料分散性越高，輕骨料周圍的應(yīng)力越小，試塊強(qiáng)度越高；然而，粒徑更小的輕骨料并不適合制備傳統(tǒng)的LWAC[7]。

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)是基于顆粒緊密堆積理論設(shè)計(jì)的具有超高強(qiáng)度、良好韌性(摻加鋼纖維后)和優(yōu)異耐久性的先進(jìn)水泥基材料。傳統(tǒng)UHPC通過剔除粗骨料，使用最大粒徑為1 mm的骨料，為小粒徑輕骨料的引入提供了條件。同時(shí)，UHPC水膠比較低(一般小于0.20)，新拌UHPC黏度高，降低了輕骨料的上浮風(fēng)險(xiǎn)[8-9]，利于輕骨料的均勻分散。因此，將輕骨料引入U(xiǎn)HPC體系有望實(shí)現(xiàn)提高LWAC的力學(xué)性能。

綜上所述，本研究以UHPC為基體，選用強(qiáng)度極低的膨脹珍珠巖(Expanded Perlite,EP)作為輕骨料來探究輕骨料粒徑降低、分散性提高制備更好性能LWAC的可行性，利用CT-圖像分析處理系統(tǒng)評(píng)價(jià)骨料的分散性，通過干表觀密度和抗壓強(qiáng)度、電通量、RCM以及抗沖擊性能等測試評(píng)價(jià)UHPLWAC和UHPSLWAC的宏觀性能，通過近場動(dòng)力學(xué)模擬分析低強(qiáng)度輕骨料制備超高性能輕(次輕)骨料混凝土的機(jī)理。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用山東水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P.O 52.5型硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)要求，比表面積為360 m2/kg；采用成都東南星生產(chǎn)的硅灰，比表面積為1800 m2/kg；實(shí)驗(yàn)所用骨料為粒徑范圍為0.075～0.6 mm的石英砂；為降低混凝土自重，使用最大粒徑為0.6 mm的膨脹珍珠巖作為輕骨料替代石英砂制備輕(次輕)骨料混凝土，原材料的化學(xué)組分和粒徑分布分別見表1和圖1。膨脹珍珠巖、石英砂和陶粒等骨料的物理性能對(duì)比如表2所示。膨脹珍珠巖的物理性能遠(yuǎn)低于石英砂和常用輕骨料(陶粒)，使用聚羧酸系高效減水劑調(diào)整漿體工作性能，使各組試件新拌漿體的流動(dòng)度維持在(160±10) mm；拌和水為青島市自來水，符合國家標(biāo)準(zhǔn)；UHPC超高的強(qiáng)度帶來了更高的脆性，為保證其韌性，研究摻加長13 mm、直徑0.2 mm、抗拉強(qiáng)度2600 MPa的長直鍍銅鋼纖維。

表1 各原材料的化學(xué)組成 %

圖1 原材料和骨料的粒徑分布、優(yōu)化曲線和目標(biāo)曲線

表2 膨脹珍珠巖、石英砂和陶粒的物理性能對(duì)比

1.2 配合比設(shè)計(jì)

基于顆粒緊密堆積理論，利用Modified Andreasen and Andersen(MAA)模型設(shè)計(jì)UHPLWAC。首先利用式(1)計(jì)算目標(biāo)曲線，其次根據(jù)王發(fā)洲[10]和YU等[12]的研究來確定各組分的約束條件(硅灰15%～25%；水泥30%～50%；膨脹珍珠巖>75%)，最后將該問題轉(zhuǎn)化為帶約束條件的二次規(guī)劃問題，通過拉格朗日乘數(shù)法，構(gòu)造拉格朗日函數(shù)，利用有效集法進(jìn)行求解，得到滿足約束條件的最優(yōu)解。將解集轉(zhuǎn)換為配合比，見表3。

表3 配合比、干表觀密度和分布系數(shù)

(1)

式中：D為顆粒粒徑，mm；P(D)為粒徑小于D的顆粒累積分?jǐn)?shù)，%；Dmax為UHPC原材料的最大粒徑，mm；Dmin為UHPC原材料的最小粒徑，mm；q為分配系數(shù)，本文取q=0.23[13]。

1.3 成型與養(yǎng)護(hù)

制備試件時(shí)，首先將膠凝材料和細(xì)骨料干拌均勻，再加入75%的水和減水劑，慢攪至形成漿體后，加入剩余的水和減水劑快攪1 min，最后均勻加入鋼纖維并繼續(xù)慢攪2 min。將制備好的漿體裝入模具中成型。拆模后將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行測試。

1.4 試驗(yàn)方法

輕骨料混凝土的干表觀密度測試依據(jù)《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 12—2019)進(jìn)行；抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行；電通量和RCM試驗(yàn)按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行。參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13∶2009)制備直徑為150 mm，厚度為(63±3) mm的圓餅形試件進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)高度設(shè)計(jì)為5000 mm，選擇5 kg的鋼質(zhì)沖擊錘。分散性采用ZEISS Xradia 510 versa 3D X射線顯微鏡進(jìn)行試件的圖像采集并結(jié)合圖像分析處理系統(tǒng)進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)和分析(圖2)，借鑒HUANG等的研究[14]，根據(jù)式(2)分別計(jì)算輕骨料或鋼纖維的分布系數(shù)，利用分布系數(shù)評(píng)價(jià)兩者的分散性。

圖2 X-CT圖像處理步驟

(2)

1.5 近場動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

近場動(dòng)力學(xué)(Peridynamics，PD)是由SILLING[15]提出的一種非局部理論，是研究均勻與非均勻材料和結(jié)構(gòu)的大變形、損傷、斷裂、沖擊、穿透和失穩(wěn)等不連續(xù)問題的有效手段[16]。使用近場動(dòng)力學(xué)模擬來研究輕骨料粒徑與混凝土破壞形式和抗壓強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)機(jī)制(假設(shè)骨料均勻分布)。

在PD理論中，空間域R內(nèi)任一物質(zhì)點(diǎn)x與其近場范圍δ內(nèi)的任意其他物質(zhì)點(diǎn)x′在某時(shí)刻t存在相互作用力f，如式(3)所示：

(3)

如圖3所示，模型A是一個(gè)完全均質(zhì)的UHPC結(jié)構(gòu)，包括64 000個(gè)立方體水泥顆粒，每個(gè)水泥顆粒邊長為1 mm；模型B將模型A中心區(qū)域內(nèi)的水泥顆粒用一個(gè)直徑5 mm的球形EP顆粒替代；而模型C是將模型A中的1000個(gè)水泥顆粒用邊長1 nm的立方體EP顆粒代替，并且這些EP顆粒能夠均勻地分布在模型中，3個(gè)模型的尺寸均為40 mm×40 mm×40 mm。其中，水泥顆粒和EP顆粒的楊氏模量分別設(shè)計(jì)為50和0.4 GPa，密度分別為3150和1140 kg/m3。此外，臨界伸長率距s00=0.0005，分布系數(shù)α=0.25，近場范圍δ取晶格常數(shù)的3倍，即1.5 mm[17]。

圖3 近場動(dòng)力學(xué)模擬過程

2 結(jié)果與討論

2.1 均質(zhì)性

輕骨料的分布對(duì)LWAC的力學(xué)性能具有重要影響，為此，本研究通過CT-圖像分析處理系統(tǒng)，結(jié)合式(2)計(jì)算基體中骨料的分布系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表3所示，EP100試件的分布系數(shù)為0.9450。結(jié)果表明，EP能夠在UHPC基體中均勻分布。

傳統(tǒng)UHPC的脆性很大，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)往往會(huì)摻加鋼纖維來提升其韌性，也被稱為超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，UHPFRC)。為此，本研究也對(duì)摻加EP的UHPFRC基體中鋼纖維的分布情況進(jìn)行了表征。EP100+試件的CT圖像如圖4所示，由圖可知，摻加EP的UHPFRC試件中上部的2個(gè)區(qū)域鋼纖維較下部2個(gè)區(qū)域的鋼纖維數(shù)量明顯減少。結(jié)合式(2)計(jì)算的EP100+基體中鋼纖維的分布系數(shù)為0.8516，較基準(zhǔn)組Ref.+降低了10.1%，與CT圖像的結(jié)果吻合。由此可知EP的摻加會(huì)導(dǎo)致UHPFRC基體內(nèi)的鋼纖維出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，導(dǎo)致其分布系數(shù)下降。

圖4 EP100+中鋼纖維沉降

2.2 干表觀密度

各組試件的干表觀密度測試結(jié)果如表3所示。EP的加入能夠有效降低試件的干表觀密度。其中，EP100試件的干表觀密度為1800 kg/m3，較Ref.試件減輕了19.6%，按《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 12—2019)的規(guī)定屬于輕骨料混凝土(干表觀密度<1950 kg/m3)。對(duì)于摻加鋼纖維的EP100+試件，其干表觀密度為1989 kg/m3，較Ref.+試件減輕了17.9%，依據(jù)丁慶軍[1]的研究，EP100+試件屬于次輕骨料混凝土(干表觀密度<2300 kg/m3)。

2.3 抗壓強(qiáng)度

不同養(yǎng)護(hù)齡期的各試件抗壓強(qiáng)度如圖5所示。對(duì)于UHPC試件，摻加EP會(huì)顯著降低早期(1 d)的抗壓強(qiáng)度，其中，EP100試件的1 d抗壓強(qiáng)度為25.0 MPa，基準(zhǔn)組Ref.的1 d抗壓強(qiáng)度為61.7 MPa。原因是早期水泥石強(qiáng)度較低，更易在荷載作用下同低強(qiáng)度的膨脹珍珠巖發(fā)生聯(lián)合破壞。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，各配比試件的強(qiáng)度均得到提升，其中，EP100試件的3，7和28 d抗壓強(qiáng)度分別為57.3，78.6和121.9 MPa，較對(duì)照組分別下降了26.0%，11.7%和8.6%。

對(duì)于UHPFRC試件，各齡期的抗壓強(qiáng)度均大于UHPC試件。EP的摻加較UHPFRC的抗壓強(qiáng)度影響更大。其中，EP100+試件的1，3，7和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為28.7，72.3，108.6和140.9 MPa。相比于基準(zhǔn)組Ref.+分別下降了61.7%，32.4%，14.2%和18.9%。摻加EP的UHPFRC后期養(yǎng)護(hù)齡期強(qiáng)度下降程度較UHPC嚴(yán)重，這主要與EP的摻加降低了UHPFRC基體的黏度，導(dǎo)致鋼纖維的沉降有關(guān)[18]。這與章節(jié)2.1的研究結(jié)果相符。

2.4 電通量和RCM試驗(yàn)

7和28 d的RCM試驗(yàn)和電通量試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表可知，EP的摻入對(duì)UHPC的7 d抗氯離子滲透性能有明顯的負(fù)面影響。其中，EP100試件7 d氯離子浸入深度為3.85 mm，較對(duì)照組增加了1.95 mm；EP100試件的7 d電通量值為395 C，較基準(zhǔn)組增加了約1倍。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，各試件的抗氯離子滲透性能大幅提升。其中，Ref.和EP100試件的28 d氯離子浸入深度為0 mm，電通量結(jié)果分別為40和49 C，說明制備的UHPLWAC基本不存在氯離子滲透風(fēng)險(xiǎn)。

表4 UHPC和UHPLWAC在不同養(yǎng)護(hù)齡期的電通量和RCM試驗(yàn)結(jié)果

2.5 抗沖擊試驗(yàn)

圖6為EP100+試件與Ref.+試件沖擊試驗(yàn)過程中出現(xiàn)初裂縫沖擊次數(shù)與破壞沖擊次數(shù)的數(shù)據(jù)對(duì)比。可見，對(duì)照組試件與實(shí)驗(yàn)組試件出現(xiàn)初裂縫的沖擊次數(shù)相當(dāng)。但試件最終破壞所需沖擊次數(shù)出現(xiàn)較大差距，Ref.+試件沖擊9～20次發(fā)生破壞，而EP100+試件需要沖擊18～33次。另外，試件的破壞形態(tài)如圖7所示，對(duì)于對(duì)照組試件，破壞主要分為4部分，出現(xiàn)了2條貫穿裂縫和3條小裂縫，在巨大的沖擊荷載作用下傳統(tǒng)的UHPC(Ref.+)仍表現(xiàn)出脆性行為。然而EP100+試件在破壞時(shí)呈現(xiàn)出多裂縫擴(kuò)展破壞特征，盡管有骨料和纖維的拔出，但試件仍保持其良好的完整性。其原因可能是摻加EP的UHPC在承受沖擊荷載時(shí)能夠通過增加裂紋的擴(kuò)展路徑減少試件內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，延緩微裂紋向宏觀裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而提高了試件的抗沖擊性能。

圖7 不同試件的抗沖擊破壞形態(tài)

3 機(jī)理分析

為了分析摻加低強(qiáng)度EP制備的超高性能輕(次輕)骨料混凝土能夠保持優(yōu)異力學(xué)性能的作用機(jī)理，本文對(duì)構(gòu)建的3個(gè)模型進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)?zāi)M，模型A，B和C的拉伸破壞形式如圖3所示。在拉伸荷載作用下模型B的裂紋始于中心區(qū)域的球形EP顆粒，并且表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂縫沿初始裂紋迅速擴(kuò)展形成通縫，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；而模型C通過調(diào)節(jié)EP顆粒的粒徑大小并使其均勻分布在UHPC基體中，構(gòu)建了一種高度均質(zhì)的UHPC結(jié)構(gòu)，在拉伸破壞過程中，粒徑較小且均勻分散的EP顆粒減少了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，表現(xiàn)出多裂縫擴(kuò)展破壞特征。

模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。模型B在較小的應(yīng)力下發(fā)生破壞，呈現(xiàn)出較弱的力學(xué)性能；而模型C破壞所需應(yīng)力與模型A相當(dāng)，力學(xué)性能較模型B得到大幅提升。

圖8 3個(gè)模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

PD模擬結(jié)果解釋了本文所制備的UHPLWAC和UHPSLWAC在摻加低強(qiáng)度的EP輕骨料后仍能保持優(yōu)異力學(xué)性能的作用機(jī)理。使用均質(zhì)性較高(兼具超高強(qiáng)度)的超高性能混凝土作為基體，引入低強(qiáng)度膨脹珍珠巖作為輕骨料，通過降低輕骨料粒徑、提高輕骨料的分散性構(gòu)建出分布系數(shù)為0.9450的均質(zhì)性結(jié)構(gòu)(UHPLWAC)。在承受荷載時(shí)，UHPLWAC結(jié)構(gòu)內(nèi)部首先會(huì)在EP輕骨料處產(chǎn)生裂縫，在荷載作用下裂縫會(huì)向其他輕骨料處擴(kuò)展，由于EP輕骨料在基體內(nèi)的粒徑小且分布均勻，減少了受力過程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得裂縫擴(kuò)展的路徑增加，而裂縫擴(kuò)展的動(dòng)力來自于外界荷載，多裂縫的擴(kuò)展就需要更大的荷載，在宏觀上就表現(xiàn)出力學(xué)性能的提升。

4 結(jié)論

1) 基于緊密堆積理論，利用MAA模型，使用筒壓強(qiáng)度為0.3 MPa的膨脹珍珠巖能夠制備出干表觀密度為1800 kg/m3、抗壓強(qiáng)度為120.1 MPa的UHPLWAC和干表觀密度為1989 kg/m3、抗壓強(qiáng)度為140.9 MPa的UHPSLWAC。

2) CT-圖像分析系統(tǒng)結(jié)果表明，膨脹珍珠巖基UHPC中骨料分布系數(shù)為0.9450，表明UHPC體系有利于輕骨料的均勻分布。

3) EP的摻入會(huì)降低UHPC的早期(1 d)抗壓強(qiáng)度。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，EP100試件的28 d抗壓強(qiáng)度與Ref.試件強(qiáng)度相當(dāng)(下降8.6%)。但EP的摻加明顯降低了UHPFRC的鋼纖維分散性，這是EP100+與Ref.+相比強(qiáng)度大幅降低的主要原因。

4) 電通量和RCM試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的UHPLWAC具有優(yōu)異的抗氯離子滲透性能。

5) 摻加EP制備的鋼纖維增強(qiáng)UHPC，沖擊破壞次數(shù)為18～33次，較對(duì)照組(9～20次)明顯增多，且破壞形態(tài)呈多裂縫擴(kuò)展破壞特征，抗沖擊性能得到有效提升。

6) 近場動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，通過減少膨脹珍珠巖輕骨料的粒徑大小，提升其分散性，能夠減少基體內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是本文所設(shè)計(jì)制備的UHPLWAC和UHPSLWAC保持優(yōu)異力學(xué)性能的主要原因。