膨潤土對超高性能混凝土性能影響研究

文／吳赟 山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院 山東濟南 250000

引言：

隨著現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，混凝土作為重要的工程材料，其需求量也是日益增多，讓學術(shù)界對其性能的要求也就越來越高[1]。在混凝土拌合之后，由于會受到塑性收縮、自收縮、干燥收縮以及各種收縮的影響，會導致其出現(xiàn)收縮開裂的問題，從而對混凝土的耐久性有不利影響。目前減少混凝土的收縮問題的方法有：摻入膨脹劑補償收縮、摻入纖維、摻入減縮劑等。摻入膨脹劑的混凝土確實可以補償收縮，但是在低水膠比混凝土中的收縮補償效果不太好，無法充分反應。纖維可以在一定程度上減少收縮，但當纖維分布不均時，也不利于混凝土的耐久性。而減縮劑在混凝土的使用，能有效地減少混凝土的收縮，為混凝土收縮的減少提供了穩(wěn)定的方法。

1.實驗

1.1 試劑與材料

超高性能混凝土采用普通硅酸鹽水泥(52.5P·O)、硅灰、石灰粉和膨潤土(bentonite,BT)作為膠凝材料，河砂(0～0.6mm、0.6mm～1.25mm) 作為細骨料和PC-10 聚羧酸系高性能減水劑作為減水劑(固體含量20%)。這些粉體的粒徑分布分析如圖1 所示。此外，還采用了長度為13mm、直徑為0.2mm 的直鋼纖維。

圖1 各原材料的粒徑分布

膨潤土是以蒙脫石為主要成分的黃白色片狀粘土。蒙脫石由兩層硅氧四面體和一層氧化鋁八面體組成，屬于2:1層狀硅酸鹽。八面體和四面體結(jié)構(gòu)中的Al3+和Si4+可以被低價陽離子取代，使蒙脫石晶體層帶負電荷。Na+、Ca2+等陽離子被吸附到層間以平衡蒙脫石表面的負電荷。蒙脫石晶格中陽離子交換的結(jié)構(gòu)特征決定了蒙脫石具有良好的陽離子交換、溶脹、吸附和觸變性等性能。

1.2 試驗配合比

依據(jù)《水運工程混凝土施工規(guī)范》中的規(guī)定合理設(shè)計水工混凝土配合比[3]。采用膨潤土等量替代基準配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，對0%、3%膨潤土摻量且水膠比0.36 基準組，通過適當增大或減小用水量把水膠比調(diào)整成0.30、0.40，通過控制減水劑摻量將拌合物坍落度調(diào)整到180～220mm 范圍內(nèi)。

1.3 試驗方法

1.3.1 流動度

本實驗以（GB/T2419-2005）《水泥膠砂流動度測定方法》為標準對UHPC 的流動度進行測試。首先，將攪拌后的UHPC 漿體倒入上、下孔直徑分別為70mm 和100mm，高度為60mm 的截錐圓模具中，將多余漿體刮去直至與模具上表面齊平。然后以緩慢又均勻的速度將模具垂直向上提起，讓漿體完全流出，待UHPC 漿體流動停止后，測量最長直徑及其垂直直徑并取兩者的平均值為流動度。

1.3.2 塑性收縮實驗

混凝土塑性收縮實驗采用平板開裂法，實驗裝置、試件尺寸以及實驗步驟按照SL/T352-2020《水工混凝土實驗規(guī)程》進行。實驗時，將成型好的試樣放在20±2℃，相對濕度60±5%的室內(nèi)，在風速5±0.5m/s 的風扇吹拂下，24h 后，測量和記錄裂縫的數(shù)量、長度以及寬度。計算單位面積上的總開裂面積，以此數(shù)據(jù)作為指標。

1.3.3 力學性能

本實驗以（GB/T17671-1999）《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》為標準，對UHPC 的力學性能進行測試。UHPC 試塊在48h 蒸汽養(yǎng)護（養(yǎng)護條件，溫度與濕度）后對其抗折強度和抗壓強度進行測試，每個配合比重復測試三次，然后取其平均值為結(jié)果。所用力學性能測試的儀器為無錫市的錫東建材設(shè)備廠所生產(chǎn)的壓力試驗機（JES-2000A）。

1.3.4 劈裂抗拉強度實驗

混凝土的劈裂抗拉強度混凝土抗壓強度實驗參照SL/T352-2020《水工混凝土實驗規(guī)程》進行，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，養(yǎng)護條件同上。分別測其3d、7d、28d、60d 的劈裂抗拉強度。

2.結(jié)果分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用膨潤土等量替代基準配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，經(jīng)水化28d 后利用掃描電鏡觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未摻膨潤土組存在大量相互搭接的纖維狀水化硅酸鈣凝膠，內(nèi)部孔隙較多；摻3%膨潤土時，內(nèi)部孔隙明顯減少，這是由于膨潤土吸水膨脹后堵塞內(nèi)部孔隙，混凝土孔隙率明顯下降；摻7%膨潤土時，部分纖維狀結(jié)晶相互分散且被包裹，這是因為過多的膨潤土吸附了大量水分，阻礙了水泥水化，使得內(nèi)部C-S-H 凝膠量減少，結(jié)構(gòu)密實度以及C-S-H 的搭接程度下降，水工混凝土抗氯離子滲透性和抗氣體滲透性變差。由于膨潤土的離子交換性能及其對水化產(chǎn)物的包裹作用可以有效地延緩氯離子擴散，相較于抗氣體滲透性其抗氯離子滲透性更優(yōu)。

2.2 流動度

不同膨潤土摻雜含量的UHPC 流動度的結(jié)果可以看出，隨著膨潤土的摻入，新拌UHPC 漿體的流動度不斷下降。本實驗中，未摻入膨潤土的UHPC 漿體（標準組）的流動度最高，為261mm。在加入2.5%、5.0%和7.5%的膨潤土后，流動度呈現(xiàn)大幅度的下降，相比于標準組分別了下降了10.3%、32.0%和54.0%。當膨潤土摻入量為10.0%時，此時新拌UHPC 漿體幾乎沒有流動性，漿體的黏聚性較高。上述現(xiàn)象可以從膨潤土作用機制解釋。一方面，膨潤土具有較大的比表面積和層狀的微觀結(jié)構(gòu)，通常通過吸附水分子來降低其表面能，這導致了分散水泥的自由水減少，因此，新拌UHPC 漿體的流動度下降。另一方面，膨潤土因為其特殊結(jié)構(gòu)可以將聚羧酸減水劑吸附在表面。研究了鈉基蒙脫石對水泥流動性的影響及機理，結(jié)果表明，鈉基蒙脫石的水泥替代質(zhì)量分數(shù)為3%時，其對減水劑吸附量是水泥材料的2.16 倍，為18.33mg/g。

2.3 HPC 彈性模量受溫度的影響

通常彈性模量作為研究高性能混凝土動態(tài)力學特性的一種表征參量，高性能混凝土的應力和應變可以通過式（1）和式（2）計算得到，混凝土的彈性模量E 是由實際測到的應力-應變曲線中對應切線率可以表述為和σ=0.4fTC對應的應變的比值[2]。由表1 中的數(shù)據(jù)可知，不同強度等級的高性能混凝土的彈性模量E 在不同沖擊速度作用下，受溫度升高的變化影響很明顯，即使溫度繼續(xù)升高，但是彈性模量下降的速度會越來越慢，最后趨于一致。

小結(jié)：等級越高的高性能混凝土在受高溫作用時整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能越差，劣化程度越大；不同強度等級的高性能混凝土的彈性模量E 在不同沖擊速度作用下，受溫度升高的變化影響很明顯；隨著溫度的升高，彈性模量反而明顯下降，但是下降的幅度越來越小。

2.4 抗折強度

為研究鋼纖維摻量對超高性能混凝土抗折強度的影響，針對鋼纖維摻量分別為0%,1%,2%,3%及4%的超高性能混凝土抗折強度變化情況進行對比分析，隨著鋼纖維摻量的增大，超高性能混凝土的抗折強度呈先增后減的變化趨勢，說明鋼纖維的摻入對混凝土的抗壓強度具有增強作用，但摻量不宜過大。未摻入鋼纖維的超高性能混凝土抗折強度為22.7MPa，在分別摻入1%,2%,3%和4%鋼纖維后，超高性能混凝土抗折強度分別增至23.8MPa、38.1MPa、46.3MPa 和36.2MPa，可以看出在摻入1%纖維后，混凝土的抗折強度增幅較小，而纖維摻量由2%增至3%階段增幅效果最為顯著，但纖維摻量超過3%后的增幅效果有所下降，說明纖維摻量超過3%對于改善混凝土抗折強度效果不大，由此說明鋼纖維的最佳摻量為3%，而過量摻入鋼纖維反而會降低混凝土的抗折強度。

2.5 溫度對動態(tài)抗壓強度的影響

高溫SHPB 試驗的影響因素很多，為了保證試驗效果的準確性，本文在相同條件下HPC 動態(tài)抗壓強度平均值作為試驗中的強度。溫度小于250℃，子彈沖擊氣壓為0.3MPa、0.5MPa 時，HPC 動態(tài)峰值在不同強度等級中對應的動態(tài)峰值隨著溫度的升高而增大，變化程度強烈；當溫度為350℃時，動態(tài)峰值應力和常溫下的動態(tài)峰值幾乎一樣；當溫度大于350℃，對應的動態(tài)峰值和溫度反而呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，通過動態(tài)峰值應力和溫度變化的關(guān)系可知，在一定溫度范圍內(nèi)HPC 試件動態(tài)峰值應力隨著溫度的升高而增大，當過了這個溫度臨界值，動態(tài)峰值應力就會隨著溫度的上升而下降。當子彈的沖擊氣壓提升為0.7MPa、1.1MPa 時，溫度小于250℃時，溫HPC 動態(tài)峰值應力受溫度變化的影響并不明顯，當溫度大于250℃時，試件動態(tài)峰值的應力隨著溫度的升高反而不斷下降，兩者的變化情況并不明顯，幾乎一致。究其主要原因是0.7MPa 的子彈沖擊氣壓是HPC 試件常溫下SHPB 試驗中破壞臨界的沖擊氣壓值。由此可知，高性能混凝土動態(tài)抗壓強度和溫度的關(guān)系同應變率和溫度的影響關(guān)系呈現(xiàn)相反效應。

2.6 工作性能

為研究鋼纖維摻量對超高性能混凝土工作性能的影響，針對鋼纖維摻量分別為0%、1%、2%、3%及4%。隨著鋼纖維摻量的增大，超高性能混凝土的擴展度呈不斷減小的變化趨勢，說明鋼纖維的摻入會降低混凝土的工作性能，主要原因是纖維的摻入增大了水泥漿體間的摩擦力，從而導致混凝土的流動性下降。當鋼纖維摻量由0%增至1%時，混凝土的擴展度由684mm 減至637mm，下降了近47mm，減小幅度相對較大；而鋼纖維摻量由1%增至3%時，混凝土的擴展度由637mm 減至609mm，總體僅下降28mm，減小幅度較小；但鋼纖維摻量由3%增至4%時，混凝土的擴展度由609mm 減至572mm，下降了近37mm，減小幅度顯著增大。由此說明，鋼纖維的摻入會導致超高性能混凝土的擴展度下降，但適量鋼纖維的摻入不會對其工作性能產(chǎn)生太大影響，建議鋼纖維摻量不超過3%。

2.7 含氣量對混凝土氣泡間距系數(shù)的影響

隨著含氣量的增加，混凝土的氣泡間距系數(shù)先減小后增加。當含氣量增加至5.4%時，氣泡間距系數(shù)減小至146.682μm；當含氣量繼續(xù)增大到7.4%時，混凝土的氣泡間距系數(shù)反而增加，增加到191.236μm。這是由于引氣劑主要引入10μm～1mm 的氣泡，引氣劑摻量的增加導致含氣量的增加，則新拌混凝土中的氣泡數(shù)量增加，氣泡間距系數(shù)減小。當含氣量過高時，所引入混凝土中的氣泡過多，小氣泡容易聚齊在一起形成大氣泡，導致大氣泡數(shù)量占總氣泡數(shù)量的比例增加，氣泡間距系數(shù)反而增大。

2.8 減縮劑對混凝土干縮的影響

試樣的干燥收縮發(fā)展的趨勢基本相同，在前14d，干燥收縮迅速發(fā)展，14d 之后趨勢趨于平緩。Mt 多羥基化合物能夠有效地降低混凝土的干燥收縮。效果最好的是當摻量為0.5%的時候，和空白組相比，其1d、3d、7d、21d、28d、35d、42d、49d、56d 的干燥收縮分別降低了46%、32%、30%、23%、26%、27%、27%、26%、28%、26%。隨著齡期的增加，下降的幅度也隨之降低。干燥收縮是混凝土在停止養(yǎng)護后，處于不飽和的濕空氣內(nèi)，內(nèi)部的毛細孔和凝膠孔的吸附水蒸發(fā)而引起的收縮。而減縮劑可以降低孔隙溶液的表面張力，根據(jù)拉普拉斯公式可知，隨著孔隙溶液表面張力的降低，當混凝土毛細孔和凝膠孔蒸發(fā)吸附水而引起的負壓也隨之減小，從起到降低混凝土干燥收縮的效果。

2.9 顆粒級配對混凝土力學性能的影響

從當前的實際情況分析，很多研究人員通過試驗利用機制砂配制混凝土，較之相同條件下應用河砂效果更好，混凝土強度合格。郭丹等人通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著機制砂1.18mm 以上顆粒的不斷增加，配制出來的膠砂的強度也不斷增加，當1.18mm 以上的顆粒含量超過40%時，其膠砂的稠度和強度均大幅提升，所拌制的混凝土在強度方面也有較好的表現(xiàn)。因此，在配制高強度等級的混凝土時，應該選用偏粗的機制砂級配，以此獲得更好的混凝土強度。在配合比參數(shù)設(shè)計相同的情況下，采用相同的原材料，僅僅只是在機制砂的顆粒級配方面進行變化，都會對混凝土的力學性能造成較大的影響。因此，混凝土中的組成結(jié)構(gòu)級混凝土的密實性才是影響混凝土強度的關(guān)鍵因素。從絕大多數(shù)中高強混凝土進行力學實驗后破碎面的破碎特征中能看出，細集料破壞基本都是在抗壓過程中發(fā)生了斷裂破壞。而1.18mm 是一個關(guān)鍵的分界線，1.18mm 篩檔以下的微骨料主要是與水泥一同形成水泥石，對混凝土的受力作用貢獻很小。C80 混凝土屬于高強度混凝土，整體中所含的粉體材料較多，與一般的中低強度混凝土相比，需要更多較粗的顆粒形成微骨架。在配制時需要控制機制砂中1.18mm 以上顆粒含量，最好1.18mm 篩孔篩余量在40-50%，以確保其擁有更好的力學性能。

結(jié)語：

（1）隨著膨潤土的摻入，新拌UHPC 漿體的流動度呈現(xiàn)下降趨勢，當膨潤土摻入量為10.0%時，此時新鮮UHPC 漿體幾乎沒有流動性，漿體的黏聚性較高。

（2）當膨潤土含量為5.0%以下時，UHPC 基體的抗壓強度約為120MPa；隨著膨潤土含量的增加，UHPC基體的抗折強度變化不大仍舊保持在13MPa～14MPa范圍內(nèi)。

（3）隨著膨潤土摻入量的逐步增加，UHPFRC 的抗折強度分別提高了9.0%、17.6%、18.5%和6.1%。此外，當膨潤土摻入量為2.5%和5.0%時，兩者抗壓強度在160MPa 左右波動，仍舊具有優(yōu)異的力學性能。

（4）摻入膨潤土的UHPFRC 的鋼纖維使用效率始終大于未摻入膨潤土的UHPFRC。此外，隨著膨潤土摻量的增加，UHPFRC 的鋼纖維的使用效率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。

（5）水工混凝土的電通量與氣體滲透系數(shù)呈顯著正相關(guān)性，摻入適量的膨潤土可在一定程度上降低水工混凝土孔隙。

高性能輕質(zhì)混凝土具有輕質(zhì)高強、保溫隔熱、節(jié)能環(huán)保、高耐久性等優(yōu)勢，在未來的裝配式結(jié)構(gòu)、建筑節(jié)能、特殊環(huán)境下的結(jié)構(gòu)加固、恒載限制的結(jié)構(gòu)工程中的應用具有巨大的開發(fā)前景。本文從力學性能、導熱性能和耐久性方面闡述了輕質(zhì)混凝土的增強工藝和主要參數(shù)，得出可采用多種增強工藝協(xié)同的方法使普通輕質(zhì)混凝土增強，優(yōu)化性能參數(shù)，提升制備工藝。總結(jié)分析了高性能輕質(zhì)混凝土應用現(xiàn)狀和前景，高性能輕質(zhì)混凝土的性能優(yōu)勢為建筑工程、高速鐵路和橋梁工程的安全高質(zhì)量建設(shè)提供了更好的條件。本文提出的高性能輕質(zhì)混凝土性能增強方法及性能參數(shù)，可為輕質(zhì)混凝土材料的優(yōu)化和工程應用提供參考。