陳 希，徐 意，周宇飛，丁慶軍

(1.中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430010；2.湖北交投智能檢測(cè)股份有限公司，武漢 430070；3.湖南程川新材料有限公司，長(zhǎng)沙410000；4.武漢理工大學(xué)材料學(xué)院，武漢430070)

通常將材料的抗壓強(qiáng)度與密度的比值稱為材料的比強(qiáng)度，高性能輕質(zhì)混凝土比普通混凝土質(zhì)量一般低20%～40%，故當(dāng)強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，輕質(zhì)混凝土具有較高的比強(qiáng)度。輕集料混凝土由于其容重較低、保溫性能好、可增加結(jié)構(gòu)有效載荷或在承載力相當(dāng)時(shí)減小結(jié)構(gòu)截面尺寸等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于高層樓板施工、海上鉆井平臺(tái)澆筑等工程中[1,2]。輕集料本身結(jié)構(gòu)疏松多孔，在混凝土制備前浸泡飽水后，可在混凝土內(nèi)部，利用毛細(xì)孔孔徑差導(dǎo)致的壓力差，緩慢釋放水分，產(chǎn)生內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，促進(jìn)水泥水化形成C-S-H凝膠，有效提高水泥水化程度和輕集料混凝土的后期強(qiáng)度[3-5]。

在當(dāng)下“共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)”的政策引導(dǎo)下，混凝土中細(xì)骨料逐步由天然砂河砂轉(zhuǎn)為機(jī)制砂。然而，由巖石破碎制得的機(jī)制砂常有較高石粉含量，且針、片狀顆粒較多，級(jí)配不佳，易增大混凝土拌合物的粘度，對(duì)混凝土性能造成一些負(fù)面影響。若采用水洗除去機(jī)制砂中的部分石粉勢(shì)必會(huì)造成水資源的浪費(fèi)和污染，然而大量研究表明，在水膠比相同的條件下，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度一般高于河砂混凝土，故擬將機(jī)制砂中的石粉作為惰性摻料，采用頁(yè)巖陶粒作為輕集料，探究設(shè)計(jì)一種利用礦物摻合料對(duì)高石粉含量C50機(jī)制砂輕集料混凝土進(jìn)行改性優(yōu)化的方案。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥：采用亞東水泥PO42.5水泥。水泥主要化學(xué)成分如表1所示；2)粉煤灰：浙江寧海電廠產(chǎn)I級(jí)粉煤灰，其主要性能指標(biāo)見表2；3)礦粉：S95級(jí)高性能礦粉，性能指數(shù)見表3；4)細(xì)集料為機(jī)制砂，其具體參數(shù)見表4，輕集料為頁(yè)巖陶粒，性能見表5；5)外加劑：江蘇博特聚羧酸減水劑，減水率為20%；6)引氣劑：SJ-2型引氣劑。

表3 礦粉性能指標(biāo)

表4 機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)

表5 頁(yè)巖陶粒技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行混凝土拌合及工作性能測(cè)試；參照GB/T50081—2002《普通混凝土拌合物力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土拌合物成型并測(cè)試其各項(xiàng)力學(xué)性能；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》測(cè)試混凝土試塊的抗氯離子侵蝕及抗凍性；將試塊按100 mm×100 mm×400 mm成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試試塊經(jīng)過100次、200次、300次凍融循環(huán)后，其相對(duì)彈性模量及質(zhì)量損失。

2 高石粉機(jī)制砂輕集料混凝土配合比設(shè)計(jì)

筆者基于C50混凝土技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合機(jī)制砂和頁(yè)巖陶粒的各項(xiàng)性能指標(biāo)，經(jīng)過理論計(jì)算和多次試配，得到如下配比，如表6所示，各項(xiàng)性能均基本滿足工程施工需要，因此作為基準(zhǔn)配比，在此基礎(chǔ)上利用礦物摻合料進(jìn)行改性優(yōu)化，其性能如表7所示。

表6 試驗(yàn)研究基準(zhǔn)配合比

表7 基準(zhǔn)高石粉機(jī)制砂輕集料混凝土配合比性能

由表7可知，該輕集料混凝土的基準(zhǔn)配比可滿足C50混凝土的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，然而此配比中，水泥用量應(yīng)有下調(diào)空間，否則施工中易造成成本較高，且早期水化溫升較高，其60 d收縮較大，在工程應(yīng)用中易增大其開裂的風(fēng)險(xiǎn)，故采用摻加礦物摻合料替代水泥的方式，降低水泥用量，減小混凝土早期收縮。

2.1 配合比優(yōu)化

通過等量摻加粉煤灰和礦粉取代等量水泥，降低單方混凝土水泥用量，降低C-S-H凝膠顆粒反應(yīng)速率，減少其早期水化放熱。由此，筆者設(shè)計(jì)了單摻不同含量的粉煤灰(20%、30%、35%)和礦粉(15%、20%、25%)及礦粉和粉煤灰混摻實(shí)驗(yàn)，其配合比見表8，性能見表9。

表8 試驗(yàn)研究配合比

表9 混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

通常認(rèn)為抗壓強(qiáng)度達(dá)40 MPa以上的輕集料混凝土為高性能輕集料混凝土，由表9得知，8組混凝土的7 d強(qiáng)度都達(dá)40 MPa以上，且隨著齡期增長(zhǎng)，預(yù)制飽水陶粒充分發(fā)揮其內(nèi)養(yǎng)護(hù)功能，其強(qiáng)度保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，60 d強(qiáng)度均達(dá)60 MPa以上。

由表9可知隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的坍落度/擴(kuò)展度逐漸增大，這是由于粉煤灰粒徑相對(duì)水泥顆粒較小，且含大量球狀玻璃體，可改善水泥顆粒級(jí)配，降低顆粒間相對(duì)移動(dòng)的阻力。然而粉煤灰具有較大比表面積，當(dāng)其摻量過高時(shí)，易結(jié)合過多自由水，使水泥水化不足，強(qiáng)度降低。隨礦粉摻量的增加，混凝土坍落度擴(kuò)展度、早期強(qiáng)度降低，但后期強(qiáng)度可得到較大提升。當(dāng)采用礦粉和粉煤灰混摻復(fù)配時(shí)，坍落度/擴(kuò)展度和28 d強(qiáng)度可達(dá)到工程使用要求[6]，且大幅降低水泥用量至225，減小了其早期水化溫升。摻入引氣劑后，可改善輕質(zhì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善其勻質(zhì)性，分散絮凝的水泥基團(tuán)，促進(jìn)水化增強(qiáng)混凝土密實(shí)度。隨齡期的增長(zhǎng)，水泥不斷水化消耗漿體濕度，此時(shí)預(yù)濕飽水陶粒向外返水，促進(jìn)水泥繼續(xù)水化形成C-S-H凝膠，發(fā)揮其內(nèi)養(yǎng)護(hù)功能，保證混凝土強(qiáng)度穩(wěn)步上升，且頁(yè)巖陶粒本身具有一定的火山灰效應(yīng)，可同氫氧化鈣結(jié)合，增強(qiáng)陶粒界面的粘結(jié)能力，提升其后期強(qiáng)度。

2.2 抗折強(qiáng)度及折壓比

抗折強(qiáng)度是衡量混凝土抗彎曲能力高低的重要物理量，筆者選取2、5、8三組配合比為例，測(cè)試其不同齡期抗折強(qiáng)度及折壓比如表10所示。

表10 輕質(zhì)混凝土抗折強(qiáng)度及折壓比

由表10可見，三組配比的3 d抗折強(qiáng)度均可達(dá)4 MPa以上，對(duì)比其90 d強(qiáng)度與28 d強(qiáng)度可知，三組配比的抗折強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了19.35%、35.59%、26.15%，即混凝土的抗折強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)不如早期快，但依然在緩慢上升?；炷恋目拐蹚?qiáng)度同混凝土的微結(jié)構(gòu)、內(nèi)部微裂紋及硬化體中的微裂紋數(shù)目、取向有關(guān)。由第8組配比可知，雙摻礦粉、粉煤灰，及引氣劑的加入可有效提高界面過渡區(qū)強(qiáng)度，提高密實(shí)度，從而導(dǎo)致該組后期抗折強(qiáng)度高于其余兩組。

同時(shí)，表10三組28 d折壓比均在1/8～1/10之間，具有較高折壓比，說明其中輕集料與膠凝材料間粘接能力較好，集料同漿體間形成牢固的界面過渡區(qū)。然而同普通混凝土相比，由于輕集料筒壓強(qiáng)度較低，其折壓比較低。通?？拐蹖?shí)驗(yàn)中，輕集料混凝土的斷裂面為直斷面，而普通混凝土的斷面多為集料與漿體的粘結(jié)界面處[7]。

3 耐久性試驗(yàn)研究

基于上述配比及性能指標(biāo)，筆者選取1、2、6、9四組為例探究高石粉含量機(jī)制砂輕集料混凝土抗?jié)B性及其抗凍性。

3.1 抗?jié)B性及抗碳化性

選取1、2、6、9四組配比為例，其抗?jié)B性及抗碳化試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表11所示：

表11 輕集料混凝土耐久性試驗(yàn)

由表11可知，當(dāng)摻加礦物摻合料替代部分水泥后，混凝土的抗碳化性和抗氯離子侵蝕能力顯著提高，這是由于摻入的礦物摻合料粒徑比水泥顆粒小，可充分填充水泥顆粒間的縫隙，提升混凝土的密實(shí)度。同時(shí)，礦物摻合料中含較多球狀玻璃體，可充分發(fā)揮其滾珠效應(yīng)，分散水泥顆粒，改善其級(jí)配，使水泥顆粒充分水化，降低其泌水。礦物摻合料自身所具備的火山灰效應(yīng)和二次水化進(jìn)一步提高混凝土密實(shí)度，從而提高其抗?jié)B性。

3.2 抗凍性

選取1、2、6、9四組配比為例，其抗凍性試驗(yàn)結(jié)果如圖1，圖2所示。

由圖1、圖2可知，第一組基準(zhǔn)配比質(zhì)量損失率和相對(duì)彈性模量損失皆為最大，摻入粉煤灰和礦粉后，其顆粒級(jí)配較好，可改善水泥顆粒級(jí)配，增加混凝土的密實(shí)度。且礦物摻合料自身具備的火山灰反應(yīng)，可提高混凝土的后期強(qiáng)度?；鶞?zhǔn)混凝土在經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，相對(duì)動(dòng)彈性模量出現(xiàn)大幅降低。而摻加礦物摻合料之后，經(jīng)300次凍融循環(huán)，混凝土的質(zhì)量損失率均小于0.3%，相對(duì)動(dòng)彈性模量均大于93%，優(yōu)于普通混凝土，這是由于陶粒的“微泵”作用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)硬化的影響。陶粒是一種表面粗糙且具有疏松多孔結(jié)構(gòu)的集料，試驗(yàn)所用陶粒，孔隙率達(dá)53.9%，開口孔隙率為15.9%，其飽和充水程度為0.31，遠(yuǎn)小于0.8，其本身具有良好的抗凍性[8-11]。同時(shí)，陶粒的多孔結(jié)構(gòu)，使其在漿體中可充分發(fā)揮吸水和返水作用。在水化初期，漿體中水分富余，會(huì)緩慢滲入陶粒的孔隙中，使界面過渡區(qū)的水膠比小于漿體基體的水膠比，故相較于漿體基體，界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。隨著水化程度的不斷加深，漿體的相對(duì)濕度降低，此時(shí)，陶粒產(chǎn)生返水效應(yīng)，將其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的水逐漸釋放出來，產(chǎn)生內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，使界面處的水泥水化更加充分，進(jìn)一步提高混凝土的密實(shí)度[9]。同時(shí)陶粒的多孔結(jié)構(gòu)可容納一部分由凍融循環(huán)而從毛細(xì)孔中滲出的水，緩解一定的因凍融循環(huán)而產(chǎn)生的膨脹力，且陶粒本身具有較小的彈性模量，對(duì)膨脹應(yīng)力有一定的緩沖作用。

4 結(jié) 論

a.礦物摻合料的加入可提高輕集料混凝土的流動(dòng)度，其中粉煤灰的效果優(yōu)于礦粉，且礦物摻合料可降低單方混凝土水泥用量，降低因水泥早期水化放熱而造成開裂的風(fēng)險(xiǎn)，雙摻礦物摻合料可增加漿體黏度，改善其空隙結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，使混凝土更加密實(shí)，顯著提高混凝土力學(xué)性能。

b.陶粒的吸水及返水作用可在膠凝材料水化期間發(fā)揮其內(nèi)養(yǎng)護(hù)功能，提高界面過渡區(qū)水泥石的密實(shí)度以及與骨料的粘結(jié)力，保證混凝土后期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)。

c.礦物摻合料改性高石粉含量機(jī)制砂C50輕集料混凝土具有較好的抗凍性，經(jīng)300次凍融循環(huán)其相對(duì)動(dòng)彈性模量依然可保持在93%以上。