林佳玲 汪守淳 李榮煒

（1 深圳市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心；2 貴州正霸新材料科技有限公司）

0 引言

多孔混凝土是一種具有連續(xù)大孔結(jié)構(gòu)的非封閉型生態(tài)環(huán)保材料[1]，它由特殊級(jí)配的骨料、水泥、外加劑、礦物摻合料和水按一定比例配制，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄嚢韫ば蚝驼駬v與加壓相結(jié)合的成型方式制備而成。多孔混凝土內(nèi)部由于含有較多的連通孔隙，能透水、凈水以及為植物根系提供生長(zhǎng)空間，目前在國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用到透水路面材料，污水凈化材料、植被生長(zhǎng)基材以及公路，河川的植被護(hù)坡、護(hù)堤材料[2]等方面。

由于多孔混凝土的結(jié)構(gòu)不是致密實(shí)體，而是存在許多大孔隙的蜂窩結(jié)構(gòu)，所以其強(qiáng)度形成與一般混凝土不同：①由于采用單粒徑的骨料，骨料與骨料間的接觸減少，從而導(dǎo)致機(jī)械嚙合力的減??；②膠結(jié)漿體對(duì)骨料的粘結(jié)面積減少，從而使膠結(jié)漿體和骨料的總粘附力減??；③骨料的排列狀況很不規(guī)則，所形成的接觸點(diǎn)分布狀況也非常不規(guī)則，這樣使傳力方向變化復(fù)雜，而且在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象[3]。以上三種原因都會(huì)導(dǎo)致多孔混凝土強(qiáng)度的降低，也是致使多孔混凝土強(qiáng)度不足的根本原因所在。

因此要提高多孔混凝土的力學(xué)性能，在骨料品質(zhì)及其用量不變的情況下，就必須盡量減小多孔混凝土自身結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)的影響，通常采用提高多孔混凝土的內(nèi)聚力和粘附力來提高其性能。若要提高內(nèi)聚力，必須保證粘結(jié)膠結(jié)漿體自身具有較高的強(qiáng)度，減少水泥石自身的缺陷，而提高粘附力就得通過改善膠結(jié)漿體與骨料粘結(jié)層的微觀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。基于此，本文分析了多孔混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化，并探討在固定目標(biāo)孔隙率下，分別摻加粉煤灰、礦渣或硅灰對(duì)多孔混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度以及軸心強(qiáng)度和彈性模量的影響，以期為多孔混凝土的力學(xué)性能研究奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

珠江水泥廠生產(chǎn)的P.II 52.5 水泥；深圳媽灣電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰；廣東省韶鋼集團(tuán)公司生產(chǎn)的磨細(xì)礦渣；挪威?？瞎旧a(chǎn)的硅灰；深圳建筑寶公司生產(chǎn)的FDN-5R 型萘系高效減水劑；粒徑為10mm～20mm的單一粒級(jí)級(jí)配且球度不小于0.6 的花崗巖骨料。

1.2 主要試驗(yàn)方法

1.2.1 抗壓與抗折強(qiáng)度測(cè)定方法

在YEW-3000A 液壓式試驗(yàn)壓力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試多孔混凝土抗壓與抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)時(shí)試件的成型面應(yīng)與受壓面垂直，上下加壓面必須按規(guī)范進(jìn)行處理，使之光滑平整而又相互平行，上下加壓面還應(yīng)涂上一層黃油以減少上下加壓板與試樣接觸面之間的摩擦力，盡量消除各種人為誤差。抗壓試件的尺寸為100×100×100mm，抗折試件尺寸為100×100×400mm，具體參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081－2019）進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2 靜力受壓彈性模量測(cè)定方法

多孔混凝土彈性模量試驗(yàn)采用的試件，以同一齡期6 個(gè)同時(shí)制作并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)的混凝土試件為一組，其中3 個(gè)用于測(cè)定軸心抗壓強(qiáng)度，得出彈性模量試驗(yàn)的加荷標(biāo)準(zhǔn)；另3 個(gè)則用于靜力受壓彈性模量試驗(yàn)。試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為150mm×150mm×300mm，采用無錫建儀儀器機(jī)械有限公司生產(chǎn)的TM-Ⅱ型混凝土彈性模量測(cè)定儀，試驗(yàn)裝置如圖1、圖2 所示。多孔混凝土的彈性模量值應(yīng)按式⑴計(jì)算：

圖1 軸向抗壓試驗(yàn)裝置圖

圖2 靜力受壓彈性模量試驗(yàn)裝置圖

式⑴中：Ec為多孔混凝土彈性模量（MPa）；Pα表示應(yīng)力為1/3 軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)的荷載（N）；PO表示應(yīng)力為0.5MPa 時(shí)的初始荷載（N）；A 為試件承壓面積（mm2）；Δn表示最后一次從PO加荷到Pα?xí)r試件兩側(cè)變形差的平均值（mm）；L 為測(cè)量標(biāo)距（mm）。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

參照日本關(guān)于多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的思路，采用絕對(duì)體積法進(jìn)行多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)。試驗(yàn)中粉煤灰、礦渣和硅灰三種摻合料均為內(nèi)摻占膠凝材料的質(zhì)量百分比。萘系減水劑的摻量均以占膠凝材料的質(zhì)量1.5%計(jì)算。試驗(yàn)具體的配合比如表1 所示。

2.2 多孔混凝土應(yīng)力- 應(yīng)變曲線分析

普通混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要由三個(gè)特征階段（或點(diǎn)）決定[4]（圖3 所示）：①曲線上升段；②混凝土應(yīng)力剛達(dá)到σB時(shí)的混凝土壓應(yīng)變?chǔ)臖（即峰值應(yīng)變）；③混凝土的極限壓應(yīng)變。而多孔混凝土由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線與普通混凝土稍有不同，具有自身的特性。圖4 是表1 中CSI3 組的多孔混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試時(shí)所得到的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，由圖可知，在應(yīng)力達(dá)到峰值之前，應(yīng)變和應(yīng)力與普通混凝土一樣近似曲線遞增，但是有出現(xiàn)多個(gè)峰值相互跳躍波動(dòng)現(xiàn)象，有時(shí)應(yīng)變?cè)龃蠖鴳?yīng)力不增大，出現(xiàn)所謂的平臺(tái)區(qū)，甚至還可能減小[5]。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值之后，應(yīng)力隨變形的增大而降低。這可能是因?yàn)閯傞_始往多孔混凝土加壓時(shí)，應(yīng)力較小，隨著應(yīng)力的增加，粗骨料間水泥石粘結(jié)面的微裂紋開始產(chǎn)生，裂紋逐漸擴(kuò)大延伸，但是此時(shí)相鄰骨料間的粘結(jié)面還沒有完全分離開，隨著微裂紋的繼續(xù)發(fā)展，骨料之間產(chǎn)生了細(xì)微的位置調(diào)整，由于多孔混凝土存在大量的孔隙，材料局部的壓碎后又更為密實(shí)，可以在達(dá)到最大峰值之前進(jìn)一步提高多孔混凝土的強(qiáng)度。而當(dāng)曲線至最高點(diǎn)后，陡然下降，這說明多孔混凝土具有破壞的瞬時(shí)性性質(zhì)。另外，一般普通混凝土的破壞形式可以看作是“破裂”，而多孔混凝土則是“破碎”，因?yàn)槠胀ɑ炷猎嚰茐暮蟠嬖谥芏嗥屏衙?，破壞物大多是片狀結(jié)構(gòu)，而多孔混凝土破壞后的破壞物成松散的顆粒狀。這說明，如果所用骨料的強(qiáng)度足夠，最終破壞多發(fā)生在粗骨料之間的粘接觸點(diǎn)上，因此包裹于粗骨料表面的漿體間的粘結(jié)強(qiáng)度，是提高多孔混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵。

表1 多孔混凝土的試驗(yàn)配合比

圖3 普通混凝土受壓的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線

圖4 多孔混凝土受壓的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線

2.3 多孔混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度研究

由于多孔混凝土是由表面包裹著一薄層漿體的粗骨料相互粘結(jié)而形成孔穴均勻連續(xù)分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，因此孔隙比較大，抗壓強(qiáng)度比相同體積的普通混凝土低。要提高多孔混凝土的力學(xué)性能，改善粗骨料與膠結(jié)材漿體的界面區(qū)結(jié)構(gòu)，可以摻加礦物摻合料。根據(jù)表1的多孔混凝土配合比，試驗(yàn)得出粉煤灰、礦渣和硅灰三種摻合料不同摻量分別對(duì)多孔混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度的影響如圖5 和圖6 所示。

由圖5 可以看出，多孔混凝土隨著粉煤灰摻量由0%～30%的增加，7d 和28d 的抗壓強(qiáng)度都是先降低后增加再降低。這可能是因?yàn)樗嘀械姆勖夯翌w粒在水泥水化初期是水化生成物的成長(zhǎng)場(chǎng)所，對(duì)水泥水化有促進(jìn)作用?？墒牵?yàn)槿绱?，粉煤灰顆粒與水直接接觸機(jī)會(huì)相對(duì)減少，從而抑制粉煤灰溶解和參與水泥水化反應(yīng)[6]。因此粉煤灰從摻量0%到10%時(shí)多孔混凝土抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。而粉煤灰摻量在10%～30%之間多孔混凝土的抗壓強(qiáng)度有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即在20%的地方有個(gè)峰值，摻量再增加時(shí)，強(qiáng)度開始下降。這有可能是因?yàn)榉勖夯覔搅窟^大時(shí)，膠凝材料總量中的水泥熟料含量相對(duì)較少，熟料水化生成的Ca(OH)2量較少，減少了摻合料水化反應(yīng)生成C-S-H 凝膠的比例，有些粉煤灰顆粒沒有參與反應(yīng)，難以有足夠的生成物填充周圍的空隙，所以粉煤灰摻量超過一定范圍20%時(shí)，多孔混凝土強(qiáng)度會(huì)隨粉煤灰摻量的增大(水泥用量減少)呈明顯下降趨勢(shì)。另一方面，由圖6 可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，28d抗折強(qiáng)度基本成下降趨勢(shì)，綜合這兩方面考慮，多孔混凝土粉煤灰的摻量最好不高于20%。同時(shí)，多孔混凝土28d 的強(qiáng)度比7d 的強(qiáng)度高，這主要是粉煤灰具有活性效應(yīng)，在發(fā)生二次水化后，消耗了水泥水化時(shí)生成的薄弱的，而且往往富集過渡區(qū)的Ca(OH)2片狀結(jié)晶。由于水化緩慢，只在后期生成了少量的C-S-H 凝膠，填充于水泥生成物的間隙，使其更加密實(shí)。

對(duì)于摻加礦渣的多孔混凝土，其早期強(qiáng)度均低于不摻礦渣的空白樣。由圖5 可以看出，礦渣摻量為30%的多孔混凝土7d 的抗壓強(qiáng)度比未摻礦渣的下降9.3%。但是在后期，摻了礦渣的多孔混凝土強(qiáng)度發(fā)展較快，28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度接近甚至超過不摻礦渣的多孔混凝土抗壓強(qiáng)度。例如當(dāng)?shù)V渣摻量為20%和30%的多孔混凝土抗壓強(qiáng)度分別比不摻礦渣的提高21.2%和10.1%。以上試驗(yàn)結(jié)果表明礦渣在早期(7d)可能基本不參與水化，火山灰反應(yīng)也沒發(fā)生，只是作為微集料起填充作用，只有到中后期(28d)礦渣才發(fā)揮火山灰效應(yīng)，充分參與水化，且作用明顯，使包裹骨料的礦渣膠結(jié)漿體強(qiáng)度接近甚至超過不摻礦渣的多孔混凝土。另外，如果礦渣摻量太大，膠結(jié)漿體中的礦渣在28d 時(shí)并不能完全參與火山灰反應(yīng)，只有一部分作為微集料起填充作用，可見礦渣摻量較大時(shí)，如30%，其28d 強(qiáng)度會(huì)降低。而從圖6 中可以得出摻加礦渣的多孔混凝土28d 的抗折強(qiáng)度，隨著摻量的增加在10%達(dá)到峰值后而繼續(xù)逐漸降低，基于此礦渣摻量最好不超過20%。

圖5 摻合料對(duì)多孔混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（7d，28d）

圖6 摻合料對(duì)多孔混凝土抗折強(qiáng)度的影響(28d)

從圖5、6 可以看出，硅灰的摻入，無論對(duì)多孔混凝土的7d、28d 抗壓強(qiáng)度還是28d 抗折強(qiáng)度都有較大的提高，隨著硅灰摻量的增加強(qiáng)度增大。當(dāng)摻量比較小在5%時(shí)，增強(qiáng)效果不太明顯。當(dāng)摻量超過10%時(shí)，7d 和28d的抗壓強(qiáng)度都有顯著增加，但在28d 時(shí)硅灰摻量為10%以上時(shí)抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，摻量15%時(shí)多孔混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度可分別達(dá)到12.2MPa 和3.5MPa。對(duì)于硅灰增強(qiáng)理論，有資料表明[7]：硅灰可以提高水泥水化程度，并與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，增加水泥漿體中的C-S-H 凝膠體的數(shù)量，且改善了傳統(tǒng)C-S-H 凝膠體的性能。同時(shí)，硅灰及其二次水化產(chǎn)物填充了水泥漿體中的有害孔，水泥石中宏觀大孔和毛細(xì)孔孔隙率降低，增加了凝膠孔和過渡孔，使孔徑分布發(fā)生很大變化，大孔減少，小孔增多，且分布均勻，從而改變硬化水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)，并且改善了水泥漿體與骨料的界面性能，有力地促進(jìn)了多孔水泥混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)。鑒于上述分析，并綜合經(jīng)濟(jì)考慮，多孔混凝土硅灰的摻量宜為10%左右。

2.4 多孔混凝土的彈性模量研究

多孔混凝土的力學(xué)性能還包括其變形性能，而靜力受壓彈性模量是反映多孔混凝土變形性能的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。在細(xì)觀力學(xué)研究范圍內(nèi)，可以看作是由膠結(jié)漿體和骨料組成的二相復(fù)合材料。因此，這兩個(gè)相的彈性模量以及它們的相對(duì)體積含量決定了多孔混凝土的彈性模量。由于試驗(yàn)所采用的骨料品質(zhì)是一定的，并且體積含量不變。因此本文所測(cè)定的多孔混凝土彈性模量主要由包裹骨料的膠結(jié)漿體所決定的，礦物摻合料應(yīng)用的好壞直接關(guān)系到多孔混凝土的彈性模量是否適用于工程應(yīng)用的合理性。

由上面試驗(yàn)綜合分析可知，礦物摻合料的摻量分別為粉煤灰（20%），礦渣（20%）或者硅灰（10%）時(shí)均有益于多孔混凝土的抗壓抗折強(qiáng)度的提高，因此選取CFL1、CFL3、CSL3 和CSI3 四組配合比作為多孔混凝土彈性模量試驗(yàn)的研究對(duì)象。由表2 可知，在目標(biāo)孔隙率為27%下，多孔混凝土28d 軸心抗壓強(qiáng)度的大小依次為單摻10%的硅灰（CSI3 組）＞單摻20%礦渣（CSL3）＞未摻（CFL1）＞單摻20%的粉煤灰（CFL3），而其28d 彈性模量的大小依次為單摻20%的粉煤灰（CFL3）＞未摻（CFL1）＞單摻20%礦渣（CSL3）＞單摻10%的硅灰（CSI3 組）。由此可說明，盡管摻入粉煤灰后多孔混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度降低，但是粉煤灰對(duì)多孔混凝土彈性模量的提高卻有幫助，而摻入礦渣和硅灰雖然可以提高其軸心抗壓強(qiáng)度，卻降低多孔混凝土的彈性模量，使得多孔混凝土的韌性得到提高，體現(xiàn)出多孔混凝土的變形性能有了較大程度的改善，這與普通混凝土強(qiáng)度越高，彈性模量越大的看法稍有不同[8]。

表2 多孔混凝土28d 的軸心抗壓強(qiáng)度與彈性模量

3 結(jié)論

⑴對(duì)多孔混凝土的抗壓強(qiáng)度應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，得出有多峰值跳躍波動(dòng)的現(xiàn)象，粗骨料之間膠結(jié)漿體的粘結(jié)強(qiáng)度是影響多孔混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵。

⑵目標(biāo)孔隙率為27%時(shí)，多孔混凝土28d 的抗壓和抗折強(qiáng)度最高可達(dá)到12.2MPa 和3.5MPa，分別單摻20%的粉煤灰（CFL3 組），20%的礦渣（CSL3 組）或者10%的硅灰（CSI3 組）均有益于多孔混凝土抗壓抗折強(qiáng)度的提高。

⑶目標(biāo)孔隙率為27%時(shí)，礦物摻合料對(duì)多孔混凝土28d 彈性模量大小的影響順序?yàn)椋悍勖夯遥–FL3 組）＞未摻（CFL1 組）＞礦渣（CSL3 組）＞硅灰（CSI3 組），而軸心抗壓強(qiáng)度剛好相反。