尚麗詩，戴紹斌，周鉉棠，吳思遙，楊航

（武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430070）

0 前 言

裝配式建筑具有施工效率高、成本低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。但使用普通混凝土制作裝配式構(gòu)件，其自重大，工作性能差，不僅會提高運輸成本，也無法滿足實際工程需求，因此裝配式建筑對混凝土材料的性能要求會更高。輕集料混凝土具有自重輕、強度高、抗震性能強、保溫性能優(yōu)良和經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點[1-4]，滿足了裝配式建筑材料輕質(zhì)高強的需求，但輕集料混凝土結(jié)構(gòu)易受環(huán)境因素影響，導(dǎo)致其耐久性能不足。而耐久性是衡量混凝土構(gòu)件壽命的重要指標，因此，解決輕集料混凝土的耐久性問題成為當(dāng)務(wù)之急。楊健輝等[5]利用陶粒和陶砂部分取代碎石和河砂，制備LC30（C30 輕質(zhì)混凝土）全輕頁巖陶?；炷粒芯坎煌娲蕦炷翉姸群湍途眯缘挠绊?，結(jié)果表明，在砂石替代率10%～20%時，混合輕質(zhì)混凝土的力學(xué)性能和抗氯離子性能明顯提高，但碳化深度變化不大。李鵬飛等[6]利用石灰石粉作為礦物摻合料代替輕集料混凝土中的粉煤灰，石灰石粉取代率小于50%時，混凝土的力學(xué)性能、抗碳化性能和抗硫酸鹽侵蝕性能都有所提高。

在前期核殼型陶粒制備[7-8]的基礎(chǔ)上，進一步研究該結(jié)構(gòu)輕集料在LC30 中的應(yīng)用性能，并與同等強度普通陶粒輕集料混凝土進行對比，重點分析耐久性。從而為構(gòu)件用輕集料混凝土的設(shè)計提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料及配合比

水泥：華新股份有限公司的P·Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥（OPC）和唐山北極熊建材有限公司的42.5 級硫鋁酸鹽水泥（SAC），其化學(xué)成分見表1。

摻合料：武漢陽邏電廠粉煤灰公司的粉煤灰（FA），比表面積為450 m2/kg；武漢華軒高新技術(shù)有限公司的硅灰（SF），比表面積為25×103m2/kg，其SEM 照片見圖1，化學(xué)成分見表1。

圖1 摻合料的SEM 照片

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

粗集料：選用圓球型粉煤灰陶粒，粒徑為5～8 mm。核殼型粗集料外殼材料配比在文獻[7]基礎(chǔ)上進行探究，硫鋁酸鹽水泥84%，普通硅酸鹽水泥5%，粉煤灰5%，硅灰6%，將圓球型粉煤灰陶粒進行包殼處理后制備成核殼型輕集料[8]，制備工藝流程如圖2 所示，外殼厚度較薄，僅為1～2 mm，表面吸附納米級分散劑，核殼型陶粒見圖3。粗集料的基本技術(shù)性能見表2。

圖2 核殼型陶粒的制備工藝流程

圖3 核殼型陶粒

表2 粗集料的基本技術(shù)性能

細集料：圓球型粉煤灰陶砂和武漢河砂，細度模數(shù)為3.7～3.1 mm。

短切纖維：聚乙烯醇（PVA）纖維，平均直徑為0.04 mm，長度為8 mm。

減水劑：武漢華軒高新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率≥30%，固含量40%，后文配比中減水劑摻量為總摻量，不進行固體含量折算。

試驗共制備2 組混凝土，A 組為普通陶粒輕集料混凝土，B 組為核殼型陶粒輕集料混凝土。試驗根據(jù)JGJ 51—2002《輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》采用絕對體積法進行配合比設(shè)計（即A、B 組各材料均選取相同體積），2 種輕集料混凝土的設(shè)計強度為LC30，PVA 纖維摻量為0.35%，減水劑摻量為0.15%，混凝土配合比見表3。

表3 輕集料混凝土的配合比 kg/m3

1.2 性能測試方法

為了更好對比2 種混凝土的耐久性，試件采用標準養(yǎng)護方法?；炷量箟簭姸劝凑誈B/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》進行測試，立方體試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測定混凝土的抗?jié)B性、抗凍性和抗碳化性?？?jié)B性試驗采用頂面直徑175 mm，底面直徑185 mm，高150 mm 的圓臺型試件，維持1 MPa 水壓24 h 后將試塊從中間沿直徑方向劈開，測量滲水高度?？箖鲂院涂固蓟詼y試采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度

試件A 的3、7、28 d 抗壓強度分別為18.29、23.83、33.98 MPa，試件B 的3、7、28 d 抗壓強度分別為23.11、26.09、45.59 MPa，核殼型陶粒輕集料混凝土的抗壓強度在各齡期都高于輕集料混凝土。養(yǎng)護齡期為3 d 時，核殼型陶粒輕集料混凝土就表現(xiàn)出較好的早期強度；28 d 時，核殼型陶粒輕集料混凝土的抗壓強度增幅較大，相較于7 d 抗壓強度提高了74.74%，普通陶粒輕集料混凝土的28 d 抗壓強度相較于7 d 提高了42.59%，核殼型陶粒輕集料混凝土的28 d 抗壓強度也明顯優(yōu)于普通陶粒輕集料混凝土，提高了34.17%。由此可以看出，使用核殼結(jié)構(gòu)陶粒能在保證混凝土體積密度的同時，明顯提高普通陶粒輕集料混凝土的抗壓強度。這是因為在粗骨料陶粒表面包覆適當(dāng)?shù)牧蜾X酸鹽水泥膠凝材料得到的核殼型輕集料增強了輕集料的承載能力，提高了普通陶粒輕集料混凝土的抗壓強度。并且通過普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、硅灰作為外摻劑，在改善硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時間過快，后期強度倒縮等缺陷的同時，加強了內(nèi)核材料與外殼材料的粘結(jié)程度，明顯提高了核殼型陶粒輕集料的整體強度。

2.2 抗?jié)B性能

抗?jié)B試驗發(fā)現(xiàn)，2 種輕集料混凝土都有水滲透，但都沒滲到上表面，其中核殼型陶粒輕集料混凝土的滲水高度與普通陶粒輕集料混凝土相比較低。由觀察可初步判定核殼型陶粒輕集料混凝土的抗?jié)B性強于普通陶粒輕集料混凝土。

經(jīng)抗?jié)B試驗測得試件A、B 的滲水高度分別為5.43、2.38 cm，以此比較2 種混凝土的抗?jié)B性。相對滲透系數(shù)計算如式（1）所示。

式中：Dm─—平均滲透高度，cm；

H─—以水柱高度表示的水壓力，cm；

m─—混凝土的吸水率；

Sk─—相對滲透系數(shù)，mm/s；

t─—恒壓時間，h。

由式（1）計算得出試件A、B 的相對滲透系數(shù)分別為1.81×10-6、0.35×10-6mm/s，即普通陶粒輕集料混凝土的相對抗?jié)B系數(shù)約為核殼型陶粒輕集料混凝土的5 倍。在抗?jié)B試驗過程中，需將試件從標準養(yǎng)護室中取出并晾干，發(fā)現(xiàn)核殼型陶粒輕集料混凝土的晾干時間最長，說明對輕集料進行包殼處理后其保水性更強。相對于干燥條件而言，核殼型陶粒輕集料的超強保水性可長時間保證混凝土內(nèi)部濕度，既能促進水泥水化和摻合料的活性，還能防止因干燥導(dǎo)致混凝土成型過程中收縮產(chǎn)生裂縫，這是核殼型陶粒輕集料混凝土的抗?jié)B性優(yōu)于普通陶粒輕集料混凝土的原因之一。對輕集料進行包殼處理后，改善了圓球形粉煤灰表面光滑的特性，且核殼型輕集料表面吸附的分散劑能填充集料與水泥石接觸面間的空隙，使得核殼型陶粒輕集料與水泥石間的界面區(qū)進一步得到改善，混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，抗?jié)B性更強。

2.3 抗凍性能

分別對經(jīng)過25 次、50 次和100 次凍融循環(huán)后的混凝土試塊進行稱量和抗壓強度測試，并與未經(jīng)過凍融循環(huán)試驗的對照組進行對比。混凝土試件經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，表面開始剝落，因此會導(dǎo)致試件的質(zhì)量和強度降低。圖4 為2 種混凝土試塊經(jīng)過100 次凍融循環(huán)后的表面脫落情況。

圖4 2 種混凝土凍融循環(huán)100 次后的剝落情況

從圖4 可以看出，普通陶粒輕集料混凝土表面脫落呈現(xiàn)顆粒型凹槽狀，而核殼型陶粒輕集料混凝土的表面只有細微的剝落現(xiàn)象，普通陶粒輕集料混凝土凍融循環(huán)后的剝落程度大于核殼型陶粒輕集料混凝土。

表4 為2 種混凝土N 次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率和強度損失率。

表4 凍融循環(huán)N 次后質(zhì)量與強度損失率

由表4 可知，2 種陶粒輕集料混凝土經(jīng)過100 次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率均沒有超過5%，且兩者的質(zhì)量損失率相差不大；2 種陶粒輕集料混凝土經(jīng)過100 次凍融循環(huán)后強度損失率均沒有超過25%，而兩者的凍融循環(huán)前期強度損失率相差不大[9]，普通陶粒輕集料混凝土的強度損失率明顯高于核殼型陶粒輕集料混凝土。

普通陶粒輕集料中部分孔隙能緩解因水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，且普通陶粒輕集料的彈性模量較低，對膨脹應(yīng)力有一定緩沖作用，因此，普通陶粒輕集料的孔隙結(jié)構(gòu)一定程度上有利于混凝土的抗凍性。相較于普通輕集料而言，核殼型陶粒輕集料表面有一層保護殼，能有效隔離外部水分，使混凝土的抗?jié)B性提高，同時殼層能提高普通陶粒輕集料的強度，能約束普通陶粒輕集料受到的膨脹應(yīng)力，提升了普通陶粒輕集料的抗凍性，輕集料混凝土的強度損失率高于核殼型陶粒輕集料混凝土。因此，核殼型陶粒輕集料混凝土的抗凍性優(yōu)于普通陶粒輕集料混凝土。

2.4 抗碳化性

2 種混凝土試件在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d 后進行碳化試驗，用壓力機將試塊沿中軸線劈成兩半，并用毛刷將斷面清理干凈，然后均勻噴灑濃度為1%的酚酞酒精溶液，觀察斷裂面顏色變化。按式（2）計算混凝土的平均碳化深度。

經(jīng)過在碳化箱中養(yǎng)護一段時間后，普通陶粒輕集料混凝土有初步碳化現(xiàn)象，而核殼型陶粒輕集料混凝土碳化現(xiàn)象并不明顯。2 種混凝土14 d 和28 d 碳化深度和碳化面積對比如表5 所示。

表5 2 種混凝土14 d 和28 d 的碳化情況

從表5 可以看出，在同一碳化條件下，普通陶粒輕集料混凝土的碳化程度明顯大于核殼型陶粒輕集料混凝土。這是因為相較于普通陶粒輕集料而言，核殼型陶粒輕集料采用早強硫鋁酸鹽水泥為基體材料，摻入粉煤灰和硅灰，不僅提高了普通陶粒輕集料的強度，還能有效改善普通陶粒輕集料與水泥石之間界面過渡區(qū)。高鋁酸鹽水泥混凝土與普通硅酸鹽水泥混凝土具有類似的碳化規(guī)律，即早強型水泥混凝土的抗碳化能力最強[10]，因此核殼型陶粒輕集料具有很好的抗碳化性，從而增強了混凝土的抗碳化性。核殼型陶粒輕集料表面粗糙，且吸附有活性納米分散劑，能有效填充集料與水泥石界面間的孔隙，使其與水泥石間結(jié)合更加緊密，有效阻止CO2的擴散。

3 結(jié) 論

（1）對普通陶粒輕集料進行包殼處理后，能明顯提高混凝土的抗壓強度。核殼型陶粒輕集料混凝土的28 d 抗壓強度相較于普通陶粒輕集料混凝土提高了34.17%。

（2）對普通陶粒輕集料進行包殼處理后，可有效提普通陶粒輕集料混凝土的抗?jié)B性、抗凍性和抗碳化性。普通陶粒輕集料混凝土的相對抗?jié)B系數(shù)是核殼型輕集料混凝的5 倍；經(jīng)過100 次凍融循環(huán)后普通陶粒輕集料混凝土和核殼型陶粒輕集料混凝土的質(zhì)量損失率分別為1.12%和1.07%，抗壓強度損失率分別為5.14%和3.85%，均在合理范圍內(nèi)；28 d 碳化試驗結(jié)果顯示，核殼型陶粒輕集料混凝土碳化不明顯。