池俊生， 王 磊

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

島礁大部分遠(yuǎn)離大陸，常規(guī)材料嚴(yán)重缺乏。因此，利用當(dāng)?shù)卦牧虾蜕汉鞴橇吓渲粕汉骰炷?，不僅可以緩解資源壓力，而且可以最大限度地利用資源[1-2]。珊瑚砂是以珊瑚礁為原料，經(jīng)破碎、篩分后形成粒徑小于5 mm、碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于96%的固體顆粒[3]。與天然骨料混凝土相比，珊瑚砂混凝土具有收縮變形大、脆性大、抗彎強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了其在大型工程中的應(yīng)用。解決問題的有效途徑是添加適量的復(fù)合礦物摻和料或改進(jìn)制備工藝。梅軍帥[4]在珊瑚混凝土中加入復(fù)合礦物摻合料，珊瑚混凝土的力學(xué)性能顯著提高。刁益彤[5]通過內(nèi)摻10%的珊瑚微粉，能夠強(qiáng)化珊瑚骨料和水泥凈漿的力學(xué)性能，提升界面的粘結(jié)性能。陳迪森[6]通過改進(jìn)攪拌工藝，顯著改善混凝土內(nèi)部孔隙的微觀結(jié)構(gòu)，降低珊瑚混凝土的孔隙率。韋灼彬等[7]采用非飽和預(yù)濕工藝對(duì)珊瑚粗骨料進(jìn)行預(yù)處理并加入礦物摻合料，能有效減小孔隙率,使無害孔比例增加，改善了珊瑚混凝土的抗?jié)B透能力。

本文研究了不同氣壓環(huán)境及硅灰摻量下珊瑚混凝土的力學(xué)性能，進(jìn)一步探討了礦物摻和料與攪拌工藝對(duì)珊瑚混凝土力學(xué)性能與孔隙微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及配合比

采用的天然珊瑚砂形態(tài)如圖1所示，物理性能如表1所示；水泥為P.O 52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為河南鄭州生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰；硅灰為四川德陽出產(chǎn)的微硅粉，其化學(xué)成分如表2所示；減水劑為減水率20%的聚羧酸高效減水劑；拌合水為桂林市自來水。試驗(yàn)參照J(rèn)GJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》[8]設(shè)計(jì)了8組珊瑚混凝土試件，配合比如表3所示(表3中A1～A4表示普通攪拌下0、10%、15%、20%的硅灰摻量，B1～B4表示真空攪拌下0、10%、15%、20%的硅灰摻量。)，A組依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(ISO法)[9]進(jìn)行攪拌，B組按負(fù)壓下的新工藝進(jìn)行攪拌，工藝流程圖如圖2所示。

(a)珊瑚砂 (b)珊瑚砂顆粒 (c)珊瑚砂電鏡圖

表1 珊瑚骨料的物理性能

表2 硅灰的化學(xué)成分

表3 珊瑚混凝土配合比

1.2 試件制作與試驗(yàn)過程

按照表3的配合比分別制備普通拌和珊瑚混凝土與真空拌和珊瑚混凝土，試驗(yàn)設(shè)置了4組普通攪拌環(huán)境下的珊瑚混凝土(A1～A4)和4組真空攪拌環(huán)境下的珊瑚混凝土(B1～B4)，每組澆筑尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm混凝土立方體試塊3塊，養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)完成試件如圖3所示。參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]測(cè)試各組的抗壓強(qiáng)度。

圖2 B組工藝流程圖

圖3 養(yǎng)護(hù)完成試件

2 試驗(yàn)概況

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

珊瑚混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度如圖4所示。從圖4可以看出，珊瑚混凝土的抗壓強(qiáng)度隨硅灰摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最優(yōu)摻量為15%。最優(yōu)摻量下，普通攪拌增幅為24%，真空攪拌增幅為28%。當(dāng)硅灰摻量為0、10%、15%、20%時(shí)，真空攪拌比常規(guī)攪拌的抗壓強(qiáng)度分別提高了18.4%、8.3%、21.1%、18%，當(dāng)硅灰摻量為15%時(shí)，其增幅最為顯著。

對(duì)硅灰影響混凝土強(qiáng)度的機(jī)理進(jìn)行初步分析。硅灰對(duì)混凝土的影響主要有兩方面：一方面硅灰的粒徑和密度都比水泥小，在膠凝材料中，硅灰可以起到很好的填充作用，減少了水泥顆粒之間的空隙，同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)的密實(shí)度；另一方面，由于硅灰具有火山灰活性，其水化產(chǎn)物Ca(OH)2在與水泥混合時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，進(jìn)一步填充了水泥石之間的孔隙，從而提高了混凝土強(qiáng)度[11]。當(dāng)硅灰摻量為0～15%時(shí)，增強(qiáng)因素大于損強(qiáng)因素，珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度有所增加。當(dāng)硅灰摻量繼續(xù)增加，損強(qiáng)因素大于增強(qiáng)因素，用水量不足使混凝土的工作性能下降，無法攪拌均勻使內(nèi)部孔隙與缺陷增多，對(duì)抗壓強(qiáng)度的進(jìn)一步提高不利。

對(duì)攪拌環(huán)境影響混凝土強(qiáng)度的機(jī)理進(jìn)行初步分析。氣壓對(duì)混凝土的影響主要有兩方面：一方面，隨著氣壓的增加，可以使珊瑚骨料開放孔隙中的空氣更容易排出，滲入膠結(jié)材料或更細(xì)小的珊瑚粉末，從而使珊瑚骨料的開放孔隙被有效填充，改善了珊瑚內(nèi)部缺陷，增強(qiáng)了界面強(qiáng)度，提高了珊瑚混凝土的強(qiáng)度[12]；另一方面，由于混凝土在攪拌過程中與空氣隔絕，氣泡進(jìn)入混凝土受阻，此時(shí)混凝土中的孔隙僅來自水分的蒸發(fā)，降低了新拌混凝土中氣泡的數(shù)量，混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度得到顯著提升[13]。

圖4 立方體抗壓強(qiáng)度隨硅灰摻量的變化

2.2 孔隙率

珊瑚混凝土的孔隙率隨硅灰摻量的變化如圖5所示。從圖5可以看出，珊瑚混凝土的孔隙率隨著硅灰摻量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。當(dāng)硅灰摻量為15%時(shí)，其孔隙率達(dá)到最小值，普通攪拌下的降幅為57%，真空攪拌下的降幅為25%，隨著硅灰摻量的繼續(xù)增加，其孔隙率呈上升的趨勢(shì)。當(dāng)硅灰摻量為0、10%、15%、20%時(shí)，真空攪拌比常規(guī)攪拌的孔隙率分別降低了50%、46%、30%、48%。

硅灰影響混凝土孔隙率與硅灰摻量影響強(qiáng)度的機(jī)理相似，當(dāng)硅灰摻量達(dá)到20%時(shí)，孔隙率反而有所增加。因?yàn)楣杌覔搅窟^多會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，并受到如孔隙內(nèi)外壓力差、溫度、酸堿度、孔喉半徑、孔喉長度、孔喉形狀、水泥漿的流動(dòng)性等其他因素的影響，無法對(duì)珊瑚砂內(nèi)部孔隙進(jìn)一步進(jìn)行填充[14]。

2.3 孔隙率與抗壓強(qiáng)度

珊瑚混凝土的孔隙率隨硅灰摻量的變化如圖6所示。從圖6可以看出，兩組珊瑚混凝土的孔隙率隨硅灰摻量的增加而減小并存在一定的變化規(guī)律，不是簡單的線性關(guān)系。

圖5 孔隙率隨硅灰摻量的變化 圖6 孔隙率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

3 微觀結(jié)構(gòu)分析

珊瑚砂混凝土內(nèi)部孔隙主要有3種。第1種是珊瑚骨料本身內(nèi)部的孔隙。珊瑚骨料具有多孔結(jié)構(gòu)，其中大骨料孔隙率接近50%，且內(nèi)部含有大量空氣[15-16]。第2種是攪拌引氣形成的孔隙。在機(jī)械攪拌過程中，新拌混凝土與空氣接觸會(huì)產(chǎn)生氣泡，混凝土硬化后，未破裂的氣泡便會(huì)在混凝土中形成孔隙。第3種是水分蒸發(fā)所產(chǎn)生的孔隙。不參與水泥水化反應(yīng)的水不斷蒸發(fā)，最終會(huì)在混凝土中形成孔隙。本文采用掃描電鏡重點(diǎn)觀察了珊瑚混凝土中水泥漿體和珊瑚骨料的孔隙微觀形貌和結(jié)構(gòu)特征。

普通拌和珊瑚混凝土與真空拌和珊瑚混凝土水泥漿體的微觀形貌如圖7所示。由圖7可見，真空拌和混凝土水泥漿上的孔隙要明顯少于普通環(huán)境下拌和水泥漿上的孔隙，并且真空環(huán)境下珊瑚瑚骨料內(nèi)部孔隙填充明顯。相對(duì)于常規(guī)環(huán)境，真空環(huán)境下攪拌與空氣接觸少，引入的氣泡較少，大大降低了攪拌引氣這部分形成的孔隙。其次，由于氣壓的增大，珊瑚骨料與水泥漿體的接觸面積增加，水化產(chǎn)物、膠凝材料和較細(xì)的珊瑚粉進(jìn)入珊瑚骨料表面孔隙后，起到了填充作用，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

4 模型驗(yàn)證與分析

混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)是影響混凝土宏觀力學(xué)性能的主要因素之一，目前常規(guī)的孔隙分析方法有氮?dú)馕?、壓汞?shí)驗(yàn)等。這些方法都能對(duì)混凝土孔隙做一定的定量分析，但僅對(duì)某些連通孔隙進(jìn)行分析并且對(duì)試樣的完整性有不同程度的破壞，不能真實(shí)地反映孔隙情況。為了在無損情況下獲取孔隙真實(shí)的微觀圖像，準(zhǔn)確地表征珊瑚砂混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，運(yùn)用CT掃描技術(shù)對(duì)珊瑚混凝土樣品的多層斷面進(jìn)行掃描，對(duì)獲得的二維平面圖像用Avizo圖形處理軟件進(jìn)行三維重構(gòu)。最后，基于三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的重建，對(duì)珊瑚混凝土孔隙分布特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

(a)普通拌和水泥漿 (b)真空拌和水泥漿

(c)普通拌和珊瑚骨 (d)真空拌和珊瑚骨料

4.1 樣品制備與模型建立

樣品尺寸為Φ20 mm × 40 mm，CT掃描樣品如圖8所示。建模所用圖形處理軟件為Avizo，具體過程包括：灰度圖像濾波、灰度圖像二值化、圖像分割、二值化圖像精細(xì)處理等。最終珊瑚混凝土樣品模型、孔隙模型如圖9所示。

圖8 CT掃描樣品

(a)A2樣品模型 (b)B2樣品模型 (c)A2孔隙模型 (d)B2孔隙模型

4.2 模型結(jié)果驗(yàn)證分析

徐行軍[17]通過基于斷層掃描圖像建立了多孔透水混凝土的三維孔隙模型，準(zhǔn)確性較高。本文采用同樣的方法建立珊瑚混凝土的三維孔隙模型來表征珊瑚混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)分布。為驗(yàn)證珊瑚混凝土孔隙模型的可靠性和精度，添加A1、A3、A4共3組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，模型計(jì)算得到的珊瑚混凝土孔隙率的理論值與實(shí)測(cè)值相差不大，平均相對(duì)誤差在5%以內(nèi)變動(dòng)。因此，本文構(gòu)建的三維孔隙模型能較好地預(yù)測(cè)并計(jì)算珊瑚混凝土的孔隙率，對(duì)珊瑚混凝土微觀結(jié)構(gòu)的研究具有較高的參考意義。

表4 模型孔隙率驗(yàn)證表 單位：%

5 結(jié) 語

真空負(fù)壓攪拌的珊瑚混凝土強(qiáng)度比常規(guī)環(huán)境攪拌的高8.3%～21.1%，孔隙率低30%～50%；在相同環(huán)境下，珊瑚混凝土強(qiáng)度隨硅灰摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最優(yōu)摻量為2%；對(duì)珊瑚混凝土進(jìn)行電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，真空負(fù)壓環(huán)境下水泥漿的孔隙率更低，且珊瑚骨料內(nèi)部孔隙填充明顯；基于二維斷層掃描圖像和三維孔隙模型的建立能有效表征珊瑚混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)分布，誤差在5%以內(nèi)，對(duì)珊瑚混凝土微觀結(jié)構(gòu)的研究具有較高的參考意義。