辛宇，李勇，崔海虎

（1.内蒙古交通职业技术学院，内蒙古 赤峰 024005；2.山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061）

0 前言

轻骨料混凝土是利用人工或者天然轻骨料替代普通混凝土中的粗骨料制成。与普通混凝土相比，轻骨料混凝土具有轻质高强、保温性好等特点，在土木建筑领域得到了广泛应用。在我国北方寒冷地区，由于温度的大幅交替变化产生的冻融循环作用，对混凝土结构的稳定性产生了严重的影响，加速了混凝土结构的失效速度[1-3]，尤其是轻骨料混凝土具有较大的孔隙率，更容易发生冻融破坏，更是严峻考验着工程结构的使用安全。因此，采用技术手段提高轻骨料混凝土的抗冻性，对建筑工程的安全性和耐久性至关重要。

硅藻土是岩石经过长期地质分化作用形成的一种沉积岩，因其特殊的孔结构，作为一种外掺料，被广泛应用于建筑行业[4-5]。相关研究表明，将硅藻土作外掺料，可明显提高混凝土的强度[6-7]，微观分析表明，硅藻土能填充在混凝土内部的微裂缝中，改变混凝土的孔结构，从而提高混凝土的强度[8-9]。然而，目前的研究主要集中在硅藻土对混凝土强度的影响方面，而对混凝土尤其是轻骨料混凝土耐久性提高方面的研究较少。基于此，本文通过室内试验，对不同硅藻土掺量的轻骨料混凝土试件进行冻融循环试验，并从微观角度探究硅藻土对轻骨料混凝土耐久性的影响机理，为轻骨料混凝土的进一步推广利用和研究提供一定的参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：海螺牌P·O42.5水泥，比表面积375 m2/kg，密度3.16 g/cm3，主要化学成分见表1，物理力学性能见表2；粗集料：安徽淮峰新型建材有限公司生产的高强页岩陶粒，符合GB/T17431.1—2010《轻骨料及其试验方法 第1部分：轻集料》的要求，最大粒径19 mm，堆积密度200 kg/m3，筒压强度＞0.2 MPa，1 h吸水率8.1%，饱和吸水率30%；细集料：中粗砂，细度模数2.6～2.8；硅藻土：河北鑫旭矿产品有限公司生产，外观为灰色粉末状，呈弱酸性，比表面积495 m2/kg，吸水能力较强，饱和吸水率为360%，化学组成中SiO2、Al2O3、Fe2O3含量分别为88.6%、3.8%、1.4%，烧失量为4.5%；粉煤灰：Ⅰ级，比表面积454 m2/kg，表观密度2245 kg/m3，烧失量＜3.1%；减水剂：聚羧酸系减水剂，固含量20%，减水率45%。

表1 水泥的主要化学成分 %

表2 水泥的物理力学性能

1.2 试验方法

本试验轻骨料混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（净用水量）∶m（细集料）∶m（轻骨料）∶m（减水剂）=520∶104∶168∶796∶509∶3.64，硅藻土掺量（外掺，按占水泥质量计）分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%，页岩陶粒使用前饱水处理，净用水量不包含饱水页岩陶粒中的水。

按配比制备轻骨料混凝土，脱模后放入标准养护室养护，28 d龄期时将试件取出，放入清水中浸泡4 d，然后放入快速冻融试验机中进行不同次数的冻融循环。并在每个循环周期结束后测试试件的质量损失率、相对动弹性模量和极限抗压强度，以及当极限抗压强度达到最大值时的峰值应变。冻融循环试验按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》进行。

2 硅藻土对轻骨料混凝土抗冻性的影响

不同硅藻土掺量的轻骨料混凝土试件历经不同次数冻融循环后质量损失率、相对动弹性模量、峰值应变和极限抗压强度的变化如图1所示。

图1 硅藻土掺量对轻骨料混凝土抗冻性的影响

由图1可以看出：

（1）随着冻融循环次数的增加 ，轻骨料混凝土的质量损失率和峰值应变逐渐增大，相对动弹性模量和极限抗压强度逐渐降低。这主要是因为在冻融循环过程中，轻骨料混凝土结构中的孔隙水和裂隙水反复发生冻结和融化的交替过程，在孔隙水压力和冰压力的重复交替作用下，轻骨料混凝土内部出现裂缝，并随着冻融循环的反复进行，裂缝逐渐扩展甚至贯通，变形空间增大，轻骨料混凝土表面发生剥落现象，因此质量损失率和峰值应变逐渐增大，相对动弹性模量和极限抗压强度逐渐降低，轻骨料混凝土的力学性能降低。

（2）随着硅藻土掺量的增加，冻融循环作用后，轻骨料混凝土的力学性能指标出现不同程度的提高，轻骨料混凝土抗冻性得到改善，但并不是硅藻土掺量越多轻骨料混凝土的抗冻性越好。硅藻土掺量不同，冻融循环作用后，轻骨料混凝土力学性能指标的变化幅度不同。经历150次冻融循环后，硅藻土掺量为1.5%的轻骨料混凝土质量损失率为0.398%、相对动弹性模量为97.3%、峰值应变为2.26×10-3、极限抗压强度为41.3 MPa，与未掺硅藻土的轻骨料混凝土相比，质量损失率减小了62.1%、相对动弹性模量增大了2.3%、峰值应变减小了45.1%、极限抗压强度提高了40.5%。表明在合适的掺量范围内，硅藻土的掺入能明显降低冻融循环后轻骨料混凝土力学性能的衰减速度，改善抗冻性。随着硅藻土掺量的增加，轻骨料混凝土试件冻融循环后的力学性能均出现先提高后降低的变化规律，当硅藻土掺量为1.5%时，轻骨料混凝土的力学性能出现最大值，混凝土的抗冻性最佳。

解释其原因主要为，硅藻土的掺入能改变轻骨料混凝土的孔结构，使得结构中的大孔隙数量减少，孔直径减小，孔间距的均匀性增加，能够减小冻融循环过程中的孔隙水压力和冰压力，另外硅藻土特殊的结构能吸收轻骨料混凝土结构中的游离水，进一步降低了混凝土孔隙率，使轻骨料混凝土的密实性增强，因此抗冻性得到改善。但当硅藻土掺量超过最佳掺量后，会在轻骨料混凝土结构中形成新的孔隙，且硅藻土颗粒分布的均匀性变差，过多的硅藻土颗粒相互聚集，在结构中形成应力集中点，因此轻骨料混凝土的抗冻性反而降低。

3 微观机理分析

对硅藻土掺量为0和1.5%的轻骨料混凝土试件分别经25次和200次冻融循环后，进行扫描电镜试验，结果如图2、图3所示。

图2 轻骨料混凝土经25次冻融循环后的微观界面

由图2可以看出，相比于掺加1.5%硅藻土的试件，未掺加硅藻土试件界面过渡区的裂缝数量更多，且裂缝的贯穿程度更严重，表明掺入硅藻土能改善轻骨料混凝土中骨料和粘结材料的界面结构。这是因为硅藻土中含有大量断裂的化学键，具有较高的表面能，能极快吸附水泥水化产生的Ca（OH）2，进行二次水化反应，从而促进钙矾石和水化硅酸钙凝胶的生成，混凝土界面过渡区Ca（OH）2的含量减少、晶体尺寸减小，因此改善了轻骨料混凝土的抗冻性。

25次冻融循环后，相比于未掺硅藻土的试件，掺加1.5%硅藻土试件的水泥胶砂部分结构密实性更强，开口大孔隙的数量更少，且孔隙中有絮状物填充。由颗粒堆积理论可知，轻骨料混凝土为连续级配的颗粒堆积体系，其中粗骨料颗粒之间的空隙由细集料填充，细集料颗粒之间的空隙由水泥颗粒填充，而作为比水泥颗粒更细一级的材料，硅藻土能够填充在水泥颗粒之间进一步增强混凝土的密实性。另外由于硅藻土能对水泥起二次水化作用，反应生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙絮状物能够很好地堆积和填充在轻骨料混凝土结构的微孔隙中，使结构的密实性和整体性增强，因此使抗冻性明显改善。

图3 轻骨料混凝土经200次冻融循环后的微观界面

由图3可以看出，经200次冻融循环作用后，未掺硅藻土的轻骨料混凝土试件内部裂缝尺寸较大，且裂缝贯穿整个混凝土结构，轻骨料混凝土已发生开裂现象；而掺加1.5%硅藻土的轻骨料混凝土试件内部虽然也有裂缝，但裂缝的尺寸较小，且裂缝并未贯穿整个结构。图3（b）中箭头所指方向存在大量的圆形颗粒，此颗粒即为硅藻土颗粒，对轻骨料混凝土的孔隙起到了良好的填充作用，且硅藻土与水泥的二次水化作用使得混凝土内部结构的连续性更加明显。图3（a）中水泥石结构较疏松，强度较低，混凝土内部孔隙中虽有水化产物填充，但填充完全程度并不明显，大颗粒的钙矾石结晶颗粒使得孔壁结构更加疏松，因此经200次冻融循环后未掺硅藻土试件的力学性能明显低于掺1.5%硅藻土的试件。

4 结论

（1）硅藻土掺量不同，轻骨料混凝土的力学性能随冻融循环次数的变化幅度不同，硅藻土掺量并不是越大越好，当其掺量为1.5%时，冻融循环作用后混凝土的相对动弹性模量和抗压强度最高，峰值应变最小，抗冻性最佳。

（2）经历150次冻融循环后，硅藻土掺量为1.5%的轻骨料混凝土质量损失率为0.398%、相对动弹性模量为97.3%、峰值应变为2.26×10-3、极限抗压强度为41.3 MPa，与未掺硅藻土的轻骨料混凝土相比，质量损失率减小了62.1%、相对动弹性模量增大了2.3%、峰值应变减小了45.1%、极限抗压强度提高了40.5%。

（3）硅藻土能够改善轻骨料混凝土中骨料和水泥胶凝材料之间的界面结构，填充在轻骨料混凝土内部的孔隙中，增加混凝土密实性；且硅藻土能够促进水泥的二次水化反应，二次水化的絮状产物使轻骨料混凝土的连续性和密实性进一步增强，因此抗冻性得到明显改善。