轻集料对超高性能混凝土工作和力学性能的影响

2021-07-07张高展王宇譞葛竞成

建筑材料学报 2021年3期

张高展，王宇譞，葛竞成，杨军，魏琦

(1.安徽建筑大学材料与化学工程学院, 安徽合肥 230601; 2.安徽省先进建筑材料重点实验室, 安徽合肥 230022)

超高性能混凝土(UHPC)是一种基于最佳颗粒级配的典型水泥基复合材料，通常情况下其水胶比低于0.25，抗压强度不低于100MPa，开裂后抗拉强度不低于5MPa[1-3].UHPC一般可分为两大类，一类是在活性粉末材料、工程复合胶凝材料等DSP(densified with small particles)材料中加入纤维和石英粉等；一类是在DSP材料中加入砂、碎石等粗细集料得到的超高强度UHPC[4].相比普通高性能混凝土，UHPC不仅具有更高的强度，其耐久性能、延性和吸能性能也得到大幅提升[2-3,5]，在预制桥梁、海上平台、地下空间等土建工程中均显示出独特的优越性，是混凝土技术发展的主要方向[6].

然而，UHPC的设计原理决定了其存在收缩大、易开裂的问题.国内外学者从膨胀剂[7]、内养护材料[8-10]、粗集料[11]等角度开展了大量UHPC的减缩抗裂研究.本课题组[12-14]则利用高吸水率、中低强度轻集料对UHPC进行减缩抗裂研究，并取得了良好效果.轻集料内部多孔，预湿后具有显著的内养护效应，尤其是在低水胶比的UHPC中效果更为显著，可明显改善UHPC的体积稳定性.但轻集料孔隙率高、强度低的特点也势必显著影响UHPC的工作性能和力学性能，因此有必要探明轻集料颗粒特性的影响.本文基于颗粒最紧密堆积原理来确定胶凝材料组成和轻集料颗粒级配，优化得出轻集料超高性能混凝土(LUHPC)的基准配合比，并研究轻集料的粒形、预吸水率和掺量对LUHPC工作性能和力学性能的影响规律及其机理.

1 试验

1.1 原材料

P·O 52.5水泥；硅灰，其中的SiO2含量(质量分数，本文涉及的含量、需水量比、胶砂比等除特别说明外均为质量分数或质量比)为96%，比表面积21500m2/kg；粉煤灰微珠，需水量比90%；上述胶凝材料的化学组成见表1.石英砂，表观密度2600kg/m3；轻集料，800级球形黏土陶粒，筒压强度5.3MPa，表观密度1350kg/m3，粒径范围0.15～4.75mm，饱和预湿时的吸水率17.6%，碎石形陶粒由其破碎筛分而来；镀铜钢纤维，φ0.22×13mm，抗拉强度2850MPa；聚羧酸减水剂，减水率30%.

表1 胶凝材料化学组成

1.2 LUHPC配合比设计与制备

1.2.1配合比设计

基于Aim-Goff三元体系模型[15-17]并经试验验证，确定UHPC胶凝材料组成为：m(水泥)∶m(硅灰)∶m(粉煤灰)=1.00∶0.26∶0.12；基于文献[18-19]关于集料与钢纤维相互关系理论，确定轻集料最大粒径为2mm；采用修正Andreasen&Andersen法计算轻集料颗粒级配[20]，其计算方法考虑了最大和最小粒径的级配，表达式见式(1)：

(1)

式中：p′(d)为粒径小于d的集料累计质量分数；dmin、dmax分别为集料最小粒径和最大粒径；q为分布模量，取值为0.23.

试验用轻集料粒径范围为0.15～2.00mm，则dmin为0.15mm，dmax为2.00mm.依据式(1)计算得轻集料颗粒级配(见表2)，最终确定轻集料的颗粒级配为5个等级，具体为0.15～0.18mm、0.18～0.25mm、0.25～0.425mm、0.425～0.85mm、0.85～2.00mm，质量比为0.05∶0.10∶0.18∶0.27∶0.40.

表2 轻集料颗粒级配

基于上述胶凝材料组成和轻集料颗粒级配，通过调控钢纤维掺量(体积分数)、胶砂比和外加剂适应性，确定了LUHPC的基准配合比，见表3.

表3 LUHPC基准配合比

1.2.2试件制备与养护

将陶粒装入网袋后放入水中预湿至需要程度，取出晾至面干，得到预湿陶粒.将按基准配合比称取的水泥、硅灰、粉煤灰微珠、1/3量的钢纤维、预湿陶粒倒入混凝土搅拌机中干拌1～3min，待充分搅拌均匀后加入80%水和减水剂继续搅拌3～6min，获得均匀流动浆体；然后边搅拌边均匀撒入剩余2/3量的钢纤维、剩余的20%水和减水剂，搅拌3～5min 后装模成型；在成型试模表面覆盖保鲜膜后标准养护至规定龄期.力学性能试件均为GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》中规定的标准试件.

1.3 试验方法

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试LUHPC拌和物的坍落度和扩展度；按照GB/T 31387—2015测试LUHPC的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量；利用超景深三维数码显微镜表征LUHPC的界面区三维形态；利用扫描电子显微镜表征轻集料表面形貌和界面区二维形貌.

2 结果与讨论

2.1 轻集料对LUHPC拌和物工作性能的影响

2.1.1轻集料粒形

轻集料粒形对LUHPC拌和物坍落度和扩展度的影响结果见表4.

表4 碎石形和球形陶粒LUHPC拌和物的工作性能

由表4可知，球形陶粒LUHPC初始和2h的坍落度与扩展度均明显优于碎石形陶粒LUHPC，而球形陶粒和碎石形陶粒LUHPC的2h坍落度损失率分别为6.8%和7.5%，2h扩展度损失率分别为5.7%和7.1%，说明陶粒粒形对LUHPC拌和物的工作性能影响较明显.从LUHPC拌和物工作性能考虑，轻集料粒形宜为球形.王德辉[21]、吴波等[22]研究也发现，集料的球形度越大，混凝土的工作性能越好.

2.1.2轻集料预吸水率

轻集料预吸水率对LUHPC拌和物坍落度和扩展度的影响见图1.

由图1可见，随着陶粒预吸水率的增大，LUHPC拌和物初始、2h的坍落度和扩展度均明显增大，但增幅逐步降低.此外，陶粒预吸水率越低，LUHPC拌和物工作性能损失越大，利用预吸水率10%陶粒制备的LUHPC拌和物2h坍落度和扩展度损失分别达22%和10%.以上结果表明，轻集料预吸水率是影响LUHPC拌和物工作性能的关键因素.提高轻集料预吸水率有利于改善LUHPC拌和物的工作性能，但当预吸水率超过一定值后改善效果有限.轻集料预吸水率明显低于其饱和吸水率时，轻集料在LUHPC拌和过程中会吸收胶凝浆体中的水分，导致拌和物水胶比降低，工作性能变差[23].而当轻集料预吸水率增大后，其吸收胶凝浆体中水分的能力减弱，尤其是轻集料预吸水率超过13%后，轻集料和胶凝浆体中的水分可能基本达到平衡，对LUHPC拌和物工作性能的影响变小.

图1 轻集料预吸水率对LUHPC拌和物工作性能的影响

2.1.3轻集料掺量

基于表3基准配合比，以石英砂和预吸水率13%的球形陶粒为集料制备LUHPC，石英砂的颗粒级配与陶粒保持一致.然而，由于陶粒和石英砂表观密度差别较大，在掺入石英砂时，表3基准配合比中集料的体积分数需保持一致.轻集料掺量(以陶粒体积分数φc表示)对LUHPC拌和物工作性能的影响见图2.

图2 轻集料掺量对LUHPC拌和物工作性能的影响

由图2可见，随着轻集料掺量的增加，LUHPC拌和物初始、2h的坍落度和扩展度均呈现先增大后减小的趋势.由于陶粒呈球形，受到胶凝浆体的黏滞力较小，对LUHPC拌和物起到润滑作用，会增大拌和物流动性；随着轻集料掺量的进一步增加，在陶粒自身多孔轻质作用下，将导致拌和物密度下降，自重作用下的流动性减弱.此外，对比LUHPC拌和物初始、2h的坍落度和扩展度可发现，随着轻集料掺量的增加，LUHPC拌和物的坍落度和扩展度损失减小，这说明预湿轻集料的掺入减小了LUHPC拌和物的流动性损失，但轻集料掺量超过50%后的减弱效果有限.

2.2 轻集料对LUHPC力学性能的影响

2.2.1轻集料粒形

轻集料粒形对LUHPC力学性能的影响如表5所示.

表5 碎石形和球形陶粒LUHPC的力学性能(28d)

由表5可见，球形陶粒LUHPC的28d抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均大于碎石形陶粒LUHPC，说明陶粒粒形对LUHPC力学性能有明显影响.Kaplan[24]发现集料形状指数对混凝土力学性能有较大影响，集料的球形度越大，混凝土力学性能越好；李洋[25]发现预湿球形陶粒会在高强混凝土中形成“拱壳状”界面区，其特殊的形态能够均匀分散应力，进而提升混凝土的力学性能.

2.2.2轻集料预吸水率

轻集料预吸水率对LUHPC力学性能的影响如图3所示.

由图3可见，随着陶粒预吸水率的增加，LUHPC的28d抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均呈现出先增大后减小的趋势，说明陶粒存在最佳预吸水率.Lo等[26]、杨宇婷[27]研究了轻集料预吸水率对轻集料混凝土力学性能的影响，也发现了相似规律.预湿轻集料在混凝土中具有显著的内养护效应，尤其是在水胶比较低的高性能混凝土中.因此，当轻集料预吸水率增大时，其内养护效果增强，LUHPC内部的孔隙结构和轻集料-水泥石界面区结构得到改善，LUHPC力学性能提升.但当轻集料预吸水率过高时，轻集料在LUHPC拌和物未终凝时即开始释水，相当于提高了LUHPC的总水胶比，导致其力学性能降低.

图3 轻集料预吸水率对LUHPC力学性能的影响

2.2.3轻集料掺量

轻集料掺量φc对LUHPC力学性能的影响如图4所示.

由图4可见，随着轻集料掺量的增加，LUHPC的28d抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均呈现出先略增后减小的趋势，说明轻集料掺量存在一个最佳值.陶粒自身轻质多孔，强度明显低于石英砂，在LUHPC中掺入陶粒等体积替代石英砂后，其强度理论上应降低.然而，掺入的陶粒为球形，替代石英砂后使LUHPC颗粒堆积密度提高[24]；且陶粒表面较石英砂更为粗糙，增加了集料与水泥石间的机械啮合作用[28]；此外，陶粒在掺入前预吸了13%的水分，其内养护作用也会改善LUHPC的孔隙结构和界面区结构[25].以上原因均能改善LUHPC的力学性能.因此，轻集料掺量为25%时，LUHPC力学性能略有提升，说明掺入的轻集料正面效应高于负面效应；而轻集料掺量为50%、75%和100%时，LUHPC力学性能降低，说明掺入过多轻集料后对其力学性能带来的负面效应更大.但是，轻集料掺量为100%时，LUHPC的28d抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量依然优异，分别达到120.1MPa、12.4MPa和56.2GPa，且其表观密度仅为1983kg/m3，远低于全石英砂UHPC的表观密度2423kg/m3.因此，从轻质化UHPC的角度来看，球形轻集料100%取代石英砂是完全可行的.

图4 轻集料掺量对LUHPC力学性能的影响

2.3 轻集料对LUHPC工作性能和力学性能的影响机理

2.3.1轻集料粒形分析

球形陶粒和碎石形陶粒呈现出完全不同的颗粒形态，球形陶粒具有优异的球形度，而碎石形陶粒为不规则形状.Goktepe等[29]、王蕴嘉等[30]研究表明，颗粒状材料的球形度对其堆积密度有显著影响，孔隙比随球形度增大而减小，材料的密实程度更高.当LUHPC胶凝浆体包裹2种粒形的轻集料时，球形陶粒四周更易形成润滑层，产生“滚珠”效应，改善LUHPC拌和物工作性能，而碎石形陶粒之间相互摩擦咬合，需要更多的胶凝浆体在颗粒间形成润滑层，导致拌和物工作性能变差.此外，球形陶粒带来的高密实度也会提升硬化LUHPC的力学性能.

另一方面，焦双健等[31]利用Ansys软件模拟了单集料混凝土的力学性能，发现随着集料球形度的增大，集料边缘的应力降低，球形集料与四边形集料的最大应力差可达50%；王蕴嘉等[30]分析认为卵石堆石料强度主要取决于卵石集料内部接触力的各向异性程度，卵石集料球形度越大，接触力分散越均匀，卵石集料越不容易破碎.这也进一步解释了球形轻集料LUHPC力学性能优于碎石形轻集料LUHPC的原因.

2.3.2轻集料表面形貌分析

图5为球形陶粒和石英砂颗粒表面形貌SEM图.

图5 球形陶粒和石英砂表面形貌SEM图

由图5可见，球形陶粒表面粗糙、凸凹不平，且有不少微孔，而石英砂表面致密.由二者表面形貌分析可知，陶粒的亲水性明显优于石英砂，陶粒与胶凝浆体在LUHPC拌和物中的裹附性和二者在LUHPC硬化体中的界面黏结性均明显优于石英砂，进而改善了LUHPC的界面.

图6为LUHPC中球形陶粒-水泥石和石英砂-水泥石界面区的微观形貌图.

由图6可见，球形陶粒与水泥石结合密实，二者结合处没有明显的界线，而石英砂与水泥石结合处的界线分明.陶粒表面粗糙多孔，胶凝浆体裹附时会通过表面孔隙渗入其中，混凝土凝结硬化后陶粒-水泥石界面呈嵌锁状结构，进而使陶粒-水泥石黏结更为紧密[28].因此，LUHPC中的轻集料由于其表面特性而增强了与水泥石的黏结性，进而削弱了轻集料自身强度不足对LUHPC力学性能带来的负面影响.

2.3.3轻集料内部结构分析

由图6(a)可见，陶粒内部存在大量孔隙，预湿后可以吸收较多的水分，进而能够在LUHPC中充分发挥内养护效应，改善其界面区结构.对比图6(a)、(b)可明显看出，石英砂-水泥石界面区疏松多孔，并有明显的微裂纹存在，而陶粒-水泥石的界面区结构更加密实，与水泥石基体完全融为了一体，界面区已经不再是LUHPC的薄弱环节.随着LUHPC胶凝浆体凝结硬化进程的发展，LUHPC内部相对湿度迅速下降，为了维持LUHPC内部相对湿度平衡，陶粒会释放预吸收的水分，促进陶粒周围胶凝浆体的水化，进而改善界面区的微观结构和性能.国内外学者的研究表明[32-34]：在高强混凝土中，作为内养护材料的预湿轻集料因释水而使界面区浆体水化更为充分，使得界面区性能优于水泥石基体，轻集料高强混凝土的性能得以提升.笔者[35-36]曾利用29Si NMR 和显微硬度计定量表征了轻集料-水泥石界面区的水化程度、C-S-H凝胶聚合度和显微硬度，发现轻集料-水泥石界面区浆体的水化更为充分，C-S-H凝胶平均分子链长增长、聚合度增加，从而提高了界面区的力学性能.