陶砂对轻骨料超高性能混凝土的影响研究

2022-04-26许婷

交通科技 2022年2期

许婷

(1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室武汉 430034； 2.中铁大桥科学研究院有限公司武汉 430034)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一种具有超高强度、超强耐久性能的新型水泥基复合材料，在桥梁工程、海洋工程、维护加固工程中具有很高的工程应用价值，但由于胶凝材料用量高、无粗骨料等特点，导致其产生较大的收缩，增加其早期开裂的风险[1]。

轻骨料是一种轻质多孔材料，可通过吸释水过程发挥内养护作用，因此，采用轻骨料可同时降低超高性能混凝土的自重和收缩。常用的轻骨料包括陶砂、浮石、火山石等，其中应用最为广泛的是陶砂。于凌波[2]研究了页岩陶砂对UHPC力学性能的影响，结果表明，陶砂的掺入会使UHPC的流动度有所提高，早期强度明显降低，后期强度与UHPC差距减小。丁庆军[3]采用陶砂全部取代石英砂制备了轻质超高性能混凝土，结果表明陶砂具有缓释水的作用，可促进界面处水泥的持续水化，改善界面微结构，降低混凝土收缩。穆龙飞等[4]研究了预湿陶粒对混凝土工作性能和力学性能的影响，发现陶粒易吸水，会导致混凝土流动性变差，且陶粒预湿时间越长，混凝土7 d强度越低，28 d强度越高。蔡佳振[5]认为陶砂孔隙率较高，极易吸水，对混凝土的工作性不利，需对陶砂进行预湿处理。

目前，预湿陶砂对超高性能混凝土耐久性能的研究相对较少，同时，陶砂对超高性能混凝土工作性能的影响存在一定的争议。本文研究了不同等级陶砂及预处理方式对轻骨料超高性能混凝土工作性能、力学性能、干缩性能和耐久性能的影响，并与未掺陶砂的超高性能混凝土进行了对比，旨在降低超高性能混凝土的收缩和自重，为轻骨料超高性能混凝土的推广应用提供依据。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

试验采用的水泥为洋房P·O 42.5级水泥；硅灰为埃肯硅灰，比表面积为23 000 m2/kg；粉煤灰微珠的比表面积为1 250 m2/kg，D50值为2.049 μm,胶凝材料的化学组成见表1；细集料为洞庭湖河砂，有2种粒径，分别为0.3～0.6 mm和0.6～1.18 mm，细砂和粗砂按1∶1混合，混合砂细度模数为2.3；陶砂为湖北汇腾轻集料环保产品有限公司生产的破碎页岩陶砂，有600级和800级2种，粒径分布为2～5 mm，陶砂的性能和粒径分布分别见表2和表3。此外，2种陶砂的外观形貌见图1，其中800级陶砂的边缘棱角较多，600级陶砂的边缘较为圆润，对2种粒径的陶砂进行预湿处理，预湿时间为24 h，待饱和面干状态使用；钢纤维直径为0.2 mm，长度为13 mm；减水剂为粉状聚羧酸高性能减水剂；消泡剂为上海某公司生产；水为自来水。

表1 胶凝材料化学组成 %

表2 陶砂性能

表3 陶砂粒径分布

图1 陶砂的外观形貌

1.2 试验方法

1) 工作性能试验。陶砂轻骨料超高性能混凝土的坍落度试验参照GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行[6]。

2) 力学性能试验。陶砂轻骨料超高性能混凝土的抗压强度和抗折强度参照GB/T 31387-2015 《活性粉末混凝土》进行[7]，抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。

3) 耐久性试验。陶砂轻骨料超高性能混凝土的干缩试验、抗冻性试验和抗渗性试验参照GB/T 50082-2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行[8]，干缩试验的试验龄期为1，3，7，14，28，45和60 d，进行抗冻试验和抗渗试验时，试件应先养护28 d，其中抗冻试验的总冻融循环次数为500次。

1.3 陶砂轻骨料超高性能混凝土配合比

陶砂轻骨料超高性能混凝土的配合比见表4。

表4 轻骨料超高性能混凝土配合比 kg/m3

汪：*TS为陶砂；D为干陶砂；W为预湿陶砂；600为600级陶砂；800为800级陶砂。

由表4可知，硅灰和粉煤灰微珠的掺量分别为17%和11%，集料的总量为900 kg/m3，陶砂与砂子的质量比为1∶2，水胶比为0.18，钢纤维的体积掺量为1%，减水剂掺量为0.94%，消泡剂掺量为0.11%。

2 试验结果分析

2.1 陶砂轻骨料超高性能混凝土力学性能

陶砂对轻骨料超高性能混凝土抗压强度的影响见图2。由图2可知，与未掺陶砂的超高性能混凝土相比，掺600级干陶砂和预湿陶砂的混凝土28 d抗压强度分别降低42.8%和37.3%，掺800级干陶砂和预湿陶砂的混凝土28 d抗压强度分别降低21.8%和17.3%，这是由于陶砂为多孔结构，强度较低，导致混凝土抗压强度值均有所降低。掺预湿陶砂制备的混凝土各龄期抗压强度均高于掺干陶砂的混凝土抗压强度，其中掺600级和800级预湿陶砂的混凝土抗压强度分别比掺干陶砂的混凝土提高9.6%和5.7%，这说明在湿度差应力的作用下，预湿陶砂可以发挥“微泵”效应，向周围的水泥环境中释放水，促进水泥水化，使轻骨料与水泥石的界面过渡区结构致密，C-S-H等水化产物可以进入轻骨料孔隙；其次，干陶砂的吸水饱和程度较低，释水能力较弱，对混凝土强度的提高作用相对较小。

图2 陶砂对轻骨料超高性能混凝土抗压强度的影响

陶砂轻骨料超高性能混凝土的工作性能和抗折强度见表5。

表5 陶砂轻骨料超高性能混凝土的流动性及抗折强度

由表5可知，掺陶粒的轻骨料超高性能混凝土坍落度和扩展度均比未掺陶砂的超高性能混凝土低，且掺陶砂后混凝土的抗折强度也有下降。其次，掺预湿陶砂混凝土的流动性和抗折强度均大于掺干陶砂的混凝土，其中掺600级预湿陶砂轻骨料超高性能混凝土的坍落度为200 mm，28 d抗折强度为13.5 MPa，掺800级预湿陶砂轻骨料超高性能混凝土的坍落度为225 mm，28 d抗折强度为15.9 MPa，这说明干陶砂在水泥浆体中会吸收水分，而预湿陶砂的吸水率明显小于干陶砂。因此，掺预湿陶砂轻骨料超高性能混凝土的工作性能和力学性能高于掺干陶砂的轻骨料超高性能混凝土。此外，掺陶砂的轻骨料超高性能混凝土容重明显降低，其中掺600级和800级湿陶砂的轻骨料超高性能混凝土容重分别为2 060 kg/m3和2 240 kg/m3，比超高性能混凝土降低了15.9%和8.6%。

2.2 陶砂轻骨料超高性能混凝土干缩性能

陶砂对轻骨料超高性能混凝土干缩性能的影响见图3。由图3可知，掺陶砂的轻骨料超高性能混凝土各龄期干燥收缩均低于未掺陶砂的超高性能混凝土，说明在混凝土水化过程中，预湿陶砂可释放水分，发挥内养护作用，降低混凝土的干缩。与未掺陶砂的超高性能混凝土相比，掺600级干陶砂和预湿陶砂的轻骨料超高性能混凝土60 d干燥收缩值分别减少12.41%和22.16%，掺800级干陶砂和预湿陶砂的轻骨料超高性能混凝土60 d干燥收缩分别减少7.90%和14.76%，这是由于600级陶砂的内部孔隙较大且多，吸水率高于800级陶砂，导致掺600级陶砂的轻骨料超高性能混凝土的干燥收缩值较小。其次，预湿处理对600级陶砂的影响较大，对800级陶砂的影响相对较少。

图3 陶砂对轻骨料超高性能混凝土干缩性能的影响

2.3 陶砂轻骨料超高性能混凝土抗冻性能

陶砂轻骨料超高性能混凝土冻融循环过程中的质量损失率和相对动弹性模量分别见表6和图4。

表6 冻融循环过程中的轻骨料超高性能混凝土质量损失率 %

图4 冻融循环过程中的轻骨料超高性能混凝土相对动弹性模量

由表6和图4可知，与冻融前相比，未掺陶砂的超高性能混凝土在500次冻融循环后的质量及相对动弹性模量均略有增加，但变化幅度很小。掺陶砂轻骨料超高性能混凝土的抗冻性能则受陶砂及预处理方式的影响呈现出不同的变化规律，对于600级陶砂，掺干陶砂和预湿陶砂的轻骨料超高性能混凝土的质量均随着冻融循环次数的增加而增加，相对动弹性模量则随着冻融循环次数的增加而减小。此外，预处理方式对掺600级陶砂轻骨料超高性能混凝土抗冻性的影响较大，掺600级干陶砂和预湿陶砂轻骨料超高性能混凝土在500冻融循环后的相对动弹性模量分别为97.20%和94.77%。对于800级陶砂，掺干陶砂和预湿陶砂轻骨料超高性能混凝土的质量和相对动弹性模量均随着冻融循环次数的增加而增加，其次，预湿处理对800级陶砂轻骨料超高性能混凝土抗冻性的影响较小，其500次冻融循环后的相对动弹性模量分别为101.27%和100.92%。

2.4 陶砂轻骨料超高性能混凝土抗渗性能

陶粒对轻骨料超高性能混凝土电通量的影响见图5。

图5 陶砂轻骨料超高性能混凝土的电通量值

由图5可知，掺800级干陶砂和预湿陶砂轻骨料超高性能混凝土的电通量分别为25.7 C和25.5 C，与未掺陶砂的超高性能混凝土相近，而掺600级干陶砂和预湿陶砂的轻骨料超高性能混凝土的电通量分别为40.9 C和42.2 C，比未掺陶砂的超高性能混凝土电通量值分别增加了67.6%和72.9%，掺600级预湿陶砂的轻骨料超高性能混凝土的抗渗性能高于掺800级干陶砂的轻骨料超高性能混凝土，这与抗冻试验的结果一致。此外，轻骨料超高性能混凝土的电通量均低于50 C，同样具备优异的抗渗性能，这是由于随着混凝土内部湿度的降低，陶砂中的水分逐渐释放，不仅可以养护水泥石，而且水化产物可填充陶砂的内部孔隙，并在陶砂表面形成低钙型水化硅酸钙，使界面过渡区更加致密，增加了有害离子渗透路径的曲折度，大幅度提高混凝土的抗渗性[9-11]。