偏高嶺土對高流動性鋼纖維混凝土早期力學性能和細觀結構的影響

于子豪，張彤煒，崔科旺

(1.蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室，蘭州 730000；2.蘭州大學土木工程與力學學院，蘭州 730000)

0 引 言

由于風荷載、波浪荷載、地震荷載、疏浚荷載和沖擊荷載的作用，樁基除了承受豎向力外，還經常受到側向力的作用。在彎矩作用下，地基的穩定性主要取決于樁基彈性變形階段的強度，以及樁基材料拉伸開裂后的殘余強度。為了避免樁基的破壞以及原材料的消耗，以低碳經濟的方式提高樁基設計強度和耐久性非常重要。混凝土行業每年生產約16億t水泥，每生產1 t水泥約產生0.8 t二氧化碳，以往研究致力于在建筑材料中降低水泥用量。偏高嶺土(MK)是一種典型的常用于水泥改性的高活性輔助膠凝材料，通過在500～800 ℃煅燒高嶺土制得[1-2]，可以有效改善混凝土和易性、減少水泥用量和提高混凝土性能，在土木工程中得到廣泛應用[2-5]。另外，鋼纖維(SF)可以有效限制混凝土的開裂[6]。泵送混凝土不僅要滿足設計強度和耐久性，還要滿足流動性。高流動性混凝土的早期力學性能對控制灌注樁的縮徑現象有重要影響。因此，本研究旨在探討含MK及SF混凝土的早期流動性、強度、彈性模量及微觀結構。

以往的研究表明，摻加MK降低了混凝土的孔隙率和自收縮率[5,7]，增加了水化反應產物的量[4,8]，提高了混凝土的耐久性[5,9]，并且MK能有效地促進火山灰反應的正向進行，還可以使水化產物向更穩定的成分轉化[10-12]，但是MK的加入使混凝土的流動性大幅度降低[3,10,13]。Poon等[14-15]發現，MK取代率過高，會出現混凝土強度降低的現象。Akcay和Tasdemir[3]發現，摻加MK增加了混凝土的彈性模量。SF不僅提高了混凝土的抗壓強度，同時也使混凝土的脆性破壞變為延性破壞，并在混凝土破壞后提供殘余強度[16-19]。但SF摻入過量會降低混凝土的坍落度[20]。綜上所述，雖然MK或SF對混凝土性能的影響受到廣泛關注，但是，在保持混凝土高流動性的前提下，MK和SF對混凝土的早期力學性能和破壞形態的耦合作用及微觀機理尚不清楚。

本文對養護7 d的MK-SF混凝土進行了抗壓試驗、劈裂試驗以及裂縫形態觀察、掃描電鏡和XRD測試。在此基礎上，闡明了MK和SF對混凝土的工作性能、力學性能、破壞形態的影響。最后，探討了摻MK和SF影響混凝土早期性能的微觀機理。

1 實 驗

1.1 原材料

本研究使用復合硅酸鹽水泥(PC)，德國巴斯夫公司生產的偏高嶺土(MK)，并用X射線熒光光譜(XRF)、掃描電鏡(SEM)和氮氣吸附法(Brunner-Emmet-Teller, BET)分別測定了其化學成分及質量比、顆粒形貌和比表面積，結果如表1所示。粗骨料主要為粒徑大于1 mm的碎石，細骨料主要為石英砂，通過篩分試驗和激光粒度儀得到骨料的粒徑分布如圖1所示。選用寬度2.5 mm、長度35 mm的銑銷型鋼纖維(SF)。原料的形態特征見表2，MK與SF的粒徑信息由激光粒度儀測得。選用聚羧酸溶液作為高效減水劑(HRWRA)。

圖1 骨料的累積粒徑分布Fig.1 Cumulative particle size distribution of aggregates

表1 水泥和偏高嶺土的物理性質和化學組成Table 1 Physical properties and chemical composition of cement and metakaolin

表2 試驗中所用原材料Table 2 Raw materials used in the tests

1.2 試樣制備

本試驗遵循GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》。試驗使用邊長100 mm的立方體試樣，測定其7 d抗壓強度和抗拉強度。混凝土各組分及其配合比如表3所示，MK15-SF3表示MK占膠凝材料總質量的15%，SF占膠凝材料總質量的3%，其余試驗組編號的含義與之相同。在制備混凝土漿體時，先將PC、MK、SF和骨料在干燥狀態下充分混合，再加入HRWRA溶液和水繼續充分攪拌均勻，并在拌制后15 min內裝模、振搗成型。將其置于標準環境(溫度(20±2) ℃，相對濕度≥95%)養護24 h后脫模，將脫模后的試樣繼續置于標準環境中養護6 d。

表3 MK-SF混凝土的配合比Table 3 Mix proportions of MK-SF concrete

1.3 試驗方法

首先，根據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，取制備好的漿體，進行坍落度試驗。每組試驗進行2次，若兩組數據相差小于15%，結果取2次試驗的平均值，否則重新進行該組試驗。

然后，根據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，進行7 d養護試樣的抗壓和抗拉強度試驗，其中試樣的抗拉強度采用劈裂試驗結果間接表示。試樣的抗壓和抗拉強度采用3個平行試樣的平均值，試樣強度差要求小于15%。

在抗壓強度試驗結束后，收集抗壓破壞后試樣的碎塊，碎塊直徑6 mm。用JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡觀察混凝土的微觀形貌，并選點進行X射線能譜(EDS)分析。

另外，取抗壓強度試驗后試樣的碎片磨成粉末，然后過40 μm篩，取過篩的粉末用X射線粉末衍射儀(XRD)進行掃描。掃描采用Cu靶輻射，電壓為45 kV，電流為40 mA，步長為37.575 s，入射角2θ為5°～45°。

2 結果與討論

2.1 坍落度

以往學者[5,7,21]已經分別對MK或SF對混凝土力學性能的影響做了研究，在此基礎上，本試驗研究了MK和SF兩者共同改性下，混凝土坍落度的變化，結果如圖2所示。當SF摻量為0%(質量分數，下同)時，混凝土的坍落度隨MK摻量的增加而降低；當MK摻量為0%時，混凝土的坍落度隨SF摻量的增加而降低；當MK摻量為15%時，混凝土的坍落度隨SF摻量的增加開始變化不明顯，在SF摻量3%時明顯降低。

圖2 不同MK-SF混凝土的坍落度Fig.2 Slump of different MK-SF concretes

以上結果表明，當僅使用MK或SF中的一種進行改性時，混凝土坍落度明顯降低。但是，當MK含量較高時，SF與MK并沒有表現出對坍落度降低的疊加作用，即SF對坍落度的影響不明顯。此外，漿體的最低坍落度約為160 mm，滿足泵送混凝土的基本要求。

2.2 抗壓和抗拉強度

圖3是MK-SF混凝土養護7 d后的抗壓和抗拉強度試驗結果。圖3(a)為抗壓試驗結果，采用極限壓應力代表抗壓強度。如圖3(a)所示：在SF摻量一定的情況下，抗壓強度隨MK摻量的增加而提高；在MK摻量一定的情況下，抗壓強度隨SF摻量的增加先提高，然后基本保持不變。以上結果說明SF摻量在0%～3%中存在最優摻量2%，當SF摻量為2%，MK摻量為15%時，MK-SF混凝土抗壓強度最高為25.71 MPa。研究[22-23]表明，MK可以促進水泥水化反應并減少混凝土的內部缺陷，SF可以在混凝土受力產生變形時限制各組分的相對運動。所以當向混凝土中摻加MK與SF時抗壓強度有所提高，與抗壓強度試驗結果相符。但是，當MK摻量為15%時，與SF摻量為0%的試樣相比，摻加3%SF的試樣抗壓強度提升僅為2 MPa左右。結合2.1節坍落度的試驗結果，添加MK可以顯著降低混凝土的流動性。當混凝土的流動性降低時，在相同的攪拌條件下，鋼纖維在混凝土漿體中更難分散均勻。鋼纖維主要通過限制混凝土中各組分的相對移動來提高混凝土強度，當試樣中的鋼纖維分布不均勻時，其對混凝土中各組分的約束作用大大減弱，在這種情況下鋼纖維對強度的提升非常有限。

圖3(b)為抗拉試驗結果，采用極限拉應力代表抗拉強度。從圖3(b)中可以看出，當SF摻量一定時，MK-SF混凝土的抗拉強度隨著MK摻量的增加而提高，但提高的程度隨SF的增加而減小。當SF摻量為3%時，抗拉強度的提高不明顯。當MK摻量為15%時，抗拉強度隨SF摻量的增加而降低，SF摻量為0%時極限拉應力為2.74 MPa，SF摻量為3%時極限拉應力為2.19 MPa，下降約20%。結果表明，當單獨摻加MK或SF時，二者都能提高混凝土的抗拉強度，而MK的提高效果更明顯。當二者同時摻加時，提升效果不僅不會疊加，甚至會產生極限拉應力下降的結果。

圖3 MK-SF混凝土的7 d抗壓和抗拉強度Fig.3 Compressive and tensile strength of MK-SF concretes at 7 d

2.3 應力-應變曲線

圖4(a)和圖4(b)為MK-SF混凝土養護7 d后試樣在受壓過程中的應力-應變曲線。從圖中可以看出，試樣的強度規律與圖3(a)分析的結果相同。當SF摻量為0%時，混凝土的壓縮模量隨MK摻量的增加而提高，但是摻加MK后，混凝土的殘余強度變化不明顯，說明MK混凝土與普通混凝土都發生脆性破壞。當MK摻量為0%時，混凝土的受壓變形模量隨SF摻量的增加基本維持不變，而殘余強度隨SF摻量的增加而提升。

圖4 MK-SF混凝土在7 d抗壓和抗拉試驗中的應力-應變關系Fig.4 Stress-strain relationship during the tension processes of MK-SF concretes at 7 d

圖4(c)和圖4(d)為MK-SF混凝土養護7 d后試樣在受拉過程中的應力-應變曲線。如圖所示，試樣的強度規律與圖3(b)中分析的結果一致。混凝土的彈性模量分別隨MK和SF摻量的增加而提高。如圖4(c)所示，當SF的摻量為0%時，混凝土在劈裂抗拉試驗中多表現為突然斷裂的脆性破壞。混凝土受拉破壞后的殘余強度隨SF摻量的增加而增加，甚至當MK摻量為0%，SF摻量為3%時，在數值上殘余強度高于抗拉強度。

結果表明，摻加MK可以明顯提高混凝土的受壓變形模量和彈性模量，摻加SF對彈性模量和受壓變形模量的影響不顯著。摻加SF可以使混凝土在裂縫發展階段具有更高的殘余強度，避免脆性破壞。

2.4 彈性模量

MK-SF混凝土的7 d彈性模量如圖5所示，MK-SF混凝土的7 d彈性模量由抗拉應力-應變曲線中的初始點到屈服點的斜率定義。結果表明，在SF摻量為0%時，隨著MK摻量的增加，彈性模量顯著增大，如MK15-SF0的彈性模量比MK0-SF0提高了73%。當MK摻量為0%時，隨著SF摻量的增加，彈性模量逐漸增大，如MK0-SF3比MK0-SF0提升了31 %。并且，當SF摻量一定時，摻加MK試樣的彈性模量皆大于未摻加MK的彈性模量；但當MK摻量為15%時，摻加SF試樣的彈性模量小于未摻加SF的彈性模量。因此，MK對早期彈性模量的提升起主導作用。

圖5 MK-SF混凝土的7 d彈性模量Fig.5 Elastic modulus of MK-SF concretes at 7 d

2.5 破壞形態

圖6(a)和圖6(b)為試樣在養護7 d后壓縮狀態下的破壞形態。從圖中可以看出:當SF摻量為0%時，表現為混凝土受壓破壞的傳統模式；而當SF摻量為3%時，試樣的破壞模式則在鋼纖維的分布處發生了明顯的改變，試樣的斷裂面與SF分布方向的夾角接近90°。結果表明，SF的摻加改變了混凝土中主要拉力的方向。在MK-SF混凝土中，SF在受壓過程中可以控制裂縫的方向，從而改變最終破壞形態。

圖6(c)和圖6(d)為試樣在養護7 d后拉伸狀態下的破壞形態。當SF摻量為0%時，試樣沿主要受力方向的連續主裂紋突然發生脆性破壞；而當SF摻量為3%時，試樣的破壞除了沿主要受力方向之外還會沿與鋼纖維分布垂直的方向進行，但試樣在破壞后并不會發生突然的斷裂，在混凝土失效后，由試樣中的鋼纖維繼續提供約束，防止試樣的突然斷裂。這與圖4(d)中殘余強度的分析相符。

圖6 試樣在壓縮和拉伸狀態下的破壞形態Fig.6 Destruction form of specimen under compression and tension

2.6 微觀形貌

之前的研究表明，SF不會對水泥的水化過程和生成物產生影響。所以本研究主要研究了MK對水泥的水化過程和水化產物以及骨料與漿體界面過渡區(interface transition zone, ITZ)的影響。圖7(a)和圖7(b)為混凝土在壓縮破壞后漿體的SEM照片。如圖所示，首先未摻MK的對照組試樣與摻加MK的試驗組試樣相比漿體存在更多的裂縫缺陷，這些缺陷會影響混凝土的強度。其次，對照組的漿體中存在大量的氫氧化鈣(CH)。再次，試驗組生成了更多的水化硅酸鈣(CSH)，而CH大量減少，并且有大量的鈣礬石(AFt)生成。

圖7 7 d混凝土漿體和ITZ斷裂的SEM照片Fig.7 SEM images of paste and ITZ fracture of concrete at 7 d

圖7(c)和圖7(d)為混凝土在壓縮試驗中ITZ斷裂的SEM照片。如圖所示:對照組(MK摻量為0%)的ITZ斷面非常光滑，且在斷面兩側的區域產物以CH居多，CSH的數量較少；反觀試驗組(MK摻量為15%)的ITZ斷面非常粗糙，并且斷面兩側黏結有大量的顆粒狀CSH凝膠產物和少部分的針狀AFt晶體產物。

結合圖3中MK的摻量對強度影響的分析，過多的CH會降低混凝土抗壓強度，而摻加MK可以促進水泥水化反應的進行，并使產物中的CH向CSH和AFt轉化，而CSH的強度更高且與骨料的黏結性更強，即ITZ的強度更高，所以混凝土的強度提高。摻加MK可以使水泥水化生成AFt，適量的AFt可以在整個水泥水化體系中起到很好地填充作用，從而減小了裂縫缺陷。所以如2.2節中所述，當SF摻量不變時，抗壓和抗拉強度隨著摻加MK摻量的增大而提高。

2.7 化學組成

圖8為原材料MK和PC以及7 d齡期的MK15-SF0和MK0-SF0混凝土的XRD譜。從圖中可以看出，在養護7 d后，MK0-SF0水泥水化反應并沒有進行完全，此時水泥中的C3A和C3AF已經消耗完，而C3S和C2S仍然存在，摻加MK的試驗組消耗的C3S和C2S明顯要高于對照組，這也驗證了前文所提的摻加MK可以促進水泥水化反應的結論。而且與對照組(MK摻量為0%)相比，試驗組(MK摻量為15%)中CH的數量明顯減少，AFm和AFt的總量明顯增多，結合XRF的結果可知，MK粉末中主要為無定形態的活性硅酸鹽、活性鋁酸鹽和活性硅鋁酸鹽，說明MK可以消耗水化產物中的CH生成AFm和AFt等更穩定的物質。而且試驗組中的CaCO3減少驗證了Antoni等[24]的結論：碳酸鈣也可與MK中的活性鋁酸鹽和活性硅鋁酸鹽反應生成半碳鋁酸鹽和單碳鋁酸鹽，從而起到填充作用。因此，如2.2節中所述，摻加MK的試驗組抗壓和抗拉強度皆有不同程度提升。

圖8 PC、MK以及7 d齡期的MK15-SF0和 MK0-SF0混凝土的XRD譜Fig.8 XRD patterns for PC, MK and concrete of MK15-SF0 and MK0-SF0 at 7 d

2.8 機理總結

上述結果的作用機理可以總結為以下幾點：

首先，MK細粉的比表面積大，可以吸附更多的水，在水膠比不變的情況下摻加MK，黏度提高，顯著降低了混凝土的流動性。SF摻入可提供橫向阻力阻止漿料向四周擴散，而無序結構增加了SF與漿料之間的摩擦力。因此，如圖2所示，添加MK和SF后，均降低了混凝土的流動性。且MK含量達到15%時，黏度主導了混合料的流動性，所以SF影響不明顯。

其次，研究[7,9,25]表明，水泥在水化反應過程中產生大量不穩定的氫氧化鈣，MK中含有大量的活性鋁酸鹽，在參與水化反應時將消耗漿體中不穩定的氫氧化鈣，形成更穩定的水化鋁酸鈣、水化硅鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)。同時，碳酸鈣也可與MK中的活性鋁酸鹽和活性硅鋁酸鹽反應生成半碳鋁酸鹽和單碳鋁酸鹽[4]。這說明摻加MK后可以增加骨料與漿體間ITZ的強度。基于SEM照片，以上產物減少了孔隙和裂縫等缺陷，增強了顆粒間的結合，因此，如圖3～5所示，摻加MK后混凝土的強度和彈性模量均有所提高。

最后，鋼纖維在試樣變形或開裂過程中限制了骨料和膠結物的相對滑移。然而，SF并沒有與混凝土中的膠結組分發生反應，而是通過與ITZ的摩擦對漿體提供物理約束[16,18]。圖9為摻加SF對混凝土受壓和受拉的影響機理示意圖。如圖9(a)所示，不同組分之間的黏結力是由MK和PC的火山灰反應共同提供，從而控制壓縮過程中的彈性變形。當試樣出現塑性變形時，產生裂縫，而鋼纖維改變了主拉應力的方向，并在此方向提供約束。在圖9(b)中，未加SF的混凝土為脆性斷裂，而鋼纖維約束了表面分離，并貢獻了開裂后的殘余強度，而且SF改變了主裂紋和主拉力的方向。SF與漿體在ITZ處的黏結作用較弱，因此過多的SF降低了最大拉應力。由于MK主要影響水泥水化過程及產物，而SF改變了裂縫發展過程混凝土中拉力的方向，所以MK與SF的作用階段并不相同。因此，出現圖6所示的斷裂模式的差異。

圖9 摻加SF對混凝土受壓和受拉的影響機理示意圖Fig.9 Schematic of SF influences on compression and tension of concretes

3 結 論

(1)當水膠比較高時，漿體的坍落度分別隨著MK和SF摻量的增加而降低。MK提高了混凝土漿體的黏度，SF增加了漿體的抗剪切性能，隨著MK摻量的增加，混凝土的流動性主要受黏度影響，所以SF和MK對流動性影響的耦合作用主要體現在MK摻量小于15%時。

(2)MK-SF混凝土的抗壓強度隨MK摻量的增加而提高；抗拉強度與MK的摻量有關，當MK摻量為0%時，隨SF摻量的增加而提高，當MK摻量為15%時，隨SF摻量的增加而降低；因為MK在未開裂階段中起主導作用，故彈性模量隨MK摻量的增加而提高。

(3)摻加MK可以提高漿體和ITZ的強度。主要機理為MK中含有大量的活性鋁酸鹽，可以促進水化反應的進行，在參與水化反應時將消耗漿體中不穩定的氫氧化鈣，形成更穩定的水化鋁酸鈣、水化硅鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣。同時，碳酸鈣也可與MK中的活性硫鋁酸鹽反應生成半碳鋁酸鹽和單碳鋁酸鹽。

(4)摻加SF可以提高混凝土破壞后的殘余強度，并減少突然失效的脆性破壞的發生。SF改變了混凝土裂縫發展過程拉應力的方向，并在裂縫張開后提供主要約束力。