預處理細輕骨料對混凝土阻尼與耐久性的影響*

黃顯龍，田耀剛，石帥鋒，蔣 靜，郝肖雨，齊 琳，賈 侃

(1.長安大學 材料科學與工程學院，西安 710064；2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，鄭州 450046)

0 引 言

隨著建筑物高層化和橋梁大跨度化的發展趨勢，普通混凝土自重大的弊端已經顯現，逐漸無法滿足現代建筑的要求。同時樓層愈高、橋梁跨度愈大的混凝土結構在動荷載作用下也會產生更大的動力響應，使其內部原始微裂縫和缺陷迅速積累與擴展，嚴重影響結構物的安全性和耐久性[1]。阻尼是將系統的振動能量轉換為其他形式能量的能力，它使系統在振動過程中自由振動幅值逐漸減小[2]。針對混凝土的阻尼能力較低的問題，國內外學者進行大量的研究發現，在混凝土中添加纖維[3]、橡膠顆粒[4]與聚合物乳液[5]均可有效改善其阻尼性能。但這些方法在改善混凝土阻尼性能的同時降低了其力學性能，并且對混凝土自重沒有明顯的降低作用。

輕骨料具有輕質高強、隔熱、抗震等優點，可在保證混凝土強度的基礎上減輕自重，因而也越來越多地作為一種增加樓層高度和橋梁跨度的手段[6]。輕骨料的種類以及預處理方式會顯著影響輕骨料混凝土的性能。田耀剛等[2,7]研究了輕骨料類型對混凝土阻尼性能的影響發現，用頁巖輕骨料制備混凝土的阻尼比低于用黏土輕骨料制備的混凝土，但具有更高的力學性能。Tao Ji[8]定量研究了不同程度預飽和水的輕骨料對輕骨料混凝土收縮性能的影響發現，對于相同的凈水灰比和總水灰比，輕骨料混凝土的收縮會隨輕骨料預飽和水程度的增加而減小。Cong Zhu等[9]研究了不同預飽和水輕骨料對輕骨料混凝土抗凍性能的影響，發現隨著輕骨料預飽和水程度的增加，混凝土相對動彈性模量逐漸降低；并且當輕骨料加壓預飽和水接近飽和時，會大大降低混凝土抗凍融性能。然而，目前對聚合物處理輕骨料混凝土耐久性的相關研究還較少。

鑒于此，本文對比研究了經過預飽和水、預飽和聚合物乳液和表面聚合物乳液包裹3種不同預處理的細輕骨料對混凝土阻尼性能、強度、收縮性能以及抗凍性能的影響，并利用SEM-EDS對3種預處理細輕骨料混凝土的微觀結構進行了測試和分析。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥:P·O 42.5級水泥；粉煤灰：Ⅱ級灰；礦粉，上述3種材料主要化學組成和物理性能見表1。聚合物：苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液(苯丙乳液)，固含量為51%，pH值為8～9。減水劑:采用聚羧酸高效減水劑，減水率達 27.9%。

表1 水泥、粉煤灰和礦粉的主要化學組成和物理性能

粗骨料:5～25 mm連續級配，含泥量為0.20%，壓碎值為8.30%。細骨料(NS)：河砂，細度模數2.60，II區，含泥量為0.8%。細輕骨料：試驗使用黏土陶砂與頁巖陶砂，主要性能指標見表2。

表2 頁巖陶砂與黏土陶砂的主要性能

1.2 輕骨料預處理方法

輕骨料預處理方法主要有以下3種：

(1)預飽和水輕骨料(PW)：常溫常壓下，在水中浸泡黏土陶砂2 h，取出瀝干至表面無明水。

(2)預飽和苯丙乳液輕骨料(PS)：常溫常壓下，在苯丙乳液中浸泡黏土陶砂2 h，取出后置于0.07 5 mm篩上20 min濾掉多余乳液，用無明水濕毛巾包裹擦拭，直至陶砂表面無多余苯丙乳液。

(3)表面苯丙乳液包裹輕骨料(ES)：將1/3陶砂質量的苯丙乳液加入頁巖陶砂中，在120 ℃下不斷攪拌，使頁巖陶砂不易相互粘結且在陶砂表面形成均勻苯丙乳液薄膜，冷卻至室溫后將粘結陶砂輕搗分離以備用。

1.3 試驗配合比及測試方法

1.3.1 試驗配合比

為探究預處理細輕骨料對混凝土收縮性能的影響，采用剔除混凝土中粗骨料的水泥砂漿試件進行測試(配合比見表3)。前期試驗結果顯示，細輕骨料替代天然細骨料體積比在30%以內時，力學性能降低不明顯，因此固定替代率為30%。

表3 砂漿與混凝土試驗配合比

1.3.2 力學與耐久性試驗

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)、《水泥膠砂干縮試驗方法》(JC/T603—2004)和《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》(GB/T50082—2009)中快速凍融法分別進行抗壓與抗折強度試驗、收縮試驗和抗凍試驗。

1.3.3 阻尼試驗

本文采用懸臂梁沖擊作用下的自由振動研究混凝土的阻尼比。將養護至規定齡期的試件一端進行固定，利用試驗力錘對試件施加簡諧振動荷載，并使用INV3062T型阻尼比測試分析系統對振動進行分析，測試簡圖如圖1所示。采用半功率帶寬法計算阻尼比，計算公式為：

圖1 阻尼測試簡圖

式中，ξ為阻尼比，ω1和ω2為共振峰值0.707倍對應頻率，Hz；ω0為共振頻率，Hz。每個試件重復進行3次阻尼試驗，結果取平均值。

1.3.4 微觀測試

抗壓試驗完成后，選取大小合適的試樣進行干燥噴金處理，采用日立S-4800 SEM觀察試樣微觀形貌。切割PS混凝土制備15 mm×15 mm×15 mm試件并進行拋光和鍍金處理，采用SEM能譜(EDS)分析技術對試樣進行元素分析。

2 結果與討論

2.1 不同預處理細輕骨料對混凝土阻尼的影響

3種預處理細輕骨料對混凝土阻尼性能的影響如圖2所示。由圖2可知，PW、PS和ES均可提高混凝土7和28 d的阻尼比，其效果表現為：PW

圖2 不同預處理細輕骨料對混凝土阻尼的影響

2.2 不同預處理細輕骨料對混凝土強度的影響

3種預處理細輕骨料對混凝土強度的影響如圖3所示。由圖3可知，PW的摻入使混凝土強度略有降低，PS和ES的摻入則使強度略有提高。骨料與水泥石間的界面過渡區是影響混凝土力學性能的決定性因素之一[12]。天然骨料界面過渡區的水灰比通常高于基體，導致CH富集，而粉煤灰可與CH發生二次水化反應，提高界面過渡區強度[13]。PW中的水不僅具有內養護作用還有助于后期粉煤灰二次水化反應，進而改善輕骨料與水泥石間界面過渡區性能[13-14]，抵消輕骨料摻入帶來的負面影響。PS與PW作用基本相似，且苯丙乳液可失水成膜附著在輕骨料的孔隙結構中，避免聚合物與水泥石基體直接、大面積接觸，從而使混凝土強度沒有明顯下降[2,7]。苯丙乳液膜會降低水泥漿體與輕骨料之間的粘附力[11]，但未被膜覆蓋的ES孔隙具有“吸返水”作用，抑制CH富集的同時可優化界面過渡區，使混凝土強度不會明顯下降。

2.3 不同預處理細輕骨料對砂漿收縮的影響

3種預處理細輕骨料對砂漿收縮的影響如圖4所示。由圖4可知，PW、PS和ES的摻入均能夠降低水泥砂漿的干縮率。不同預處理細輕骨料對降低砂漿收縮的效果表現為：ES

圖4 不同預處理細輕骨料對砂漿收縮的影響

2.4 不同預處理細輕骨料對混凝土抗凍性能的影響

不同凍融循環次數下3種預處理細輕骨料混凝土的相對動彈模量和質量損失率如圖5所示。由圖5可知，摻入PW、PS和ES的混凝土經受凍融循環后，相對動彈模量均提高，質量損失率均降低。不同預處理細輕骨料抗凍性能的表現為：ES

圖5 不同預處理細輕骨料對混凝土抗凍性能的影響

3 不同預處理輕骨料混凝土的微觀性能

圖6為不同預處理輕骨料混凝土養護至28 d后的SEM圖。普通混凝土界面區具有較多的微裂紋和孔隙，輕骨料混凝土由于輕集料多孔特性使界面區組成與結構發生了明顯變化。由圖6(a)可知，PW通過水化產物與混凝土基體相連，看不到清晰邊界，且存在大量孔隙的粗糙表面可增強與水泥石的機械嚙合。提高放大倍率可發現界面過渡區結構比較致密。由圖6(c)和(d)可知，ES與水泥石基體間邊界較為清晰，界面過渡區存在較多聚合物，結構也比較致密。

由圖6(e)可知，水泥漿體可能會進入PS開口孔隙中凝結硬化，形成約束層阻尼結構和機械嚙合結構，如圖7(b)和(d)所示。這可提高骨料與水泥石間的界面粘結面積與界面摩擦力，加劇能量耗散。水泥水化產物在PS孔隙內部擴散時可能無法到達孔隙深處而形成內部孔隙結構，如圖7(d)所示。部分苯丙乳液可能會從開口孔隙中流出并與輕骨料表面的水泥漿體形成網絡互穿結構，如圖7(c)所示。孔隙內的苯丙乳液失水后會形成一層膜并附著在輕骨料孔隙的一側，形成自由層阻尼結構，如圖7(a)所示。這可以通過聚合物分子鏈段運動以及與輕骨料或水泥石摩擦等方式耗散振動能。由圖6(f)可知，水化產物與苯丙乳液在界面過渡區相互穿插可形成互穿網狀結構，覆蓋基體表面的微裂紋和孔洞。

圖6 不同預處理細輕骨料混凝土28 d的SEM圖

為驗證圖7所示模型的準確性，對養護28 d的PS混凝土進行SEM-EDS測試，如圖8所示。輕骨料、苯丙乳液與水泥石分別為富Si、C與Ca相。對比圖8 SEM圖與Ca元素分布圖可知，水泥石和輕骨料兩相之間存在明顯的界面線并且輕骨料孔隙內有大量Ca元素分布。這表明水泥漿體可以擴散到輕骨料的開口孔隙中并將水泥基體與輕骨料連接起來。由圖8 C元素分布圖可知，C元素大量分布于PS孔隙中，少量散布于水泥石上，表明PS開口孔隙中的部分苯丙乳液會流至水泥漿體中形成互穿網絡結構。水化產物會擴散到輕骨料開口孔隙中并與內部的聚合物相互穿插形成約束層阻尼結構與機械嚙合結構。隨著水泥水化進行，水泥石結構逐漸密實，水化產物不會繼續向孔隙內部擴散，在輕骨料孔隙內部形成自由層阻尼結構與內部孔隙結構。

圖7 預飽和苯丙乳液輕骨料作用機理

圖8 預飽和苯丙乳液輕骨料混凝土28 d的SEM-EDS圖

圖9為輕骨料孔隙SEM圖。圖9(a)與(b)分別為PS前后輕骨料孔隙SEM圖；圖9(c)與(d)分別為ES前后孔隙SEM圖。對比圖9(a)與(b)可知，輕骨料孔隙壁上附著一層苯丙乳液薄膜，進一步證實了自由層阻尼結構的存在，同時也證明了PS的內養護作用。對比圖9(c)與(d)可知，ES表面有一層苯丙乳液膜覆蓋，但仍留有部分孔隙。圖8與9所示的元素分布與微觀結構驗證了圖7提出的減振模型準確性。

圖9 輕骨料孔隙SEM圖

4 結 論

(1)PW、PS與ES均可提高混凝土的阻尼性能并對強度無明顯影響，其中ES對阻尼提升效果最為明顯。PW與PS可發揮內養護作用，降低混凝土收縮，提高混凝土抗凍性能。

(2)微觀測試結果表明，PW與PS中部分開口孔隙被水化產物填充，構成機械嚙合結構，界面過渡區較模糊。ES與水泥石基體間有清晰的邊界，界面過渡區存在較多聚合物，結構也比較致密。

(3)建立了PS減振模型并利用EDS對其進行驗證。結果表明水化產物會擴散到PS開口孔隙中，可與聚合物膜形成約束層阻尼結構與網絡互穿結構，但水化產物擴散深度有限，在PS孔隙內部則會形成自由層阻尼結構。