陶砂對輕骨料超高性能混凝土的影響研究

許 婷

(1.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034； 2.中鐵大橋科學研究院有限公司 武漢 430034)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一種具有超高強度、超強耐久性能的新型水泥基復合材料，在橋梁工程、海洋工程、維護加固工程中具有很高的工程應用價值，但由于膠凝材料用量高、無粗骨料等特點，導致其產生較大的收縮，增加其早期開裂的風險[1]。

輕骨料是一種輕質多孔材料，可通過吸釋水過程發揮內養護作用，因此，采用輕骨料可同時降低超高性能混凝土的自重和收縮。常用的輕骨料包括陶砂、浮石、火山石等，其中應用最為廣泛的是陶砂。于凌波[2]研究了頁巖陶砂對UHPC力學性能的影響，結果表明，陶砂的摻入會使UHPC的流動度有所提高，早期強度明顯降低，后期強度與UHPC差距減小。丁慶軍[3]采用陶砂全部取代石英砂制備了輕質超高性能混凝土，結果表明陶砂具有緩釋水的作用，可促進界面處水泥的持續水化，改善界面微結構，降低混凝土收縮。穆龍飛等[4]研究了預濕陶粒對混凝土工作性能和力學性能的影響，發現陶粒易吸水，會導致混凝土流動性變差，且陶粒預濕時間越長，混凝土7 d強度越低，28 d強度越高。蔡佳振[5]認為陶砂孔隙率較高，極易吸水，對混凝土的工作性不利，需對陶砂進行預濕處理。

目前，預濕陶砂對超高性能混凝土耐久性能的研究相對較少，同時，陶砂對超高性能混凝土工作性能的影響存在一定的爭議。本文研究了不同等級陶砂及預處理方式對輕骨料超高性能混凝土工作性能、力學性能、干縮性能和耐久性能的影響，并與未摻陶砂的超高性能混凝土進行了對比，旨在降低超高性能混凝土的收縮和自重，為輕骨料超高性能混凝土的推廣應用提供依據。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗采用的水泥為洋房P·O 42.5級水泥；硅灰為埃肯硅灰，比表面積為23 000 m2/kg；粉煤灰微珠的比表面積為1 250 m2/kg，D50值為2.049 μm,膠凝材料的化學組成見表1；細集料為洞庭湖河砂，有2種粒徑，分別為0.3～0.6 mm和0.6～1.18 mm，細砂和粗砂按1∶1混合，混合砂細度模數為2.3；陶砂為湖北匯騰輕集料環保產品有限公司生產的破碎頁巖陶砂，有600級和800級2種，粒徑分布為2～5 mm，陶砂的性能和粒徑分布分別見表2和表3。此外，2種陶砂的外觀形貌見圖1，其中800級陶砂的邊緣棱角較多，600級陶砂的邊緣較為圓潤，對2種粒徑的陶砂進行預濕處理，預濕時間為24 h，待飽和面干狀態使用；鋼纖維直徑為0.2 mm，長度為13 mm；減水劑為粉狀聚羧酸高性能減水劑；消泡劑為上海某公司生產；水為自來水。

表1 膠凝材料化學組成 %

表2 陶砂性能

表3 陶砂粒徑分布

圖1 陶砂的外觀形貌

1.2 試驗方法

1) 工作性能試驗。陶砂輕骨料超高性能混凝土的坍落度試驗參照GB/T 50080-2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行[6]。

2) 力學性能試驗。陶砂輕骨料超高性能混凝土的抗壓強度和抗折強度參照GB/T 31387-2015 《活性粉末混凝土》進行[7]，抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

3) 耐久性試驗。陶砂輕骨料超高性能混凝土的干縮試驗、抗凍性試驗和抗滲性試驗參照GB/T 50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行[8]，干縮試驗的試驗齡期為1，3，7，14，28，45和60 d，進行抗凍試驗和抗滲試驗時，試件應先養護28 d，其中抗凍試驗的總凍融循環次數為500次。

1.3 陶砂輕骨料超高性能混凝土配合比

陶砂輕骨料超高性能混凝土的配合比見表4。

表4 輕骨料超高性能混凝土配合比 kg/m3

汪：*TS為陶砂；D為干陶砂；W為預濕陶砂；600為600級陶砂；800為800級陶砂。

由表4可知，硅灰和粉煤灰微珠的摻量分別為17%和11%，集料的總量為900 kg/m3，陶砂與砂子的質量比為1∶2，水膠比為0.18，鋼纖維的體積摻量為1%，減水劑摻量為0.94%，消泡劑摻量為0.11%。

2 試驗結果分析

2.1 陶砂輕骨料超高性能混凝土力學性能

陶砂對輕骨料超高性能混凝土抗壓強度的影響見圖2。由圖2可知，與未摻陶砂的超高性能混凝土相比，摻600級干陶砂和預濕陶砂的混凝土28 d抗壓強度分別降低42.8%和37.3%，摻800級干陶砂和預濕陶砂的混凝土28 d抗壓強度分別降低21.8%和17.3%，這是由于陶砂為多孔結構，強度較低，導致混凝土抗壓強度值均有所降低。摻預濕陶砂制備的混凝土各齡期抗壓強度均高于摻干陶砂的混凝土抗壓強度，其中摻600級和800級預濕陶砂的混凝土抗壓強度分別比摻干陶砂的混凝土提高9.6%和5.7%，這說明在濕度差應力的作用下，預濕陶砂可以發揮“微泵”效應，向周圍的水泥環境中釋放水，促進水泥水化，使輕骨料與水泥石的界面過渡區結構致密，C-S-H等水化產物可以進入輕骨料孔隙；其次，干陶砂的吸水飽和程度較低，釋水能力較弱，對混凝土強度的提高作用相對較小。

圖2 陶砂對輕骨料超高性能混凝土抗壓強度的影響

陶砂輕骨料超高性能混凝土的工作性能和抗折強度見表5。

表5 陶砂輕骨料超高性能混凝土的流動性及抗折強度

由表5可知，摻陶粒的輕骨料超高性能混凝土坍落度和擴展度均比未摻陶砂的超高性能混凝土低，且摻陶砂后混凝土的抗折強度也有下降。其次，摻預濕陶砂混凝土的流動性和抗折強度均大于摻干陶砂的混凝土，其中摻600級預濕陶砂輕骨料超高性能混凝土的坍落度為200 mm，28 d抗折強度為13.5 MPa，摻800級預濕陶砂輕骨料超高性能混凝土的坍落度為225 mm，28 d抗折強度為15.9 MPa，這說明干陶砂在水泥漿體中會吸收水分，而預濕陶砂的吸水率明顯小于干陶砂。因此，摻預濕陶砂輕骨料超高性能混凝土的工作性能和力學性能高于摻干陶砂的輕骨料超高性能混凝土。此外，摻陶砂的輕骨料超高性能混凝土容重明顯降低，其中摻600級和800級濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土容重分別為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 陶砂輕骨料超高性能混凝土干縮性能

陶砂對輕骨料超高性能混凝土干縮性能的影響見圖3。由圖3可知，摻陶砂的輕骨料超高性能混凝土各齡期干燥收縮均低于未摻陶砂的超高性能混凝土，說明在混凝土水化過程中，預濕陶砂可釋放水分，發揮內養護作用，降低混凝土的干縮。與未摻陶砂的超高性能混凝土相比，摻600級干陶砂和預濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土60 d干燥收縮值分別減少12.41%和22.16%，摻800級干陶砂和預濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土60 d干燥收縮分別減少7.90%和14.76%，這是由于600級陶砂的內部孔隙較大且多，吸水率高于800級陶砂，導致摻600級陶砂的輕骨料超高性能混凝土的干燥收縮值較小。其次，預濕處理對600級陶砂的影響較大，對800級陶砂的影響相對較少。

圖3 陶砂對輕骨料超高性能混凝土干縮性能的影響

2.3 陶砂輕骨料超高性能混凝土抗凍性能

陶砂輕骨料超高性能混凝土凍融循環過程中的質量損失率和相對動彈性模量分別見表6和圖4。

表6 凍融循環過程中的輕骨料超高性能混凝土質量損失率 %

圖4 凍融循環過程中的輕骨料超高性能混凝土相對動彈性模量

由表6和圖4可知，與凍融前相比，未摻陶砂的超高性能混凝土在500次凍融循環后的質量及相對動彈性模量均略有增加，但變化幅度很小。摻陶砂輕骨料超高性能混凝土的抗凍性能則受陶砂及預處理方式的影響呈現出不同的變化規律，對于600級陶砂，摻干陶砂和預濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土的質量均隨著凍融循環次數的增加而增加，相對動彈性模量則隨著凍融循環次數的增加而減小。此外，預處理方式對摻600級陶砂輕骨料超高性能混凝土抗凍性的影響較大，摻600級干陶砂和預濕陶砂輕骨料超高性能混凝土在500凍融循環后的相對動彈性模量分別為97.20%和94.77%。對于800級陶砂，摻干陶砂和預濕陶砂輕骨料超高性能混凝土的質量和相對動彈性模量均隨著凍融循環次數的增加而增加，其次，預濕處理對800級陶砂輕骨料超高性能混凝土抗凍性的影響較小，其500次凍融循環后的相對動彈性模量分別為101.27%和100.92%。

2.4 陶砂輕骨料超高性能混凝土抗滲性能

陶粒對輕骨料超高性能混凝土電通量的影響見圖5。

圖5 陶砂輕骨料超高性能混凝土的電通量值

由圖5可知，摻800級干陶砂和預濕陶砂輕骨料超高性能混凝土的電通量分別為25.7 C和25.5 C，與未摻陶砂的超高性能混凝土相近，而摻600級干陶砂和預濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土的電通量分別為40.9 C和42.2 C，比未摻陶砂的超高性能混凝土電通量值分別增加了67.6%和72.9%，摻600級預濕陶砂的輕骨料超高性能混凝土的抗滲性能高于摻800級干陶砂的輕骨料超高性能混凝土，這與抗凍試驗的結果一致。此外，輕骨料超高性能混凝土的電通量均低于50 C，同樣具備優異的抗滲性能，這是由于隨著混凝土內部濕度的降低，陶砂中的水分逐漸釋放，不僅可以養護水泥石，而且水化產物可填充陶砂的內部孔隙，并在陶砂表面形成低鈣型水化硅酸鈣，使界面過渡區更加致密，增加了有害離子滲透路徑的曲折度，大幅度提高混凝土的抗滲性[9-11]。

3 結論

1) 在超高性能混凝土體系中，摻入陶砂會降低混凝土的力學性能，其中摻600級陶砂的輕骨料超高性能混凝土28 d抗壓強度低于80 MPa，降幅大于35%，而摻800級陶砂的輕骨料超高性能混凝土28 d抗壓強度高于90 MPa，降幅大于15%。

2) 相同齡期時，摻600級陶砂輕骨料超高性能混凝土的力學性能、干縮性能、抗滲性能和抗凍性能均低于摻800級陶砂的輕骨料超高性能混凝土。

3) 同等級陶砂，摻預濕處理陶砂的輕骨料超高性能混凝土抗壓強度和抗折強度均高于摻干陶砂的輕骨料超高性能混凝土，且摻預濕處理陶砂的輕骨料超高性能混凝土干燥收縮低于摻干陶砂的輕骨料超高性能混凝土。

4) 對于600級陶砂，經預濕處理制備的輕骨料超高性能混凝土抗凍性能略有降低，而對于800級陶砂，經預濕處理的輕骨料超高性能混凝土的抗凍性能則略有增加。