孔隙特征對機制砂自密實輕骨料混凝土強度的影響規律

張淑云， 陳秘， 周杰， 王恩， 楊旭龍

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院， 西安 710054; 2.中電建生態環境集團有限公司， 寶安 518102)

混凝土是工程建設中運用最為廣泛的建筑材料，砂是制備混凝土的必須原材料之一。在工程建設日趨龐大，天然砂資源日趨匱乏的今天，機制砂越來越多地被用到混凝土中[1]。蔣正武等[2]研究表明，可以采用機制砂配制出力學性能及工作性能滿足要求的機制砂自密實混凝土，且配合比參數與采用河砂有明顯差異。周聰聰等[3]研究了機制砂自密實混凝土工作性能的影響因素。洪靖等[4]研究了機制砂高強自密實混凝土的長期力學性能。季錫賢等[5]研究了C50機制砂自密實混凝土的配合比設計關鍵技術、澆筑施工、養護要點。現有研究主要還停留在機制砂自密實混凝土的配合比設計、工作性能以及宏觀力學性能研究方面。

自密實輕骨料混凝土(self-compacting light-aggregate concrete, SCLC)是在自密實混凝土(self-compacting concrete, SCC)的基礎上，用輕骨料替代普通碎石骨料得到的一種高性能混凝土，它兼具二者的優勢，無需振搗即可以自動成型，可以降低噪聲對環境的污染，有效減輕結構自重，降低建筑物的震害，具有較好的保溫隔熱性能、抗凍性能及耐久性能[6]。目前已有許多學者對自密實輕骨料混凝土的各項性能做了相關研究，董建苗等[7]對SCLC的配合比設計進行了研究；王玉梅等[8]對SCLC的工作性能及力學性能進行了研究。已有研究主要集中在SCLC宏觀性能的研究方面。

在SCLC的基礎上，采用機制砂(manufactured sand,MS)作為細骨料制備出機制砂自密實輕骨料混凝土(MS-SCLC)，測量其養護時間為3、7、14、28 d的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度，利用核磁共振測量其微觀孔隙特征，研究了MS-SCLC力學性能與養護齡期之間的關系，以及微觀孔隙特征與其力學性能之間的關系。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗材料及配合比

水泥：采用海螺牌水泥廠的表觀密度為3 000 kg/m3的P·O42.5水泥，各項指標均符合GB 175—2007/XG1—2009《通用硅酸鹽水泥》中的相關規定。

粉煤灰：采用黑龍江省雙達粉煤灰廠生產的Ⅰ級粉煤灰，各項指標均符合《用于水泥及混凝土中的粉煤灰》GB 1596—2005的規定。

硅灰：采用大連瑞安建筑材料有限公司生產的高活性硅灰。

機制砂：采用產自陜西漢中的機制砂，該砂表觀密度為2 728 kg/m3；堆積密度為1 585 kg/m3，石粉(粒徑小于0.075 mm顆粒)含量為3.6%，細度模數為2.92，壓碎指標為8.3%，亞甲藍值為4.4 g/kg，顆粒級配如表1所示。

表1 機制砂篩分結果Table 1 Screening results of manufactured sand

輕骨料：輕骨料采用產自中國宜昌的700級高強膨脹頁巖陶粒，顆粒大小為5～16 mm的連續級配，表觀密度為700 kg/m3，堆積密度為1 180 kg/m3，筒壓強度為5.5 MPa，24 h吸水率為4.13%，顆粒級配如表2所示。

表2 輕骨料篩分結果Table 2 Screening results of light aggregate

本文中在設計機制砂自密實輕骨料混凝土配合比時參考《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51—2002)、《自密實混凝土應用技術規程》JGJ/T 283—2012和《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)，考慮輕骨料吸水返水特性和機制砂高性能混凝土配制的特點，采用固定砂石體積法和改進的全計算方法統一結合的方法[9]，設計了三種強度等級的機制砂自密實輕骨料混凝土(MS-SCLC30、MS-SCLC40、MS-SCLC50)。三個強度的配合比砂用量系數均為0.41，輕骨料用量系數均為0.52，水膠比分別為0.42、0.37、0.3。具體配合比如表3所示。

表3 不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土配合比Table 3 Mix ratio of self-compacting lightweight aggregate concrete with manufactured sand of different strength

1.2 試驗方法

本文中制作100 mm×100 mm×100 mm的機制砂自密實輕骨料混凝土立方體試塊，在模具中養護48 h后脫模，緊接著在溫度為(20±2) ℃，相對濕度95%以上的環境下養護至規定齡期，分別測定其養護時間為3、7、14、28 d的立方體抗壓強度，劈裂抗拉強度。通過鉆芯取樣從養護時間為3、7、14、28 d的機制砂自密實輕骨料混凝土立方體試塊中心取直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體試樣，經過4 h真空及24 h飽水處理后，利用核磁共振技術測定其內部的孔隙特征。

2 試驗結果及分析

2.1 抗壓強度

圖1為MS-SCLC立方體試件劈裂抗拉試驗破壞形態，圖2為MS-SCLC立方體試件抗壓試驗破壞形態。從圖1可以看到，MS-SCLC劈裂破壞的裂縫不同于采用碎石骨料的混凝土，采用碎石作為骨料的混凝土劈裂破壞的裂縫通常有明顯的鋸齒形，而MS-SCLC的裂縫基本為一條沿著中軸線的直線，并沒有明顯的鋸齒狀。從圖2可以看到，MS-SCLC受壓破壞的破壞形式也與采用碎石骨料的混凝土有所不同。對于采用碎石骨料的混凝土，由于碎石本身的彈性模量與強度較高，相對來說，過渡界面與砂漿部分成為混凝土中較為薄弱的部分，在受壓時碎石不會破壞，所有的破壞都來自砂漿區域與過渡界面；而在MS-SCLC中，輕骨料本身的強度是低于砂漿部分的，因此在受壓破壞時，骨料較砂漿部分更為薄弱，在受力過程中，骨料會先遭到破壞，這也是圖1中劈裂試驗時試件產生的裂縫幾乎為直線的原因。綜合上述分析，MS-SCLC的強度主要取決于砂漿部分的強度。

圖1 劈裂抗拉破壞形態Fig.1 Splitting tensile failure mode

圖2 立方體抗壓破壞形態Fig.2 Cube compressive failure mode

圖3為不同強度MS-SCLC立方體抗壓強度和抗拉強度隨齡期的變化圖。由圖3(a)可以看到，各強度MS-SCLC立方體抗壓強度隨齡期的變化規律大致相同，但在不同強度之間，各個養護時間段，仍存在細微差別。隨著養護時間的增長，各強度MS-SCLC的立方體抗壓強度增長速率均有所減小，但減小的幅度不相同，MS-SCLC30>MS-SCLC40>MS-SCLC50，這一規律在養護時間為14 ～28 d時表現尤為明顯。造成這種情況的原因，是混凝土養護7 d之前，其內部的水化反應劇烈，隨著養護時間的增長，混凝土中所剩余的膠凝材料在不斷減少，水化反應程度相對減弱，因此強度上升速率變得緩慢，從配合比可以看出，MS-SCLC50到MS-SCLC30膠凝材料的量本身是減少的，因此，隨著養護齡期的增加，MS-SCLC30強度上升速率減小幅度最大，MS-SCLC40次之，MS-SCLC50下降最少。從圖3(b)可以看到，MS-SCLC劈裂抗拉強度的上升速率也隨著養護齡期的增長而減小，規律同立方體抗壓強度變化規律相同。

圖3 各齡期機制砂自密實輕骨料混凝土劈裂強度Fig.3 Strength of MS-SCLC at various ages

2.2 孔隙度

本文中采用核磁共振技術測量了各強度MS-SCLC在不同養護齡期時的孔隙結構，不同強度的MS-SCLC在養護時間為3、7、14、28 d時的孔隙度如表4所示。由表4可以看出，無論是哪個強度的MS-SCLC，隨著養護齡期的增長，其孔隙度都是減小的，這是由于隨著養護齡期的增長，膠凝材料的水化反應加劇，所形成水化產物的量增多，這些產物將會填充混凝土中的原有孔隙，使的孔隙度下降。養護時間相同時，強度越高孔隙度越小，分析其原因，是由于隨著強度升高，水灰比減小，膠凝材料用量增加，膠凝材料水化得到的產物較多，MS-SCLC中被填充的孔隙也就更多，因此造成強度越高，MS-SCLC的孔隙度越小的現象。

表4 各齡期下不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土孔隙度Table 4 Porosity of MS-SCLC of different strengths at different ages

在混凝土橫向弛豫時間譜(T2譜)中，存在一個界限值，即T2截止，當T2>T2截止時，對應孔隙中的水為自由流體，當T2

圖4 各齡期下不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土流體飽和度Fig.4 Fluid saturation of MS-SCLC of different strengths at various ages

2.3 T2譜

核磁共振測試技術測量的是試件中流體的核磁共振信號，采用CPMG[10]序列測定混凝土橫向弛豫時間T2，由橫向弛豫時間的分布可以得到混凝土內部孔隙的特征。在多孔結構中，孔徑越大，孔中水的弛豫時間越長，孔徑越小，弛豫時間越短，并且峰面積也與所對應的孔隙的多少有關[11]。圖5為不同強度MS-SCLC在養護時間為3、7、14、28 d時的弛豫時間分布曲線(T2譜)。

圖5 各齡期下不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土T2譜分布曲線Fig.5 NMR T2 spectrum distribution curve of MS-SCLC at different ages

由T2譜可以看出，所有的曲線均有四個峰，均為第一特征峰的信號幅值最大，說明機制砂自密實輕骨料混凝土的內部孔隙主要以小孔隙為主。MS-SCLC30、MS-SCLC40、MS-SCLC50養護時間為3 d時的弛豫時間范圍分別為0.344 896～4 659.526 ms、0.344 896～7 575.25 ms、0.197 917～4 055.461 ms，養護時間為28 d時的弛豫時間分別為0.184 642～1 431.459 ms、0.243 744～4 347.013 ms、0.160 705～1 762.914 ms，由此可以看出，隨著養護時間的增長，MS-SCLC的T2曲線向左偏移，隨著養護齡期的增加，T2曲線的4個特峰中，第一特征峰的變化幅度最大，說明，在養護的過程中小孔隙的變化量最大。對比3 d和28 d的曲線，可以看出隨齡期的增長，各孔徑的孔隙都在減少，且孔徑越小，減少幅度越大，但最終試件中的孔隙還是以小孔隙為主。

2.4 孔徑分布

由混凝土的橫向弛豫時間分布，可以得到其內部孔隙的孔徑分布，公式為

(1)

式(1)中：S為孔隙表面積，cm2；V為孔隙體積，cm3；ρ2為橫向表面弛豫強度，μm/s，因樣品不同而有不同的取值，根據文獻[12]混凝土的ρ2取值為3～10 μm/s，本文中取ρ2=5 μm/s[13]，孔隙近似于球體，因此，S/V=3/r，r為孔隙半徑。由此得到孔徑分布曲線如圖6所示。

圖6 各齡期下不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土孔隙半徑分布曲線Fig.6 Distribution curve of pore radius of MS-SCLC with different strengths at different ages

從圖6可以看出，各強度MS-SCLC在不同養護時間時的孔徑分布圖均為第一特征峰高度最高，面積最大，依次向右面積越來越小。說明無論在哪個養護齡期，內部孔隙都是以小孔隙為主，同T2譜得到的規律一致，且孔徑越大，占比越少。對比不同齡期機制砂自密實輕骨料混凝土孔徑分布曲線，可以看到，曲線第一峰的大小隨齡期的增長呈先減小后增大的趨勢，說明混凝土中小孔隙的占比隨齡期先減少后增多，說明在養護過程中，混凝土中先是小孔隙向中大孔隙轉化，后隨著齡期的增長，再由中大孔隙向小孔隙轉化，使得混凝土密實度越來越好，強度越來越高。

混凝土中出現概率最大的孔徑稱為最可幾孔徑，最可幾孔徑出現的位置對混凝土強度及耐久性都有一定影響，各強度MS-SCLC在不同養護齡期時的最可幾孔徑如表5所示。從表中可以看出，最可幾孔的尺寸隨著強度的升高而減小，隨著養護齡期的增長，最可幾孔尺寸呈波動趨勢，對比3 d與28 d的最可幾孔尺寸，可以看到隨著齡期的增長，最可幾孔的尺寸整體上呈減小趨勢。最可幾孔徑的減小，會使得混凝土的強度有所提升，這里得到的結論與前文T2譜與孔徑分布曲線得到的結論相一致。

表5 各強度機制砂自密實輕骨料混凝土不同齡期時的最可幾孔尺寸Table 5 The most probable hole size of MS-SCLC of different strengths at different ages

3 抗壓強度與孔隙特征之間的關系

3.1 機制砂自密實輕骨料混凝土孔級分布

根據吳中偉[14]院士對孔隙級別的劃分，孔隙半徑小于0.02 μm的為無害孔，孔隙半徑在0.02～0.05 μm的為少害孔，孔隙半徑在0.05～0.2 μm的為有害孔，孔隙半徑大于0.2 μm的為多害孔。MS-SCLC的各類孔徑占比如圖7所示。

圖7 各齡期下不同強度機制砂自密實輕骨料混凝土的孔徑類型分布Fig.7 Pore size distribution of MS-SCLC with different strengths at different ages

從圖7中可以看出，所有混凝土孔隙中，占比最大的是無害孔，多害孔次之，少害孔和有害孔含量較少且相差不大。隨著養護齡期的增長，無害孔的占比呈先減小后增加的趨勢，從3 d到28 d，MS-SCLC30無害孔占比增加了13.39%，MS-SCLC40無害孔占比增加了7.64%，MS-SCLC50無害孔占比增加了1.58%。多害孔的占比呈先增大后減小的趨勢，從3 d到28 d，MS-SCLC30多害孔占比降低了18.81%，MS-SCLC40多害孔占比降低了5.11%，MS-SCLC50多害孔占比降低了2.09%。對比下來，可以看出MS-SCLC50孔級分布相對較好，MS-SCLC30孔級分布相對最差，對混凝土性能影響較大的孔級為有害孔與多害孔級，占比越大對混凝土性能越不利。

3.2 28 d抗壓強度與各影響因素的灰熵關聯分析

灰色系統理論由鄧聚龍[15]教授提出，是在小樣本、貧信息的條件下，在隨機的因素序列中找到其中關聯性的一種分析方法。已有學者的研究證明了此方法的有效性[16]。本文中取機制砂自密實輕骨料混凝土28 d抗壓強度為參考列，各級孔占比、自由流體飽和度、束縛流體飽和度以及孔隙度為比較列，采用灰關聯熵的分析方法[17]對比各孔隙特征參數對機制砂自密實輕骨料混凝土抗壓強度的影響。表6為各強度影響因素與28 d抗壓強度值，灰關聯熵計算結果如表7所示，可以看出，所取各影響因素對機制砂自密實輕骨料混凝土強度的影響都很大，灰熵關聯度均大于0.9。相比之下，與28 d抗壓強度關聯度最大的是有害孔占比，并不是占比最多的無害孔，也不是孔徑最大的多害孔；關聯度最小的是孔隙度，束縛流體飽和度與自由流體飽和度與28 d抗壓強度之間的關聯度相近。

表6 各影響因素與28 d抗壓強度Table 6 Influencing factors and 28 days compressive strength

表7 機制砂自密實輕骨料混凝土各序列關聯度Table 7 Correlation degree of each sequence of MS-SCLC

4 結論

(1)MS-SCLC受力時的破壞形態與普通自密實混凝土大不相同，MS-SCLC受力時，首先遭到破壞的是骨料，其次是砂漿部分，因此MS-SCLC的強度主要取決于砂漿部分的強度。不同強度的MS-SCLC在養護過程中，強度發展規律略有不同，大體上都是隨著養護時間的增加，強度發展速率逐漸減小，但對比不同強度的MS-SCLC，可以看出隨強度的升高，14 d之前的強度發展速率相對更小，14～28 d的強度發展速率相對更大。

(2)隨著養護齡期的增長，MS-SCLC中束縛流體飽和度與自由流體飽和度大小成上下波動的變化形式，但自由流體飽和度始終小于束縛流體飽和度，說明MS-SCLC中的孔隙主要以小孔隙為主。

(3)通過T2譜和孔徑分布曲線可以看出，隨養護齡期的增長，各孔徑的孔隙含量都在減小，且第一特征峰的變化幅度最大，說明孔隙總體含量隨齡期增長而減小，且小孔隙的含量減少最多。從孔級分布來看，MS-SCLC中無害孔的占比最多，其次為多害孔，少害孔與有害孔的含量相差不大。隨齡期增長，無害孔占比增大，混凝土強度增大。

(4)與MS-SCLC 28 d抗壓強度關聯最大的因素是有害孔的占比，之后依次是無害孔占比，束縛流體飽和度、自由流體飽和度、多害孔占比、少害孔占比以及孔隙度。無害孔占比越大，有害孔占比越小，強度越高；束縛流體飽和度越大，自由流體飽和度越小，強度越高。內部孔隙結構對MS-SCLS強度有著非常大的影響，在進行MS-SCLC配合比設計時，應多考慮對孔徑分布影響大的因素，盡量使孔徑分布趨于更優。