外摻膨潤(rùn)土對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

劉 睿，陳志寬，葉 暉，鄧 苗

(中國(guó)人民解放軍95979部隊(duì)教研部，山東 泰安 271207)

1 引言

據(jù)研究表明，在混凝土中摻加天然礦物或纖維材料等輔助材料具有不可替代的作用[1, 2]。如將適量且一定細(xì)度的天然火山灰摻入混凝土中，對(duì)提高混凝土結(jié)構(gòu)的致密性以及抵抗有害物質(zhì)，如氯離子擴(kuò)散有較好的效果[3～6]。膨潤(rùn)土是一種天然的火山灰，主要由蒙脫土組成。根據(jù)陽(yáng)離子種類組成不同，可分為鈉基膨潤(rùn)土和鈣基膨潤(rùn)土。已有研究表明：用鈉基膨潤(rùn)土代替水泥的效果比鈣基膨潤(rùn)土好[7～9]。我國(guó)膨潤(rùn)土資源蘊(yùn)藏非常豐富，使用膨潤(rùn)土替代部分水泥將有助于減少溫室氣體排放[10～12]。因此，有必要研究摻膨潤(rùn)土后混凝土試件的基本力學(xué)性能，以期為工程實(shí)踐應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

已有學(xué)者開(kāi)展了外摻膨潤(rùn)土對(duì)砂漿和混凝土性能的影響研究。結(jié)果表明，膨潤(rùn)土可以改善膠凝材料的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性[13, 14]。此外，還有學(xué)者研究了膨潤(rùn)土砂的漿抗硫酸侵蝕性能[15]。蔣林華等[16]探究了水膠比與不同膨潤(rùn)土摻量對(duì)水泥砂漿彈性模量的影響。MEMON等[17]對(duì)混凝土中膨潤(rùn)土的摻量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明以膨潤(rùn)土部分代替水泥為建筑材料的方法可行，但并未建議最優(yōu)摻量。MIRZA等[18]建議了膨潤(rùn)土摻入量應(yīng)控制在25%以下，以保證混凝土的強(qiáng)度。KACI等[19]還研究了膨潤(rùn)土對(duì)新拌砂漿的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，膨潤(rùn)土可有效改善新拌砂漿的微觀結(jié)構(gòu)。上述研究多圍繞摻膨潤(rùn)土的抗?jié)B性能研究，由于混凝土組成材料的離散性，不同強(qiáng)度或使用要求下，膨潤(rùn)土的最佳摻量將有所區(qū)別，針對(duì)摻膨潤(rùn)土的混凝土抗壓性能和最優(yōu)摻量仍需進(jìn)一步研究。

本文旨在評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土部分替代水泥的可行性。首先，介紹了材料基本參數(shù)和試件制備方法。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)并進(jìn)行了討論，分析了膨潤(rùn)土摻量和水灰比2個(gè)因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，最后從微觀角度揭示了膨潤(rùn)土對(duì)混凝土水化反應(yīng)的影響。本研究可為膨潤(rùn)土在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材料

本文采用長(zhǎng)沙新星水泥廠生產(chǎn)的P·O 32.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模量為2.3；粗骨料采用天然石灰石，最大粒徑為19mm，密度為2680 kg/m3；采用萘系減水劑，減水率為20%；混凝土試件強(qiáng)度按C30設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)采用鈉基膨潤(rùn)土作為水泥替代材料。試驗(yàn)所用的鈉基膨潤(rùn)土從南京藍(lán)科環(huán)保凈水材料廠獲得，樣品通過(guò)200目篩網(wǎng)篩分。膨潤(rùn)土的化學(xué)成分組成如表1所示。

表1 膨潤(rùn)土的成分

2.2 試件制備

本試驗(yàn)使用2種不同水灰比(即W/C=0.36或0.55)分別制備了5組不同的立方體混凝土試件，每組3個(gè)試件，共30個(gè)試件。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，如圖1所示。試件編號(hào)為L(zhǎng)N-BX。其中，LN(N取值為1或2)分別表示水灰比為0.36或0.55，BX表示已被膨潤(rùn)土取代的水泥量，以百分比表示。如L1B5表示該試件的水灰比為0.55，膨潤(rùn)土替代水泥的質(zhì)量比為5%。混凝土抗壓強(qiáng)度試件配合比如表2所示。所有混凝土試件均保存于養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度21±1 ℃，相對(duì)濕度95%，養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)日。分別在第7、14、28 d后對(duì)混凝土立方體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的試件

表2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)混凝土試件配合比

3 結(jié)果與討論

3.1 混凝土抗壓試驗(yàn)現(xiàn)象

圖2為試件抗壓試驗(yàn)破壞時(shí)的照片。10組試件在加載過(guò)程中的破壞規(guī)律相似，由于液壓機(jī)的壓板與混凝土試件受壓面形成了摩擦，因此試件破壞有較明顯的“環(huán)箍效應(yīng)”。由于混凝土是脆性材料，在試件受壓過(guò)程中伴有響聲出現(xiàn)，當(dāng)達(dá)到極限強(qiáng)度破壞時(shí)，響聲較明顯。

圖2 抗壓試驗(yàn)試件破壞

3.2 混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2019)進(jìn)行測(cè)定[20]。圖3為各試件在不同齡期下的抗壓強(qiáng)度分布。由圖3可知，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)，混凝土試件抗壓強(qiáng)度不斷增加。當(dāng)水灰比一定時(shí)，對(duì)于任意摻量膨潤(rùn)土的混凝土試件，每組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增加。以L1B5組試件為例，其在7 d的抗壓強(qiáng)度為23.06 MPa，而在14 d與28 d的抗壓強(qiáng)度分別為28.3 MPa與30.5 MPa，對(duì)比增長(zhǎng)了22.7%與32.3%。此外，在養(yǎng)護(hù)齡期至14 d后，各組試件的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加呈現(xiàn)增速緩慢的現(xiàn)象，這主要是由于混凝土的水化反應(yīng)在此階段已處于基本完成狀態(tài)。

圖3 不同水灰比與不同齡期下試件的抗壓強(qiáng)度

3.3 混凝土抗壓強(qiáng)度與膨潤(rùn)土摻量關(guān)系

圖4給出了不同W/C和養(yǎng)護(hù)齡期下，試件抗壓強(qiáng)度隨膨潤(rùn)土取代量變化的關(guān)系曲線。由圖4可知，當(dāng)W/C為0.36時(shí)，除L1B15試件在7d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度略高于未摻膨潤(rùn)土的標(biāo)準(zhǔn)試件(L1B0)外，其他試件(即L1B5、L1B10與L1B20)在各養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)試件L1B0(圖4(a))。此外，當(dāng)W/C為0.55時(shí)，各組摻有膨潤(rùn)土的試件(即L2B5、L2B10、L2B15與L2B20)在各養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)試件L2B0(圖4(b))。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要為：膨潤(rùn)土等量取代了混凝土中部分水泥，導(dǎo)致參與水化反應(yīng)的水泥量減少，水化過(guò)程中生成的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠(即水化硅酸鈣)的含量相應(yīng)減小。水化產(chǎn)物C-S-H凝膠是粘結(jié)混凝土中粗細(xì)骨料主要物質(zhì)，因此摻有膨潤(rùn)土的試件內(nèi)部骨料粘結(jié)度與標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件相比要低，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低。另一方面，對(duì)于28 d齡期試件，隨膨潤(rùn)土摻量增加，試件抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，膨潤(rùn)土摻量為10%的L1B10或L2B10試件抗壓強(qiáng)度均高于其他試件。這表明在膨潤(rùn)土摻量為5%～15%時(shí)，可能存在一個(gè)最優(yōu)摻量使得摻膨潤(rùn)土試件的抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)試件差距不明顯。因此，本試驗(yàn)建議的最優(yōu)膨潤(rùn)土摻量為10%。

圖4 不同齡期試件抗壓強(qiáng)度隨膨潤(rùn)土取代量變化規(guī)律

3.4 混凝土抗壓強(qiáng)度與水灰比關(guān)系

圖5表征了混凝土試件的抗壓強(qiáng)度與W/C的關(guān)系。由圖5可知，不論膨潤(rùn)土摻量的占比如何取值，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度均隨W/C的增加而降低，W/C=0.55試件的抗壓強(qiáng)度低于W/C=0.36試件。如對(duì)于5%膨潤(rùn)土摻量試件，在14 d的養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，W/C=0.36試件的抗壓強(qiáng)度為28.3 MPa，而W/C=0.55試件的抗壓強(qiáng)度為19.8 MPa，降幅為30%(圖5(b))。這主要是因?yàn)樵赪/C=0.55(此時(shí)水灰比較高)條件下，試件內(nèi)部混凝土的水化產(chǎn)物不能將骨料完整的粘結(jié)起來(lái)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度差。此外，W/C=0.55的試件水分蒸發(fā)后生成的孔洞更多，進(jìn)一步影響了試件的抗壓強(qiáng)度。由圖5可知，當(dāng)W/C為0.36時(shí)，摻膨潤(rùn)土的試件與標(biāo)準(zhǔn)試件(L1B0)相比，抗壓強(qiáng)度的損失量均小于10%，而當(dāng)W/C為0.55時(shí)，摻膨潤(rùn)土的試件與標(biāo)準(zhǔn)試件(L2B0)相比，抗壓強(qiáng)度的損失量均大于25%。這表明W/C對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響大于膨潤(rùn)土取代量的影響。

圖5 混凝土抗壓強(qiáng)度隨水灰比變化規(guī)律

3.5 SEM微觀分析

采用掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscopy，SEM)對(duì)試件進(jìn)行微觀分析，以W/C為0.36的試件為例進(jìn)行說(shuō)明。圖6為試件L1B0至L1B20的水化過(guò)程顯微照片。由圖6可知，不含膨潤(rùn)土的標(biāo)準(zhǔn)試件L1B0水化反應(yīng)比較完全，水化產(chǎn)物中的水合硅酸鈣(C-S-H)與氫氧化鈣(CH)交織，氫氧化鈣存在富集現(xiàn)象，且可觀察到微量針狀鈣礬石(Aft)分布(圖6(a))。試件L1B5的水化反應(yīng)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)試件L1B0類似，但試件L1B5的水化產(chǎn)物表面更致密，C-S-H凝膠基本以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為主，僅有少量針狀A(yù)ft分布(圖6(b))。與試件L1B0與L1B5相比，試件L1B10的水化反應(yīng)相對(duì)完全，含有較少的水化顆粒，表面較為均勻，水化產(chǎn)物CH含量顯著降低(圖6(c))。這主要是由于膨潤(rùn)土參與水化反應(yīng)消耗了部分CH，使得結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。L1B15試樣表面呈現(xiàn)出C-S-H與CH交錯(cuò)，中間夾有一定量的AFt現(xiàn)象(圖6(d))。膨潤(rùn)土含量最高的L1B20試件水化反應(yīng)完全，表面較為均勻致密，未見(jiàn)到孔隙與裂縫，可觀察到少量CH均勻分布(圖6(e))。上述SEM結(jié)果表明，膨潤(rùn)土的加入可以消耗水泥水化反應(yīng)生成的CH，進(jìn)一步降低CH的含量，并且膨潤(rùn)土可使結(jié)構(gòu)更為均勻致密。

圖6 試件水化產(chǎn)物的SEM

4 結(jié)論

本文對(duì)于摻膨潤(rùn)土的混凝土試件進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)研究和SEM掃描電鏡微觀分析，揭示了摻膨潤(rùn)土試件的受壓失效模式，討論了試件抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期、膨潤(rùn)土摻量及水灰比的關(guān)系，表征了膨潤(rùn)土對(duì)混凝土水化反應(yīng)的影響，主要結(jié)論如下：

(1)試件的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)而增強(qiáng)，不同膨潤(rùn)土摻量的試件其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率不同，試件養(yǎng)護(hù)至14d后，抗壓強(qiáng)度的增速隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)減緩趨勢(shì)。

(2) 摻入的膨潤(rùn)土等量取代了混凝土中部分水泥，導(dǎo)致參與水化反應(yīng)的水泥量減少，摻膨潤(rùn)土試件在各養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度均低于標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件。

(3) 試件的抗壓強(qiáng)度均隨水灰比的增加而降低，水灰比對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度影響大于膨潤(rùn)土摻量的影響。本文建議的膨潤(rùn)土最優(yōu)摻量為10%。

(4) 膨潤(rùn)土在混凝土水化反應(yīng)后期，與水化產(chǎn)物氫氧化鈣(CH)反應(yīng)，從而消耗了大量氫氧化鈣(CH)，并生成了的水合硅酸鈣(C-S-H)凝膠，從而降低了混凝土的孔隙率，使得混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密。

本文僅開(kāi)展了摻膨潤(rùn)土混凝土試件的抗壓強(qiáng)度研究，然而膨潤(rùn)土的主要作用是提升混凝土的抗氯離子滲透能力，以后將圍繞摻膨潤(rùn)土對(duì)混凝土試件抗氯離子滲透性能的影響規(guī)律展開(kāi)深入地研究。