膨潤土對超高性能混凝土性能影響研究

文／吳赟 山東省產(chǎn)品質量檢驗研究院 山東濟南 250000

引言：

隨著現(xiàn)代基礎設施的不斷完善，混凝土作為重要的工程材料，其需求量也是日益增多，讓學術界對其性能的要求也就越來越高[1]。在混凝土拌合之后，由于會受到塑性收縮、自收縮、干燥收縮以及各種收縮的影響，會導致其出現(xiàn)收縮開裂的問題，從而對混凝土的耐久性有不利影響。目前減少混凝土的收縮問題的方法有：摻入膨脹劑補償收縮、摻入纖維、摻入減縮劑等。摻入膨脹劑的混凝土確實可以補償收縮，但是在低水膠比混凝土中的收縮補償效果不太好，無法充分反應。纖維可以在一定程度上減少收縮，但當纖維分布不均時，也不利于混凝土的耐久性。而減縮劑在混凝土的使用，能有效地減少混凝土的收縮，為混凝土收縮的減少提供了穩(wěn)定的方法。

1.實驗

1.1 試劑與材料

超高性能混凝土采用普通硅酸鹽水泥(52.5P·O)、硅灰、石灰粉和膨潤土(bentonite,BT)作為膠凝材料，河砂(0～0.6mm、0.6mm～1.25mm) 作為細骨料和PC-10 聚羧酸系高性能減水劑作為減水劑(固體含量20%)。這些粉體的粒徑分布分析如圖1 所示。此外，還采用了長度為13mm、直徑為0.2mm 的直鋼纖維。

圖1 各原材料的粒徑分布

膨潤土是以蒙脫石為主要成分的黃白色片狀粘土。蒙脫石由兩層硅氧四面體和一層氧化鋁八面體組成，屬于2:1層狀硅酸鹽。八面體和四面體結構中的Al3+和Si4+可以被低價陽離子取代，使蒙脫石晶體層帶負電荷。Na+、Ca2+等陽離子被吸附到層間以平衡蒙脫石表面的負電荷。蒙脫石晶格中陽離子交換的結構特征決定了蒙脫石具有良好的陽離子交換、溶脹、吸附和觸變性等性能。

1.2 試驗配合比

依據(jù)《水運工程混凝土施工規(guī)范》中的規(guī)定合理設計水工混凝土配合比[3]。采用膨潤土等量替代基準配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，對0%、3%膨潤土摻量且水膠比0.36 基準組，通過適當增大或減小用水量把水膠比調整成0.30、0.40，通過控制減水劑摻量將拌合物坍落度調整到180～220mm 范圍內(nèi)。

1.3 試驗方法

1.3.1 流動度

本實驗以（GB/T2419-2005）《水泥膠砂流動度測定方法》為標準對UHPC 的流動度進行測試。首先，將攪拌后的UHPC 漿體倒入上、下孔直徑分別為70mm 和100mm，高度為60mm 的截錐圓模具中，將多余漿體刮去直至與模具上表面齊平。然后以緩慢又均勻的速度將模具垂直向上提起，讓漿體完全流出，待UHPC 漿體流動停止后，測量最長直徑及其垂直直徑并取兩者的平均值為流動度。

1.3.2 塑性收縮實驗

混凝土塑性收縮實驗采用平板開裂法，實驗裝置、試件尺寸以及實驗步驟按照SL/T352-2020《水工混凝土實驗規(guī)程》進行。實驗時，將成型好的試樣放在20±2℃，相對濕度60±5%的室內(nèi)，在風速5±0.5m/s 的風扇吹拂下，24h 后，測量和記錄裂縫的數(shù)量、長度以及寬度。計算單位面積上的總開裂面積，以此數(shù)據(jù)作為指標。

1.3.3 力學性能

本實驗以（GB/T17671-1999）《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》為標準，對UHPC 的力學性能進行測試。UHPC 試塊在48h 蒸汽養(yǎng)護（養(yǎng)護條件，溫度與濕度）后對其抗折強度和抗壓強度進行測試，每個配合比重復測試三次，然后取其平均值為結果。所用力學性能測試的儀器為無錫市的錫東建材設備廠所生產(chǎn)的壓力試驗機（JES-2000A）。

1.3.4 劈裂抗拉強度實驗

混凝土的劈裂抗拉強度混凝土抗壓強度實驗參照SL/T352-2020《水工混凝土實驗規(guī)程》進行，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，養(yǎng)護條件同上。分別測其3d、7d、28d、60d 的劈裂抗拉強度。

2.結果分析

2.1 微觀結構分析

采用膨潤土等量替代基準配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，經(jīng)水化28d 后利用掃描電鏡觀察其內(nèi)部結構。結果發(fā)現(xiàn)，未摻膨潤土組存在大量相互搭接的纖維狀水化硅酸鈣凝膠，內(nèi)部孔隙較多；摻3%膨潤土時，內(nèi)部孔隙明顯減少，這是由于膨潤土吸水膨脹后堵塞內(nèi)部孔隙，混凝土孔隙率明顯下降；摻7%膨潤土時，部分纖維狀結晶相互分散且被包裹，這是因為過多的膨潤土吸附了大量水分，阻礙了水泥水化，使得內(nèi)部C-S-H 凝膠量減少，結構密實度以及C-S-H 的搭接程度下降，水工混凝土抗氯離子滲透性和抗氣體滲透性變差。由于膨潤土的離子交換性能及其對水化產(chǎn)物的包裹作用可以有效地延緩氯離子擴散，相較于抗氣體滲透性其抗氯離子滲透性更優(yōu)。

2.2 流動度

不同膨潤土摻雜含量的UHPC 流動度的結果可以看出，隨著膨潤土的摻入，新拌UHPC 漿體的流動度不斷下降。本實驗中，未摻入膨潤土的UHPC 漿體（標準組）的流動度最高，為261mm。在加入2.5%、5.0%和7.5%的膨潤土后，流動度呈現(xiàn)大幅度的下降，相比于標準組分別了下降了10.3%、32.0%和54.0%。當膨潤土摻入量為10.0%時，此時新拌UHPC 漿體幾乎沒有流動性，漿體的黏聚性較高。上述現(xiàn)象可以從膨潤土作用機制解釋。一方面，膨潤土具有較大的比表面積和層狀的微觀結構，通常通過吸附水分子來降低其表面能，這導致了分散水泥的自由水減少，因此，新拌UHPC 漿體的流動度下降。另一方面，膨潤土因為其特殊結構可以將聚羧酸減水劑吸附在表面。研究了鈉基蒙脫石對水泥流動性的影響及機理，結果表明，鈉基蒙脫石的水泥替代質量分數(shù)為3%時，其對減水劑吸附量是水泥材料的2.16 倍，為18.33mg/g。

2.3 HPC 彈性模量受溫度的影響

通常彈性模量作為研究高性能混凝土動態(tài)力學特性的一種表征參量，高性能混凝土的應力和應變可以通過式（1）和式（2）計算得到，混凝土的彈性模量E 是由實際測到的應力-應變曲線中對應切線率可以表述為和σ=0.4fTC對應的應變的比值[2]。由表1 中的數(shù)據(jù)可知，不同強度等級的高性能混凝土的彈性模量E 在不同沖擊速度作用下，受溫度升高的變化影響很明顯，即使溫度繼續(xù)升高，但是彈性模量下降的速度會越來越慢，最后趨于一致。

小結：等級越高的高性能混凝土在受高溫作用時整體結構的穩(wěn)定性能越差，劣化程度越大；不同強度等級的高性能混凝土的彈性模量E 在不同沖擊速度作用下，受溫度升高的變化影響很明顯；隨著溫度的升高，彈性模量反而明顯下降，但是下降的幅度越來越小。

2.4 抗折強度

為研究鋼纖維摻量對超高性能混凝土抗折強度的影響，針對鋼纖維摻量分別為0%,1%,2%,3%及4%的超高性能混凝土抗折強度變化情況進行對比分析，隨著鋼纖維摻量的增大，超高性能混凝土的抗折強度呈先增后減的變化趨勢，說明鋼纖維的摻入對混凝土的抗壓強度具有增強作用，但摻量不宜過大。未摻入鋼纖維的超高性能混凝土抗折強度為22.7MPa，在分別摻入1%,2%,3%和4%鋼纖維后，超高性能混凝土抗折強度分別增至23.8MPa、38.1MPa、46.3MPa 和36.2MPa，可以看出在摻入1%纖維后，混凝土的抗折強度增幅較小，而纖維摻量由2%增至3%階段增幅效果最為顯著，但纖維摻量超過3%后的增幅效果有所下降，說明纖維摻量超過3%對于改善混凝土抗折強度效果不大，由此說明鋼纖維的最佳摻量為3%，而過量摻入鋼纖維反而會降低混凝土的抗折強度。

2.5 溫度對動態(tài)抗壓強度的影響

高溫SHPB 試驗的影響因素很多，為了保證試驗效果的準確性，本文在相同條件下HPC 動態(tài)抗壓強度平均值作為試驗中的強度。溫度小于250℃，子彈沖擊氣壓為0.3MPa、0.5MPa 時，HPC 動態(tài)峰值在不同強度等級中對應的動態(tài)峰值隨著溫度的升高而增大，變化程度強烈；當溫度為350℃時，動態(tài)峰值應力和常溫下的動態(tài)峰值幾乎一樣；當溫度大于350℃，對應的動態(tài)峰值和溫度反而呈現(xiàn)出負相關關系，通過動態(tài)峰值應力和溫度變化的關系可知，在一定溫度范圍內(nèi)HPC 試件動態(tài)峰值應力隨著溫度的升高而增大，當過了這個溫度臨界值，動態(tài)峰值應力就會隨著溫度的上升而下降。當子彈的沖擊氣壓提升為0.7MPa、1.1MPa 時，溫度小于250℃時，溫HPC 動態(tài)峰值應力受溫度變化的影響并不明顯，當溫度大于250℃時，試件動態(tài)峰值的應力隨著溫度的升高反而不斷下降，兩者的變化情況并不明顯，幾乎一致。究其主要原因是0.7MPa 的子彈沖擊氣壓是HPC 試件常溫下SHPB 試驗中破壞臨界的沖擊氣壓值。由此可知，高性能混凝土動態(tài)抗壓強度和溫度的關系同應變率和溫度的影響關系呈現(xiàn)相反效應。

2.6 工作性能

為研究鋼纖維摻量對超高性能混凝土工作性能的影響，針對鋼纖維摻量分別為0%、1%、2%、3%及4%。隨著鋼纖維摻量的增大，超高性能混凝土的擴展度呈不斷減小的變化趨勢，說明鋼纖維的摻入會降低混凝土的工作性能，主要原因是纖維的摻入增大了水泥漿體間的摩擦力，從而導致混凝土的流動性下降。當鋼纖維摻量由0%增至1%時，混凝土的擴展度由684mm 減至637mm，下降了近47mm，減小幅度相對較大；而鋼纖維摻量由1%增至3%時，混凝土的擴展度由637mm 減至609mm，總體僅下降28mm，減小幅度較小；但鋼纖維摻量由3%增至4%時，混凝土的擴展度由609mm 減至572mm，下降了近37mm，減小幅度顯著增大。由此說明，鋼纖維的摻入會導致超高性能混凝土的擴展度下降，但適量鋼纖維的摻入不會對其工作性能產(chǎn)生太大影響，建議鋼纖維摻量不超過3%。

2.7 含氣量對混凝土氣泡間距系數(shù)的影響

隨著含氣量的增加，混凝土的氣泡間距系數(shù)先減小后增加。當含氣量增加至5.4%時，氣泡間距系數(shù)減小至146.682μm；當含氣量繼續(xù)增大到7.4%時，混凝土的氣泡間距系數(shù)反而增加，增加到191.236μm。這是由于引氣劑主要引入10μm～1mm 的氣泡，引氣劑摻量的增加導致含氣量的增加，則新拌混凝土中的氣泡數(shù)量增加，氣泡間距系數(shù)減小。當含氣量過高時，所引入混凝土中的氣泡過多，小氣泡容易聚齊在一起形成大氣泡，導致大氣泡數(shù)量占總氣泡數(shù)量的比例增加，氣泡間距系數(shù)反而增大。

2.8 減縮劑對混凝土干縮的影響

試樣的干燥收縮發(fā)展的趨勢基本相同，在前14d，干燥收縮迅速發(fā)展，14d 之后趨勢趨于平緩。Mt 多羥基化合物能夠有效地降低混凝土的干燥收縮。效果最好的是當摻量為0.5%的時候，和空白組相比，其1d、3d、7d、21d、28d、35d、42d、49d、56d 的干燥收縮分別降低了46%、32%、30%、23%、26%、27%、27%、26%、28%、26%。隨著齡期的增加，下降的幅度也隨之降低。干燥收縮是混凝土在停止養(yǎng)護后，處于不飽和的濕空氣內(nèi)，內(nèi)部的毛細孔和凝膠孔的吸附水蒸發(fā)而引起的收縮。而減縮劑可以降低孔隙溶液的表面張力，根據(jù)拉普拉斯公式可知，隨著孔隙溶液表面張力的降低，當混凝土毛細孔和凝膠孔蒸發(fā)吸附水而引起的負壓也隨之減小，從起到降低混凝土干燥收縮的效果。

2.9 顆粒級配對混凝土力學性能的影響

從當前的實際情況分析，很多研究人員通過試驗利用機制砂配制混凝土，較之相同條件下應用河砂效果更好，混凝土強度合格。郭丹等人通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著機制砂1.18mm 以上顆粒的不斷增加，配制出來的膠砂的強度也不斷增加，當1.18mm 以上的顆粒含量超過40%時，其膠砂的稠度和強度均大幅提升，所拌制的混凝土在強度方面也有較好的表現(xiàn)。因此，在配制高強度等級的混凝土時，應該選用偏粗的機制砂級配，以此獲得更好的混凝土強度。在配合比參數(shù)設計相同的情況下，采用相同的原材料，僅僅只是在機制砂的顆粒級配方面進行變化，都會對混凝土的力學性能造成較大的影響。因此，混凝土中的組成結構級混凝土的密實性才是影響混凝土強度的關鍵因素。從絕大多數(shù)中高強混凝土進行力學實驗后破碎面的破碎特征中能看出，細集料破壞基本都是在抗壓過程中發(fā)生了斷裂破壞。而1.18mm 是一個關鍵的分界線，1.18mm 篩檔以下的微骨料主要是與水泥一同形成水泥石，對混凝土的受力作用貢獻很小。C80 混凝土屬于高強度混凝土，整體中所含的粉體材料較多，與一般的中低強度混凝土相比，需要更多較粗的顆粒形成微骨架。在配制時需要控制機制砂中1.18mm 以上顆粒含量，最好1.18mm 篩孔篩余量在40-50%，以確保其擁有更好的力學性能。

結語：

（1）隨著膨潤土的摻入，新拌UHPC 漿體的流動度呈現(xiàn)下降趨勢，當膨潤土摻入量為10.0%時，此時新鮮UHPC 漿體幾乎沒有流動性，漿體的黏聚性較高。

（2）當膨潤土含量為5.0%以下時，UHPC 基體的抗壓強度約為120MPa；隨著膨潤土含量的增加，UHPC基體的抗折強度變化不大仍舊保持在13MPa～14MPa范圍內(nèi)。

（3）隨著膨潤土摻入量的逐步增加，UHPFRC 的抗折強度分別提高了9.0%、17.6%、18.5%和6.1%。此外，當膨潤土摻入量為2.5%和5.0%時，兩者抗壓強度在160MPa 左右波動，仍舊具有優(yōu)異的力學性能。

（4）摻入膨潤土的UHPFRC 的鋼纖維使用效率始終大于未摻入膨潤土的UHPFRC。此外，隨著膨潤土摻量的增加，UHPFRC 的鋼纖維的使用效率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。

（5）水工混凝土的電通量與氣體滲透系數(shù)呈顯著正相關性，摻入適量的膨潤土可在一定程度上降低水工混凝土孔隙。

高性能輕質混凝土具有輕質高強、保溫隔熱、節(jié)能環(huán)保、高耐久性等優(yōu)勢，在未來的裝配式結構、建筑節(jié)能、特殊環(huán)境下的結構加固、恒載限制的結構工程中的應用具有巨大的開發(fā)前景。本文從力學性能、導熱性能和耐久性方面闡述了輕質混凝土的增強工藝和主要參數(shù)，得出可采用多種增強工藝協(xié)同的方法使普通輕質混凝土增強，優(yōu)化性能參數(shù)，提升制備工藝?？偨Y分析了高性能輕質混凝土應用現(xiàn)狀和前景，高性能輕質混凝土的性能優(yōu)勢為建筑工程、高速鐵路和橋梁工程的安全高質量建設提供了更好的條件。本文提出的高性能輕質混凝土性能增強方法及性能參數(shù)，可為輕質混凝土材料的優(yōu)化和工程應用提供參考。