預(yù)濕方式對塑鋼纖維輕骨料混凝土工作性及強(qiáng)度的影響

牛建剛， 劉江森， 朱 聰

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 400044)

輕骨料混凝土質(zhì)輕，抗震性能和綜合經(jīng)濟(jì)性能較好，是高層和大跨結(jié)構(gòu)優(yōu)選的材料；然而輕骨料混凝土彈性模量小、徐變和收縮大、易產(chǎn)生脆性破壞，且輕骨料易上浮，使其工作性及可泵送性難以控制[1-2]，這些缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了輕骨料混凝土在土木工程承載結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用.因此，如何有效改善上述缺點(diǎn)，成為眾多學(xué)者研究關(guān)注的課題.針對輕骨料混凝土易產(chǎn)生脆性破壞等力學(xué)缺陷，常規(guī)做法是摻入適量纖維[3-4]，如本課題組[5]摻入廉價(jià)、耐腐蝕的塑鋼纖維(聚丙烯粗纖維)；針對輕骨料易上浮的問題，通常采取的方法是在混凝土制備前對輕骨料進(jìn)行常壓預(yù)濕.輕骨料預(yù)濕程度不同，對輕骨料混凝土各項(xiàng)性能產(chǎn)生的影響有所不同.韓宇棟等[6-9]研究了預(yù)濕輕骨料對混合骨料混凝土早期收縮的影響；季韜等[10]研究了預(yù)濕輕骨料對輕骨料混凝土拉伸徐變的影響；孔麗娟等[11-12]研究了輕骨料預(yù)濕程度對混合骨料混凝土抗凍性能的影響；Lo等[13-15]研究了預(yù)濕輕骨料對輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響.上述研究中輕骨料預(yù)濕過程都是在常壓下進(jìn)行的，然而施工階段輕骨料混凝土的泵送過程存在一定壓力，常壓預(yù)濕的結(jié)果不能很好地應(yīng)用于工程實(shí)踐.Kabay等[16]研究了真空預(yù)濕、浸水預(yù)濕24h、常壓預(yù)濕1h這3種方式對輕骨料混凝土硬化性能的影響，結(jié)果表明：真空預(yù)濕和浸水預(yù)濕24h較常壓預(yù)濕1h更有利于輕骨料混凝土性能的改善，但真空預(yù)濕費(fèi)用高，不利于大規(guī)模推廣.

輕骨料混凝土質(zhì)輕，應(yīng)用在裝配式結(jié)構(gòu)中具有明顯優(yōu)勢，現(xiàn)階段中國正大力推廣裝配式建筑結(jié)構(gòu).如果能有一種簡便易行，且比JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》中常壓預(yù)濕1h更高效的方式來實(shí)現(xiàn)預(yù)濕，那么將對輕骨料混凝土的推廣具有重要意義.

因此，本文設(shè)計(jì)了一種加壓預(yù)濕方法，加壓預(yù)濕時(shí)間小于1h，加壓值為1.5MPa，低于文獻(xiàn)[17]中混凝土干縮最大應(yīng)力值3.2MPa，即1.5MPa不會(huì)對骨料產(chǎn)生不利影響.在加壓和常壓這2種預(yù)濕方式下，通過改變粉煤灰陶粒和頁巖陶粒這2種輕骨料的吸水率，配制塑鋼纖維輕骨料混凝土，重點(diǎn)研究輕骨料吸水率對塑鋼纖維輕骨料混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：蒙西水泥股份有限公司生產(chǎn)的蒙西牌P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥.細(xì)骨料：普通砂，細(xì)度模數(shù)為2.94，堆積密度為1575kg/m3，表觀密度為2460kg/m3，含泥量<3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中所涉及的含量、減水率等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)).塑鋼纖維：浙江寧波大成新材料股份有限公司生產(chǎn)的塑鋼纖維(聚丙烯粗纖維)，長度30mm，密度0.95g/cm3，抗拉強(qiáng)度530MPa，彈性模量7000MPa.外加劑主要是減水劑和引氣劑，減水劑選用鋼鹿牌萘系b2高效減水劑，減水率為20%；引氣劑選用AH-1型引氣劑.粗骨料：一種為包頭市精正建材公司生產(chǎn)的粉煤灰陶粒，另外一種為天津市武清區(qū)彤上輕質(zhì)建材廠生產(chǎn)的頁巖陶粒，二者粒徑均為5～20mm，其性能指標(biāo)見表1.

表1 陶粒的性能指標(biāo)Table 1 Properties of ceramsite

1.2 配合比

鑒于目前工程中C30強(qiáng)度混凝土的使用量較大，本文塑鋼纖維輕骨料混凝土的強(qiáng)度等級設(shè)定為LC30.配合比依據(jù)松散體積法設(shè)計(jì)，見表2.表2中的用水量不包括陶粒中的預(yù)濕水.

表2 塑鋼纖維輕骨料混凝土的配合比Table 2 Mix proportion of plastic-steel fiber lightweight aggregate concrete kg/m3

1.3 測試方法

塑鋼纖維輕骨料混凝土坍落度試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行；抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行；微觀測試采用日本制造的S -3400N掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 輕骨料吸水率

2.1.1輕骨料吸水率測定及現(xiàn)象分析

測定輕骨料常壓(約為0.09MPa，考慮內(nèi)蒙古包頭市海拔1000m)預(yù)濕0.25，0.50，0.75，1.00，3.00，6.00，12.00，24.00h后的吸水率，以及在1.5MPa 壓力下預(yù)濕0.25，0.50，0.75，1.00h后的吸水率，結(jié)果如表3所示.

由表3可知：常壓下，預(yù)濕時(shí)間相同的粉煤灰陶粒吸水率始終高于頁巖陶粒吸水率，并且差距較為明顯；而在1.5MPa壓力下，隨著預(yù)濕時(shí)間的延長，2種陶粒吸水率均較常壓下增加，0.50h后相對穩(wěn)定，并且不再有較大幅度增加.陶粒加壓預(yù)濕的吸水率始終高于相同預(yù)濕時(shí)間下常壓預(yù)濕的吸水率.在2種預(yù)濕條件下，隨預(yù)濕時(shí)間增加粉煤灰陶粒的吸水率均有較小幅度增長，而頁巖陶粒在加壓預(yù)濕時(shí)的吸水率遠(yuǎn)大于其常壓預(yù)濕時(shí).

表3 輕骨料吸水率Table 3 Water absorption ratio of lightweight aggregate w/%

2.1.2試驗(yàn)中陶粒預(yù)濕時(shí)間的選取

根據(jù)陶粒吸水率與吸水時(shí)間的關(guān)系，本試驗(yàn)選用每種陶粒吸水率區(qū)分度較大的4種預(yù)濕時(shí)間：粉煤灰陶粒選取常壓預(yù)濕0.25，1.00，24.00h和1.5MPa壓力下預(yù)濕0.50h，用該預(yù)濕粉煤灰陶粒制備塑鋼纖維輕骨料混凝土，其組別依次記作FLC0.25，F(xiàn)LC1.00，F(xiàn)LC24.00，F(xiàn)LCP0.50；頁巖陶粒選取常壓預(yù)濕0.25，3.00，24.00h和1.5MPa壓力下預(yù)濕0.50h，用該預(yù)濕頁巖陶粒制備塑鋼纖維輕骨料混凝土，其組別依次記作SLC0.25，SLC3.00，SLC24.00，SLCP0.50.

2.2 預(yù)濕程度對輕骨料混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失的影響規(guī)律

測定拌和物分別在0，30，60，90min時(shí)的坍落度，結(jié)果如表4所示.表4中，括號內(nèi)的2個(gè)數(shù)據(jù)前者表示與前一時(shí)刻相比的坍落度損失，后者表示總坍落度損失.

表4 拌和物坍落度經(jīng)時(shí)變化Table 4 Slump of fresh pastes at different times mm

由表4可知：無論是粉煤灰陶粒還是頁巖陶粒，在不同預(yù)濕程度下配制的塑鋼纖維輕骨料混凝土坍落度均隨時(shí)間增加而減小.在90min時(shí)，采用常壓預(yù)濕粉煤灰陶粒制備的塑鋼纖維輕骨料混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失最大值為28mm(FLC0.25)，而采用加壓預(yù)濕頁巖陶粒制備的塑鋼纖維輕骨料混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失最小，僅為10mm(SLCP0.50).混凝土拌和及凝結(jié)過程中水的不斷消耗是引起其坍落度經(jīng)時(shí)損失的原因.加壓預(yù)濕處理后的陶粒吸水率越大，其繼續(xù)吸收水泥漿中水分的能力越有限，所以用其制備的塑鋼纖維輕骨料混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失就越??；而常壓預(yù)濕后的陶粒還會(huì)繼續(xù)吸收水泥漿中的水分，導(dǎo)致其坍落度經(jīng)時(shí)損失較大.

2.3 預(yù)濕程度對輕骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響

測定各試驗(yàn)組在不同齡期時(shí)的立方體抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示.

表5 輕骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度Table 5 Cube compressive strength of plastic-steel fiber lightweight aggregate concretes MPa

由表5可知：在養(yǎng)護(hù)至7，14d時(shí)，拌和前陶粒的吸水率越大，塑鋼纖維輕骨料混凝土試件的立方體抗壓強(qiáng)度越??；當(dāng)養(yǎng)護(hù)至28，56d時(shí)，各組試件的抗壓強(qiáng)度差值變小.采用2種陶粒制備的試件立方體抗壓強(qiáng)度增長率均隨陶粒預(yù)濕程度增加而增加，尤其當(dāng)陶粒經(jīng)1.5MPa加壓預(yù)濕后，試件立方體抗壓強(qiáng)度增幅十分明顯.采用1.5MPa加壓預(yù)濕的2組陶粒制備的試件56d立方體抗壓強(qiáng)度與其常壓組數(shù)據(jù)接近，表明1.5MPa的壓力值并不會(huì)對2種陶粒造成初始損傷.此時(shí)吸水率較小的陶粒會(huì)較多吸收水泥漿中水分，使得其界面過渡區(qū)水灰比較小，對強(qiáng)度有利；而吸水率較大的陶粒，其繼續(xù)吸收水泥漿中水分的能力有限，致使混凝土界面過渡區(qū)水灰比較大，對強(qiáng)度不利.但在中后期時(shí)，各組試件中的水泥水化程度均較高，無論陶粒預(yù)濕程度如何，混凝土界面過渡區(qū)相比輕骨料都具有一定強(qiáng)度優(yōu)勢，受壓時(shí)輕骨料先發(fā)生破壞而成為薄弱環(huán)節(jié).即塑鋼纖維輕骨料混凝土中后期強(qiáng)度與陶粒吸水率關(guān)系不大，而主要與輕骨料自身強(qiáng)度有關(guān).

2.4 SEM微觀分析

由于加壓預(yù)濕對頁巖陶粒吸水率影響較大，對粉煤灰陶粒吸水率影響較小，為了更好地解釋加壓預(yù)濕對2種陶粒的不同影響，通過SEM觀測2種陶粒的原始表面和內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果見圖1，2.

圖1 陶粒的原始表面Fig.1 Outer original surface of ceramsites

圖2 陶粒的原始孔結(jié)構(gòu)Fig.2 Original pore structure of ceramsites

由圖1可以看出，粉煤灰陶粒表面疏松多孔且凹凸不平，而頁巖陶粒表面致密緊湊且較為平整.正是由于陶粒表面結(jié)構(gòu)上的差異，所以常壓下粉煤灰陶粒比頁巖陶粒具有較大的吸水率和較快的吸水速率.從圖2可以看出，粉煤灰陶粒內(nèi)部呈現(xiàn)出較多不規(guī)則大孔并且相互間連通性較好；而頁巖陶粒內(nèi)部多為封閉性的小孔，相互間連通性較差.結(jié)合圖1，2可以較好地解釋為何加壓預(yù)濕對頁巖陶粒吸水率影響較大，而對粉煤灰陶粒吸水率影響較小.

預(yù)濕會(huì)對輕骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生較大影響，而對塑鋼纖維影響較小.為了更好地解釋加壓預(yù)濕對試件立方體抗壓強(qiáng)度的影響，通過SEM觀測了試件SLC0.25，SLCP0.50養(yǎng)護(hù)7，28d后的骨料-漿體界面過渡區(qū)，結(jié)果見圖3.

圖3 試件SLC0.25，SLCP0.50養(yǎng)護(hù)7，28d后的骨料-漿體界面過渡區(qū)形貌Fig.3 SEM images of ITZ between aggregates and cement paste of specimen SLC0.25，SLCP0.50 at 7，28d

由圖3可見，試件SLC0.25和SLCP0.50界面過渡區(qū)水泥水化后的產(chǎn)物均為無定型C-S-H凝膠、針棒狀的鈣礬石(AFt)以及不規(guī)則花瓣?duì)罨蛄奖“鍫畹膯瘟蛐退蜾X酸鈣(AFm)等.

由圖3(a)，(b)可知：常壓預(yù)濕0.25h的頁巖陶粒與漿體界面過渡區(qū)黏結(jié)相對較好；而1.5MPa下加壓預(yù)濕0.50h的頁巖陶粒與漿體界面過渡區(qū)縫隙平齊，結(jié)構(gòu)較疏松.由圖3(c)，(d)可知：養(yǎng)護(hù)28d的SLC0.25和SLCP0.50這2組試件界面過渡區(qū)孔隙和微裂隙均較養(yǎng)護(hù)7d時(shí)減少許多，C-S-H凝膠則由早期的絮凝狀體轉(zhuǎn)變成球狀團(tuán)聚物，相互之間連接更緊密而形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).分析其原因：試件SLC0.25吸水率較低，水泥漿體中水分相對較高，界面過渡區(qū)可從水泥漿體中吸水，從而使得吸收的水分與水泥水化之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；試件SLCP0.50中頁巖陶粒的吸水率較高，界面過渡區(qū)傾向于從頁巖陶粒內(nèi)部吸水，水化更加充分，使得后期這一薄弱界面得以增強(qiáng).在7d時(shí)，試件SLCP0.50界面過渡區(qū)相對試件SLC0.25薄弱；到28d時(shí)，由于試件SLCP0.50中頁巖陶粒持續(xù)返水，2組試件的界面過渡區(qū)致密程度相當(dāng)，故可以較好地解釋采用加壓預(yù)濕陶粒制備的試件立方體抗壓強(qiáng)度增長率相對較快的原因.

3 結(jié)論

(1)常壓預(yù)濕處理下，粉煤灰陶粒吸水率遠(yuǎn)大于頁巖陶粒吸水率；1.5MPa加壓預(yù)濕處理下，粉煤灰陶粒和頁巖陶粒的吸水率都大幅升高，且接近飽和.

(2)塑鋼纖維輕骨料混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失隨著陶粒吸水率的提高而呈減小趨勢.采用常壓吸水率最小的陶粒制備的混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失最大，而采用加壓預(yù)濕陶粒制備的混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失最小.

(3)加壓預(yù)濕對塑鋼纖維輕骨料混凝土早期強(qiáng)度有影響，而對28，56d的中后期強(qiáng)度影響不大.混凝土中后期強(qiáng)度與陶粒吸水率關(guān)系不大，僅與陶粒本身強(qiáng)度有關(guān).

(4)頁巖陶粒表面結(jié)構(gòu)相對緊湊，內(nèi)部孔隙連通性較差，常壓預(yù)濕處理時(shí)水難以滲透到其內(nèi)部孔隙，而加壓預(yù)濕時(shí)由于壓力的存在，水可較好地滲透到其內(nèi)部孔隙；粉煤灰陶粒內(nèi)部呈現(xiàn)出較多連通性較好的大孔，在加壓和常壓預(yù)濕方式下，預(yù)濕水均可較好地滲透到其內(nèi)部孔隙.

(5)加壓組試件界面過渡區(qū)在前期相對薄弱，強(qiáng)度表現(xiàn)較低，而常壓組試件界面過渡區(qū)黏結(jié)相對較好，強(qiáng)度表現(xiàn)較高.但加壓組試件由于預(yù)濕陶粒的持續(xù)返水使得界面過渡區(qū)在后期水化充分，從而彌補(bǔ)了前期的缺陷，使得其后期界面過渡區(qū)與常壓組試件界面過渡區(qū)的致密程度相當(dāng)，兩者強(qiáng)度表現(xiàn)接近.

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