減振集料對高強混凝土的收縮性能影響*

田耀剛,朱 琳，王帥飛，楊婷婷，賈 侃，李煒光

(1. 長安大學 材料科學與工程學院， 西安 710064; 2. 長安大學 信息工程學院，西安 710064;3. 西南石油大學 土木工程與建筑學院， 成都 610500)

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減振集料對高強混凝土的收縮性能影響*

田耀剛1,朱 琳2，王帥飛1，楊婷婷3，賈 侃1，李煒光1

(1. 長安大學 材料科學與工程學院， 西安 710064; 2. 長安大學 信息工程學院，西安 710064;3. 西南石油大學 土木工程與建筑學院， 成都 610500)

基于輕集料多孔可吸附性，采用常壓與負壓浸泡兩種方法將不同阻尼材料(水和聚合物乳液)導入多孔輕集料中制備出減振集料并用于配制高強混凝土，在分析減振集料等體積取代普通集料對混凝土強度和阻尼功能影響的基礎上，重點研究其引入對混凝土內部濕度與收縮性能影響，并結合SEM與MIP分析其微觀結構。結果表明：摻加適量減振集料可顯著提高混凝土阻尼功能而不明顯降低其強度，減振集料可發揮內養護作用并明顯改善混凝土收縮性能，延長膨脹劑作用時間，優化水泥石孔隙結構。

減振集料；阻尼功能；高強混凝土；收縮

0 引 言

廣泛應用于大跨橋梁與軌道交通等基礎設施中的高強混凝土長期承受高速大流量交通重載、風荷載或水浪荷載激勵引發的強振動作用，由于混凝土減振性能差，其內部原始微裂縫和缺陷在外部振動長期作用下會產生擴展與損傷積累，嚴重影響結構物的安全性和使用壽命[1-3]。近年來，國內外學者在改善混凝土減振性方面開展了一些研究，發現通過摻入聚合物乳液、橡膠粉或其它高阻尼材料，以及集料表面弱化等技術可明顯提高混凝土減振性，但同時其力學性能存在不同程度降低[4-9]。

收縮是水泥混凝土材料的固有時效特性，也是導致混凝土結構物開裂、性能劣化的主要因素之一。收縮裂縫在外界激勵荷載作用下會加速擴展，進一步加速混凝土性能劣化，甚至導致結構失效。采用低水膠比、高膠凝材料制備的高強混凝土更易出現早期收縮開裂。雖然目前已有大量關于混凝土收縮性能的研究[10-13]，然而針對減振混凝土收縮性能的研究較少。我國交通基礎設施建設不斷加快，高速、重載、大流量交通特點明顯，開展適于振動環境條件下混凝土收縮性能的研究具有重要意義。本文基于多孔集料的可吸附性與聚合物材料的高阻尼特征，采用不同的導入技術制備出減振集料并用于制備高強混凝土，研究減振集料分別對未摻和摻加膨脹劑的高強混凝土收縮性能影響，為長期處于振動環境條件下基礎設施的混凝土設計與制備提供參考。

1 原材料與實驗

1.1 原材料

水泥(C)：P.O42.5級水泥，表觀密度3.15 g/cm3；粉煤灰(FA)：Ⅱ級灰，需水量比95%。水泥與粉煤灰的化學組成和物理性能見表1。膨脹劑：粉狀UEA膨脹劑。

表1 原材料的化學組成和物理性能

Table 1 Chemical composition and physical properties of raw materials

LabelWt/%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Lossspecific-surfacearea/m2·kg-1Cement21.475.804.0459.643.242.082.44360FA45.3833.535.293.162.810.435.30380

普通集料：粒徑5～25 mm，連續級配，含泥量為0.20%，壓碎值為8.30%。細集料：河砂，細度模數2.80，Ⅱ區。

減振集料：采用常壓或負壓浸泡方式將聚合物乳液和水導入輕集料制備而成，輕集料基本性能見表2。減振集料制備方法為：(1) 常壓條件下將輕集料放入水中浸泡30 min，表面瀝干待用，用LW標識；(2) 將輕集料置于真空容器內抽真空至0.08 MPa，導入聚合物乳液并保持真空值不變10 min，表面瀝干待用，用LP標識。

表2 輕集料的主要性能

聚合物乳液：苯丙乳液(P)，固含量49%，pH值為7～9。

1.2 實驗測試方法

1.2.1 阻尼功能與強度測試

阻尼功能采用B&K 公司Pulse labshop測試分析系統，試件尺寸為10 cm×10 cm×40 cm，成型后標準條件養護至28 d齡期進行測試。試件用彈性尼龍繩懸掛在穩固基座上，采用力錘敲擊激振，傳感器固定與力錘激勵位置在試件側面中心位置，如圖1所示。阻尼比(ζ)采用半功率帶寬法計算[14]，計算公式為

ζ=(f1-f2)/(2×f0)

式中，f0為共振頻率，Hz；f1和f2為共振峰值0.707倍對應頻率，Hz。每個試樣測試3次，結果取平均值。抗壓強度依據GB/T50081-2002測試。

圖1 阻尼測試示意圖

圖2 濕度測試試件

1.2.2 收縮測試

收縮實驗采用10 cm×10 cm×30 cm試樣，每組3個試件，1 d后拆模并在溫度(20±2) ℃，相對濕度(60±5)%條件下養護，至規定齡期使用外徑千分尺測定試件，精度0.01 mm。

1.2.3 內部濕度測試

使用帶桿式探頭濕度傳感器測量混凝土內部濕度值，成型15 cm×15 cm×15 cm試件并預留測試孔，孔深8cm，如圖2。在溫度(20±2) ℃，相對濕度(60±5)%條件下養護，試件表面密封以防止水分蒸發。至規定齡期將濕度傳感器插入混凝土預留孔中，待顯示數據穩定后記錄。

1.2.4 微觀測試

將直徑為5～10 mm減振集料、普通集料和水泥凈漿按混凝土配合比例拌合并成型，24 h脫模后在標準條件下養護，至規定齡期后劈開試樣，挑出水泥石與輕集料和普通集料粘結的試樣并終止水化。采用SEM與MIP進行微觀形貌和孔隙結構分析。

1.3 實驗配合比

混凝土凈水膠比0.31(不包含減振集料吸附水分)，減水劑摻量為膠凝材料總量1.0%，河砂690 kg/m3，未摻加減振集料的基準混凝土普通集料用量為1 050 kg/m3，減振集料按不同比例等體積取代普通集料，實驗配合比如表3所示。

表3 混凝土實驗配合比

2 實驗結果與分析

2.1 減振集料種類對混凝土強度、阻尼及收縮性能的影響

摻入不同種類減振集料對混凝土強度、阻尼及收縮性能影響及其與同強度等級普通混凝土和聚合物改性混凝土的性能對比見圖3所示。

由圖3結果可知，與普通混凝土相比，摻入兩種減振集料均可明顯改善混凝土阻尼性能而不明顯降低其抗壓強度，其中LP減振集料對混凝土阻尼性能改善更明顯；直接加入聚合物雖可顯著提高混凝土阻尼性能但其強度降低明顯；摻加減振集料與改性聚合物均可降低混凝土收縮，其中減振集料減縮效果更明顯，減振集料LP比LW減縮效果稍好。

混凝土收縮主要由膠凝材料水化反應消耗體系水分以及混凝土內部毛細孔水分逸失形成的壓力所致。在膠凝材料組成、凈水膠比與養護條件相同時，混凝土宏觀體積變形量主要取決于其內部毛細孔內水分變化。采用常壓飽水與負壓吸附聚合物乳液處理制備的減振集料，其內部吸附有大量水分，可發揮內養護作用，在水泥混凝土凝結硬化過程中可不斷釋放所吸附水分、減少混凝土內部毛細孔內水分逸失，從而降低由此引發的混凝土宏觀體積變形。這一結論可由圖4所示的相應混凝土內部相對濕度測試結果得到進一步證實。由圖4所示結果可知，同齡期各組混凝土內部相對濕度大小依次為：摻LP減振集料混凝土(PDC1)>摻LW減振集料與聚合物改性混凝土(GDC)>摻LW減振集料混凝土(WDC)>普通集料混凝土(NC0)。

圖3 集料種類對混凝土性能影響

Fig 3 Effect of different aggregate on properties of concrete

圖4 集料種類對混凝土內部相對濕度影響

Fig 4 Effect of different aggregate on internal RH of concrete

2.2 減振集料摻量對混凝土收縮性能影響

圖5為僅變化減振集料摻量對混凝土收縮性能的影響結果。由結果可知，減振集料摻量對混凝土收縮性能影響明顯。減振集料摻量不超過45%時，增大其摻量可進一步降低混凝土的收縮，超出這一范圍，增大減振集料摻量則會出現混凝土收縮增大的現象。這主要是因為普通集料結構致密、彈性模量高，對水泥石的收縮變形有限制作用；經處理的減振集料含有大量水分，可發揮內養護作用，降低水泥水化對毛細孔水的消耗，進而減小混凝土收縮。減振集料摻量越大，發揮內養護作用時間越長，混凝土的收縮就越小。然而，減振集料為多孔結構，其彈性模量低。在粗集料用量不變的條件下，增大減振集料會降低普通集料用量，削弱高彈性模量普通集料對混凝土收縮的限制作用，從而表現出當減振集料用量超出一定范圍后繼續增大摻量會導致混凝土收縮變大。

圖5 減振集料摻量對混凝土收縮影響

Fig 5 Effect of dosage of damping aggregate on shrinkage of concrete

2.3 減振集料對摻加膨脹劑混凝土收縮性能影響

減振集料對摻加膨脹劑混凝土收縮性能影響結果如圖6。由結果可知，摻加膨脹劑可使混凝土在早齡期產生一定膨脹變形，隨著齡期延長其膨脹量逐漸降低；摻入減振集料對混凝土膨脹變形持續時間影響顯著，基準普通混凝土早期產生一定膨脹后短期內便開始出現收縮現象，而摻加LP和LW減振集料混凝土膨脹變形持續時間顯著延長且其收縮趨勢明顯降低。這是由于在水膠比相同的條件下，減振集料吸附的大量水分可為水泥和膨脹劑水化反應提供水分，同時降低對混凝土毛細孔中水分消耗，從而延長膨脹劑作用時間并降低混凝土收縮；這一效應與減振集料吸附水分相關，所以摻加膨脹劑混凝土收縮與其內部相對濕度表現出相同規律。

圖6 減振集料對摻加膨脹劑混凝土收縮影響

Fig 6 Effect of damping aggregate on shrinkage of concrete with expansive agent

3 減振集料混凝土的微觀性能

3.1 SEM

混凝土中集料與水泥石間的界面過渡區是影響其宏觀性能的重要因素。普通集料為結構致密的親水性材料，混凝土攪拌成型與凝結過程中易在普通集料表面形成水分富集區，導致普通集料與水泥石間界面過渡區水膠比增大、硬化結構疏松，如圖7所示。減振集料的多孔結構具有吸附并存儲液體能力，其對液體吸附量隨時間延長而增加，可在混凝土成型與凝結過程中吸附周圍的水分并在后期水化硬化過程中補給水化用水，使減振集料與水泥石間界面過渡區水膠比降低、硬化結構密實，如圖8所示。

圖7 與普通集料粘結水泥石界面SEM

Fig 7 SEM of cement paste bonded with normal aggregate

圖8 與減振集料粘結水泥石界面SEM

Fig 8 SEM of cement paste bonded with damping aggregate

減振集料吸附有大量水或聚合物，可提高混凝土內部水含量，增大其阻尼功能[15]；吸附于多孔集料中的聚合物乳液可在水泥水化過程中失水成膜，如圖9所示。聚合物本身為高阻尼材料，成膜于集料孔隙中的聚合物可在振動作用下通過其分子鏈段運動以及與多孔集料孔壁摩擦等方式耗散振動能，同時消除聚合物與水泥石大面積直接接觸對混凝土強度的不利影響。此外，多孔減振集料表面粗糙且存在大量溝槽，可顯著增加減振集料與水泥石的接觸和摩擦面積，提高其強度與阻尼功能。因此，摻加減振集料可顯著提高混凝土阻尼功能而不致其強度明顯降低。

圖9 減振集料孔隙內聚合物膜SEM

3.2 MIP

實驗研究了減振集料對混凝土孔隙結構的影響，試件采用普通集料或減振集料與水泥凈漿按比例拌合，編號為NM、WDM、PDM1和GDM，分別與NC0、WDC、PDC1和GDC混凝土對應。到28 d齡期，從距離集料表面5mm以內選取水泥石樣進行孔結構分析并與減振集料(LWA)對比，結果見表4。

表4 孔結構實驗結果

由表4結果可知，與普通集料試樣NM相比，摻加減振集料試樣的平均孔徑和孔隙率均有所降低。這是由于減振集料的內養護作用可使水泥能更充分地水化，新生成的水化產物能填充水泥石中的毛細孔，降低大孔所占比例，增大小孔數量并減小平均孔徑和孔隙率。

已有的研究表明[16]，吸附于多孔集料的水分可以通過傳輸降低水泥石收縮。依據毛細原理，溶液總是從大孔徑向小孔徑毛細孔轉移。由表4結果可知，減振集料的平均孔徑和孔隙率遠大于水泥石。因此，在摻減振集料混凝土中，減振集料中水分可不斷向水泥石的毛細孔中傳輸，補償水泥凝結硬化過程中的水分消耗，有效延緩水泥石毛細孔中相對濕度的降低，減小毛細孔應力，宏觀上表現為混凝土內部濕度的緩慢降低和收縮減小。采用負壓處理的LP減振集料吸附水分大于常壓浸泡處理LW減振集料，改性聚合物可均勻分散到水泥石中，提高混凝土密實性，降低水分向外界逸失，所以用聚合物改性并摻加LW減振集料混凝土的內部濕度介于僅摻加LP或LW減振集料混凝土之間。對于基準普通混凝土而言，由于在水泥水化硬化過程中缺乏有效的水分補給，不得不消耗水泥毛細孔中水分，表現出同齡期混凝土內部濕度快速降低和收縮增大。見圖3(b)和圖4所示結果。

4 結 論

(1) 摻入適量減振集料可顯著提高混凝土的阻尼功能而不明顯降低其強度，采用聚合物對混凝土進行改性雖可顯著提高其阻尼功能但會明顯降低其強度。

(2) 摻加減振集料可降低混凝土的收縮，提高混凝土內部相對濕度；在一定范圍內，混凝土收縮隨減振集料摻量增加而降低，超出這一范圍，提高減振集料摻量增大混凝土收縮。

(3) 摻入減振集料可有效延長膨脹劑的膨脹作用時間，顯著降低混凝土收縮并改善集料與水泥石界面粘結性能，降低水泥石的孔隙率。

[1] Mülker-Kaustell，Karoumi R. Application of the continuous wavelet transform on the free vibrations of a steel-concrete composite railway bridge [J]. Engineering Structures, 2011, 33(33): 911-919.

[2] Dilena M，Morassi A，Perin M. Dynamic identification of a reinforced concrete damaged bridge [J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2011, 25(8):2990-3009.

[3] Wen Jie, Wang Yuanfeng. The influence of damping change on dynamic response of concrete-filled steel tubular arch bridges [A].The proceedings of the 4th international conference on advances in steel structures[C]//Shanghai: Elsevier Science Ltd, 2005:1675-1680.

[4] Pan T，Melgar C，Robinson T. Damping capacity of styrene-butadiene latex admixed concrete: a micromechanical study [J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2012, 24(9):1237-1244.

[5] Wong W G, Ping Fang, Pan J K. Polymer effects on the vibration damping behavior of cement [J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2003, 15(6):554-556.

[6] Zheng L, Sharon Huo X, Yuan Y. Experimental investigation on dynamic properties of rubberized concrete [J]. Construction and Building Materials, 2008, 22(5):939-47.

[7] Jinping O, Tiejun L, Jilong L. Dynamic and seismic property experiments of high damping concrete and its frame models [J]. Journal of Wuhan University of Technology (Material Science), 2008, 23(1):1-6.

[8] Ou J P, Liu T J, Li J H. Analysis of the damping behavior and microstructure of cement matrix with silane-treated silica fume [J]. Journal of Wuhan University of technology(Material Science), 2006, 21(2):1-5.

[9] Xu L F, Xiao H L, Chung D D L. Improving the vibration damping capacity of cement [J]. Journal of Materials Science,1998, 33(14):3601-3605.

[10] Collepardi M，Borsoi A，Collepardi S. Effects of shrinkage reducing admixture in shrinkage compensating concrete under non-wet curing conditions [J]. Cement and Concrete Composites, 2005, 27(6): 704-708.

[11] Holt E. Contribution of mixture design to chemical and autogenous shrinkage of concrete at early ages [J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(3): 464-472.

[12] Ding Qingjun, Tian Yaogang, Hu Shuguang. Autogenous shrinkage of high strength lightweight aggregate concrete [J]. Journal of Wuhan University of Technology (Material Science), 2005(4): 123-125.

[13] Castro J，Keiser L，Golias M. Absorption and desorption properties of fine lightweight aggregate for application to internally cured concrete mixtures [J]. Cement and Concrete Composites, 2011, 33(10): 1001-1008.

[14] Papagiannopoulos G A，Hatzigeorgiou G D. On the use of the half-power bandwidth method to estimate damping in building structures [J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2011, 31 (7):1075-1079.

[15] Swamy N，Rigby G. Dynamic properties of hardened paste, mortar and concrete [J]. Materials and Structures, 1971, 4(1):13-40.

[16] Bentur A，Igarashi S I，Kovler K. Prevention of autogenous shrinkage in high-strength concrete by internal curing using wet lightweight aggregates [J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31 (11):1587-1591.

The effect of damping aggregate on the shrinkage of high strength concrete

TIAN Yaogang1，ZHU Lin2， WANG Shuaifei1, YANG Tingting3，JIA Kan1, LI Weiguang1

(1. School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064,China;2. School of Information Engineering, Chang’an University, Xi’an710064，China;3. School of Civil Engineering and Architecture, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Based on absorbability of porous lightweight aggregate, the damping aggregate was prepared by modified light aggregate with water and polymer emulsion under ordinary pressure and negative pressure. This paper studied the influence of damping aggregate on strength and damping capacity of concrete with equal volume replacement for coarse aggregate, and its effect on the internal RH and shrinkage of high strength concrete. The microstructure of concrete was analyzed by SEM and MIP. The results showed that the proper dosage of damping aggregate can significantly increase the damping capacity of concrete without obvious strength reduction, the damping aggregate can play the internal curing role to reduce the shrinkage of concrete，prolong the effect of expansive agent，and optimize the pore structure of cement paste.

damping aggregate; damping capacity; high strength concrete; shrinkage

1001-9731(2016)11-11013-05

國家自然科學基金資助項目(51208046)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(310831161013)；交通運輸部建設科技資助項目(2013318J09230)；陜西省交通運輸廳科研資助項目(2013610102000318)

2015-10-27

2015-12-28 通訊作者：田耀剛，E-mail: tianguang78@126.com

田耀剛 (1978-)，男，陜西富平人，副教授，工學博士，主要從事高性能水泥基復合材料研究工作。

U414

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.003