用環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)處理的陶粒制備輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)研究

朱莉云 吳 智 蔣 濤 蔣 豐 賴(lài) 敏

（湖南工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院）

隨著現(xiàn)代建筑高樓層化和大跨度化發(fā)展，普通混凝土因自重大，作為建筑材料使用時(shí)將受到限制。而在強(qiáng)度等級(jí)相同的條件下，輕質(zhì)混凝土可以降低20%～40%的自重?；炷林灰獪p少自重，就可以減少鋼筋混凝土的配筋率與工程造價(jià)[1]。因此輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土成為現(xiàn)代混凝土的發(fā)展趨勢(shì)。而作為輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土的主要粗骨料——陶粒，因強(qiáng)度低、質(zhì)脆、多孔、吸水率大、存在較多的裂紋，難以配制和易性好、強(qiáng)度高的輕質(zhì)混凝土，限制了陶?；炷镣邚?qiáng)度發(fā)展。目前，已有學(xué)者使用陶粒制備出LC60以上的輕質(zhì)高強(qiáng)度混凝土，但主要依靠高摻量膠凝材料，利用漿體提升強(qiáng)度，陶粒主要起填充和降低表觀密度的方式獲得輕質(zhì)高強(qiáng)目的[2]。這種高摻量粉體的方式不僅增加了成本，也增加了混凝土體積的不穩(wěn)定性。也有文獻(xiàn)[3-5]研究了陶粒的預(yù)處理方式，但都是基于低強(qiáng)度輕質(zhì)陶?；炷羴?lái)研究和探討。本實(shí)驗(yàn)主要使用E51環(huán)氧樹(shù)脂浸漬包裹陶粒，通過(guò)對(duì)陶粒進(jìn)行預(yù)處理，修復(fù)陶粒多孔和多裂紋的缺陷，從根本上解決限制陶?；炷粮邚?qiáng)度發(fā)展的根源。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

⑴水泥：湖南金山水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥，表觀密度3000㎏/m3。

⑵礦物參合料：I級(jí)粉煤灰，表觀密度2230㎏/m3；高品質(zhì)硅灰，表觀密度2200㎏/m3；S95級(jí)磨細(xì)礦渣粉，表觀密度2900㎏/m3。物理性能均符合GB/T51003-2014《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》要求。

⑶細(xì)集料：頁(yè)巖陶砂，表觀密度1500㎏/m3，堆積密度580㎏/m3，細(xì)度模數(shù)3.0，二區(qū)中砂，細(xì)度適中，級(jí)配合理。

⑷粗集料：碎石型頁(yè)巖陶粒，其相關(guān)物理性能見(jiàn)表1。

表1 陶粒物理性能

⑸減水劑：聚羧酸減水劑，市售，減水率：28%，固含量：40%，摻入量 0.2%～0.5%。

⑹環(huán)氧樹(shù)脂體系：環(huán)氧樹(shù)脂：E-51型環(huán)氧樹(shù)脂；固化劑：三乙烯四胺固化劑；稀釋劑：活性環(huán)氧樹(shù)脂稀釋劑D-669。樹(shù)脂體系比例為：環(huán)氧樹(shù)脂:固化劑:D-669=100:10:10。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 陶粒的處理

本實(shí)驗(yàn)的陶粒處理方法有以下幾種：

⑴干陶粒（A1）：陶粒不做任何處理。

⑵環(huán)氧樹(shù)脂浸漬陶粒（B1）：將干燥的陶粒浸漬到環(huán)氧樹(shù)脂膠液中，緩慢攪拌5min，使樹(shù)脂膠液能充分進(jìn)入到陶粒內(nèi)部孔隙，均勻包裹陶粒表面。然后將陶粒放到篩子上并手動(dòng)搖篩，直到陶粒表面無(wú)明顯掛漿為止；常溫固化1d。環(huán)氧樹(shù)脂包裹陶粒表面的樹(shù)脂膜厚度平均為25μm。樹(shù)脂包裹陶粒效果如圖1和圖2所示。

圖1 未處理的干燥陶粒

圖2 環(huán)氧樹(shù)脂包裹的陶粒

⑶環(huán)氧樹(shù)脂包裹的陶粒表面粗糙度處理（C1）：將已固化的環(huán)氧樹(shù)脂/陶粒與5～6mm卵石一起放入振篩機(jī)，振動(dòng)30min，提高陶粒的表面粗糙度。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方案

本試驗(yàn)將配制強(qiáng)度等級(jí)為C60的輕質(zhì)高強(qiáng)陶?；炷?。參考JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和JGJ/T281-2012《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)確定膠凝材料用量530㎏/m3，水膠比0.28，砂率38%，最終得到配合比如表2。

表2 LC60輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土基準(zhǔn)配合比 （㎏/m3）

按配合比稱(chēng)取用量后，依次將礦物摻合料和水泥、陶砂攪拌均勻后，加水和減水劑繼續(xù)攪拌均勻，最后加入陶粒，攪拌完成后注模成型，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面處理對(duì)陶粒性能的影響

陶粒孔隙和裂紋多，吸水率較大，會(huì)降低混凝土拌合物的流動(dòng)性，從而影響其工作性能。同時(shí)，粗骨料裂紋多，強(qiáng)度就會(huì)低，而輕骨料的強(qiáng)度決定著混凝土的力學(xué)性能，也是保證混凝土耐久性的前提。

環(huán)氧樹(shù)脂強(qiáng)度高，收縮率小，與各種材料的粘接能力強(qiáng)，且固化后的環(huán)氧樹(shù)脂耐酸堿、耐溶劑，非常適合用于修復(fù)陶粒孔隙和裂紋，以提高陶粒的強(qiáng)度。但環(huán)氧樹(shù)脂粘度較大，常溫下難以浸漬到陶粒孔隙內(nèi)部。本實(shí)驗(yàn)在環(huán)氧樹(shù)脂中加入10%活性稀釋劑D-669，降低粘度，以提高樹(shù)脂的流動(dòng)性。低粘度的環(huán)氧樹(shù)脂膠液可以很好地填充到陶粒內(nèi)部孔隙和裂紋，并在陶粒的表面包裹一層樹(shù)脂，達(dá)到修復(fù)內(nèi)部缺陷和表面防水的目的。

2.1.1 表面處理對(duì)陶粒吸水性能的影響

根據(jù)GB/T 17431.2-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法》，對(duì)陶粒進(jìn)行吸水率測(cè)試。將陶粒倒進(jìn)盛水的容器內(nèi)，如果有陶粒漂浮在水上，應(yīng)壓入水中，分別浸泡1h、24h后取出，用擰干的濕毛巾將陶粒擦拭至飽和面干的狀態(tài)，稱(chēng)重后計(jì)算吸水率。不同表面處理方式對(duì)陶粒吸水率的影響結(jié)果如表3所示。

表3 不同處理方式的陶粒吸水率 （%）

從表3可以得知，在相應(yīng)的1h和24h浸泡時(shí)間，經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂浸漬處理的陶粒B1和C1，其吸水率均比未做任何處理的干陶粒低得多，其中，B1陶粒的吸水率最低，1h和24h吸水率分別僅為1.4%和1.8%。經(jīng)過(guò)表面粗糙度處理的環(huán)氧樹(shù)脂/陶粒C1，吸水率比B1陶粒要稍大些。主要原因是在搖篩打磨時(shí)，少量表面的樹(shù)脂層被破壞，水分進(jìn)入陶粒內(nèi)部，增大了吸水率。但是1h和24h的吸水率依然是很低的。因此可以得出，陶粒表面包裹的環(huán)氧樹(shù)脂，可以阻斷水分進(jìn)入陶粒內(nèi)部的通道，降低了陶粒的吸水率。

2.1.2 表面處理對(duì)陶粒筒壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)GB/T 17431.2-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法》對(duì)陶粒進(jìn)行筒壓強(qiáng)度測(cè)試。篩取10～20mm公稱(chēng)粒級(jí)陶粒（其中10～15mm公稱(chēng)粒級(jí)的陶粒體積含量占60%）按標(biāo)準(zhǔn)要求裝入承壓筒中，把承壓筒放到壓力機(jī)板上，以400N/s的速度勻速施加載荷，當(dāng)沖壓模壓入深度為20mm時(shí)，記下壓力值并計(jì)算筒壓強(qiáng)度。不同表面處理方式對(duì)陶粒筒壓強(qiáng)度的影響結(jié)果如表4所示。

從表4可知，經(jīng)過(guò)B1和C1方式處理的陶粒，比未處理的陶粒，其筒壓強(qiáng)度提高較為明顯。環(huán)氧樹(shù)脂自身的粘接能力和強(qiáng)度，可以作為一種修復(fù)材料，填充陶粒內(nèi)部孔隙，包裹陶粒表面，以提高陶粒的強(qiáng)度。其中B1陶粒的筒壓強(qiáng)度提高效果最好，比未處理的陶粒提高了23.9%。而C1陶粒比B1陶粒筒壓強(qiáng)度低些，其原因依然可能是在搖篩打磨時(shí)，部分陶粒表面樹(shù)脂層被破壞，減弱了其修復(fù)能力。

表4 不同處理方式的陶粒筒壓強(qiáng)度 （MPa）

2.2 陶粒表面處理對(duì)混凝土工作性能的影響

工作性能良好的混凝土拌合物，易于施工，能獲得質(zhì)量均勻、成型密實(shí)的澆筑構(gòu)件。拌合物的工作性包括流動(dòng)性、粘聚性、保水性。不同表面處理方式的陶粒制備的混凝土拌合物工作性能見(jiàn)表5。

表5 不同處理方式的陶?；炷涟韬衔锏墓ぷ餍阅?/p>

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：相同配合比條件下，未經(jīng)處理的陶粒制備的混凝土，坍落度為120mm，工作性能較好；環(huán)氧樹(shù)脂浸漬的B1陶粒表面光滑，砂漿包裹不住陶粒，雖然拌合物流動(dòng)性好，坍落度達(dá)到195mm，但是穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生離析，骨料與漿體分離，粘聚性不好。經(jīng)表面粗糙度處理的C1陶粒制備的混凝土拌合物，工作性能最好。因?yàn)樘樟１砻嫒毕萆伲诎韬衔镏幸子诹鲃?dòng)，同時(shí)表面的粗糙度，使其能與砂漿更好的包裹，砂漿能帶動(dòng)骨料一起流動(dòng)。

2.3 陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表6和圖3可知，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d和7d齡期時(shí)，B1陶粒制備的混凝土強(qiáng)度與未處理的A1陶粒混凝土相比，強(qiáng)度值變化不大。早期強(qiáng)度主要由硬化的水泥石決定，因此強(qiáng)度差距不明顯。而28d齡期的混凝土強(qiáng)度主要由良好的砂漿與粗骨料界面、粗骨料強(qiáng)度提供。B1陶粒表面光滑，與砂漿的粘接強(qiáng)度低，骨料-水泥石界面將會(huì)是其最薄弱的環(huán)節(jié)。當(dāng)粗骨料本身強(qiáng)度不是很高時(shí)，在壓力作用下，界面薄弱區(qū)的裂紋將很快穿越粗骨料，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此B1陶粒比未處理的陶粒制備的混凝土，強(qiáng)度降低了13.5%。而對(duì)B1陶粒表面增加粗糙度處理得到的C1陶粒，其制備的混凝土強(qiáng)度提高明顯。3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度分別比未處理的陶?；炷撂岣吡?2.3%、19.5%、19.3%。環(huán)氧樹(shù)脂能夠修復(fù)陶粒的多孔和裂紋的缺陷，提高陶粒本身的強(qiáng)度；同時(shí)對(duì)樹(shù)脂包裹的陶粒表面打磨，提高其表面粗糙度，從而增加陶粒和砂漿的物理機(jī)械咬合力；并且陶粒的樹(shù)脂表面層也可以阻止界面裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。因此經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂浸漬包裹，并進(jìn)行表面粗糙度處理的陶粒能夠明顯提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

表6 不同處理方式的陶?；炷量箟簭?qiáng)度 （MPa）

圖3 陶粒不同處理方式對(duì)陶?；炷量箟簭?qiáng)度的影響

圖4 和圖5分別為A1和C1陶粒制備的混凝土試塊在28d齡期后，受壓時(shí)的破壞形態(tài)。從圖中可以明顯看出，A1陶?；炷潦軌汉螅噳K直接形成斷裂面，從斷面上可以看出，破壞形式主要是粗骨料陶粒斷裂。此時(shí)骨料的強(qiáng)度直接決定了其混凝土強(qiáng)度。而C1陶粒制備的混凝土，沒(méi)有明顯的斷面，只有明顯的砂漿裂紋擴(kuò)展，用外力掰開(kāi)試塊破碎處，發(fā)現(xiàn)試塊內(nèi)部的陶粒幾乎沒(méi)有斷裂。由此說(shuō)明，C1陶粒混凝土試塊的骨料強(qiáng)度是高于水泥石強(qiáng)度的，這對(duì)配制高強(qiáng)度混凝土是非常有意義的。

圖4 A1陶?；炷猎嚰箟浩茐男螒B(tài)

圖5 C1陶粒混凝土試件抗壓破壞形態(tài)

3 結(jié)論

陶?？紫逗土鸭y多，自身強(qiáng)度低，作為粗骨料制備輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土?xí)r，會(huì)因?yàn)樘樟９橇系膹?qiáng)度低于水泥石的強(qiáng)度，混凝土受壓時(shí)，裂紋擴(kuò)展會(huì)穿越粗骨料，首先產(chǎn)生骨料破壞。因此骨料強(qiáng)度是陶?；炷翉?qiáng)度的決定因素。本試驗(yàn)主要用低粘度的環(huán)氧樹(shù)脂浸漬包裹陶粒，并對(duì)固化后的環(huán)氧樹(shù)脂/陶粒表面進(jìn)行增加粗糙度處理，得出以下結(jié)論：

⑴陶粒經(jīng)過(guò)E-51環(huán)氧樹(shù)脂浸漬處理后，吸水率降低，筒壓強(qiáng)度有所提高。其中B1處理方式的陶粒，1h吸水率1.4%，24h吸水率1.8%；筒壓強(qiáng)度比未處理的陶粒提高了23.9%。C1處理方式的陶粒，1h吸水率1.8%，24h吸水率2.4%；筒壓強(qiáng)度比未處理的陶粒提高了19.6%。說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂修復(fù)陶粒的處理方式是可行的。

⑵環(huán)氧樹(shù)脂浸漬處理的陶粒表面光滑，與砂漿的粘結(jié)力小，混凝土拌合物流動(dòng)性大，但是易導(dǎo)致砂漿和陶粒分離，影響拌合物的工作性能。而提高環(huán)氧樹(shù)脂/陶粒表面的粗糙度后，與砂漿的粘結(jié)力大，砂漿能帶動(dòng)骨料一起流動(dòng)，不易分層離析。因此，經(jīng)過(guò)C1處理的混凝土拌合物工作性能最好。

⑶C1陶粒作為粗骨料能提高混凝土的強(qiáng)度，3d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度分別提高了 12.3%、19.5%、19.3%。而B(niǎo)1處理的陶粒，表面光滑，與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度低，界面成為最薄弱的環(huán)節(jié)，28d齡期的抗壓強(qiáng)度反而比未處理的陶?；炷翉?qiáng)度低。