用環氧樹脂預處理的陶粒制備輕質高強混凝土的試驗研究

朱莉云 吳 智 蔣 濤 蔣 豐 賴 敏

（湖南工學院 材料科學與工程學院）

隨著現代建筑高樓層化和大跨度化發展，普通混凝土因自重大，作為建筑材料使用時將受到限制。而在強度等級相同的條件下，輕質混凝土可以降低20%～40%的自重。混凝土只要減少自重，就可以減少鋼筋混凝土的配筋率與工程造價[1]。因此輕質高強混凝土成為現代混凝土的發展趨勢。而作為輕質高強混凝土的主要粗骨料——陶粒，因強度低、質脆、多孔、吸水率大、存在較多的裂紋，難以配制和易性好、強度高的輕質混凝土，限制了陶粒混凝土往高強度發展。目前，已有學者使用陶粒制備出LC60以上的輕質高強度混凝土，但主要依靠高摻量膠凝材料，利用漿體提升強度，陶粒主要起填充和降低表觀密度的方式獲得輕質高強目的[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定性。也有文獻[3-5]研究了陶粒的預處理方式，但都是基于低強度輕質陶粒混凝土來研究和探討。本實驗主要使用E51環氧樹脂浸漬包裹陶粒，通過對陶粒進行預處理，修復陶粒多孔和多裂紋的缺陷，從根本上解決限制陶粒混凝土高強度發展的根源。

1 實驗

1.1 試驗材料

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

⑵礦物參合料：I級粉煤灰，表觀密度2230㎏/m3；高品質硅灰，表觀密度2200㎏/m3；S95級磨細礦渣粉，表觀密度2900㎏/m3。物理性能均符合GB/T51003-2014《礦物摻合料應用技術規范》要求。

⑶細集料：頁巖陶砂，表觀密度1500㎏/m3，堆積密度580㎏/m3，細度模數3.0，二區中砂，細度適中，級配合理。

⑷粗集料：碎石型頁巖陶粒，其相關物理性能見表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環氧樹脂體系：環氧樹脂：E-51型環氧樹脂；固化劑：三乙烯四胺固化劑；稀釋劑：活性環氧樹脂稀釋劑D-669。樹脂體系比例為：環氧樹脂:固化劑:D-669=100:10:10。

1.2 實驗方法

1.2.1 陶粒的處理

本實驗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環氧樹脂浸漬陶粒（B1）：將干燥的陶粒浸漬到環氧樹脂膠液中，緩慢攪拌5min，使樹脂膠液能充分進入到陶粒內部孔隙，均勻包裹陶粒表面。然后將陶粒放到篩子上并手動搖篩，直到陶粒表面無明顯掛漿為止；常溫固化1d。環氧樹脂包裹陶粒表面的樹脂膜厚度平均為25μm。樹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 環氧樹脂包裹的陶粒

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

1.2.2 實驗方案

本試驗將配制強度等級為C60的輕質高強陶粒混凝土。參考JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》和JGJ/T281-2012《高強混凝土應用技術規程》，并結合實驗和經驗確定膠凝材料用量530㎏/m3，水膠比0.28，砂率38%，最終得到配合比如表2。

表2 LC60輕質高強混凝土基準配合比 （㎏/m3）

按配合比稱取用量后，依次將礦物摻合料和水泥、陶砂攪拌均勻后，加水和減水劑繼續攪拌均勻，最后加入陶粒，攪拌完成后注模成型，在標準條件下養護至規定齡期。

2 結果與討論

2.1 表面處理對陶粒性能的影響

陶粒孔隙和裂紋多，吸水率較大，會降低混凝土拌合物的流動性，從而影響其工作性能。同時，粗骨料裂紋多，強度就會低，而輕骨料的強度決定著混凝土的力學性能，也是保證混凝土耐久性的前提。

環氧樹脂強度高，收縮率小，與各種材料的粘接能力強，且固化后的環氧樹脂耐酸堿、耐溶劑，非常適合用于修復陶粒孔隙和裂紋，以提高陶粒的強度。但環氧樹脂粘度較大，常溫下難以浸漬到陶粒孔隙內部。本實驗在環氧樹脂中加入10%活性稀釋劑D-669，降低粘度，以提高樹脂的流動性。低粘度的環氧樹脂膠液可以很好地填充到陶粒內部孔隙和裂紋，并在陶粒的表面包裹一層樹脂，達到修復內部缺陷和表面防水的目的。

2.1.1 表面處理對陶粒吸水性能的影響

根據GB/T 17431.2-2010《輕集料及其試驗方法》，對陶粒進行吸水率測試。將陶粒倒進盛水的容器內，如果有陶粒漂浮在水上，應壓入水中，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，稱重后計算吸水率。不同表面處理方式對陶粒吸水率的影響結果如表3所示。

表3 不同處理方式的陶粒吸水率 （%）

從表3可以得知，在相應的1h和24h浸泡時間，經過環氧樹脂浸漬處理的陶粒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%。經過表面粗糙度處理的環氧樹脂/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，少量表面的樹脂層被破壞，水分進入陶粒內部，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，陶粒表面包裹的環氧樹脂，可以阻斷水分進入陶粒內部的通道，降低了陶粒的吸水率。

2.1.2 表面處理對陶粒筒壓強度的影響

根據GB/T 17431.2-2010《輕集料及其試驗方法》對陶粒進行筒壓強度測試。篩取10～20mm公稱粒級陶粒（其中10～15mm公稱粒級的陶粒體積含量占60%）按標準要求裝入承壓筒中，把承壓筒放到壓力機板上，以400N/s的速度勻速施加載荷，當沖壓模壓入深度為20mm時，記下壓力值并計算筒壓強度。不同表面處理方式對陶粒筒壓強度的影響結果如表4所示。

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

表4 不同處理方式的陶粒筒壓強度 （MPa）

2.2 陶粒表面處理對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，能獲得質量均勻、成型密實的澆筑構件。拌合物的工作性包括流動性、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表5。

表5 不同處理方式的陶粒混凝土拌合物的工作性能

通過試驗發現：相同配合比條件下，未經處理的陶粒制備的混凝土，坍落度為120mm，工作性能較好；環氧樹脂浸漬的B1陶粒表面光滑，砂漿包裹不住陶粒，雖然拌合物流動性好，坍落度達到195mm，但是穩定性差，易產生離析，骨料與漿體分離，粘聚性不好。經表面粗糙度處理的C1陶粒制備的混凝土拌合物，工作性能最好。因為陶粒表面缺陷少，在拌合物中易于流動，同時表面的粗糙度，使其能與砂漿更好的包裹，砂漿能帶動骨料一起流動。

2.3 陶粒混凝土抗壓強度的影響

由表6和圖3可知，養護時間為3d和7d齡期時，B1陶粒制備的混凝土強度與未處理的A1陶粒混凝土相比，強度值變化不大。早期強度主要由硬化的水泥石決定，因此強度差距不明顯。而28d齡期的混凝土強度主要由良好的砂漿與粗骨料界面、粗骨料強度提供。B1陶粒表面光滑，與砂漿的粘接強度低，骨料-水泥石界面將會是其最薄弱的環節。當粗骨料本身強度不是很高時，在壓力作用下，界面薄弱區的裂紋將很快穿越粗骨料，導致強度降低。因此B1陶粒比未處理的陶粒制備的混凝土，強度降低了13.5%。而對B1陶粒表面增加粗糙度處理得到的C1陶粒，其制備的混凝土強度提高明顯。3d、7d、28d抗壓強度分別比未處理的陶粒混凝土提高了12.3%、19.5%、19.3%。環氧樹脂能夠修復陶粒的多孔和裂紋的缺陷，提高陶粒本身的強度；同時對樹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械咬合力；并且陶粒的樹脂表面層也可以阻止界面裂紋的進一步擴展。因此經過環氧樹脂浸漬包裹，并進行表面粗糙度處理的陶粒能夠明顯提高混凝土的抗壓強度。

表6 不同處理方式的陶粒混凝土抗壓強度 （MPa）

圖3 陶粒不同處理方式對陶粒混凝土抗壓強度的影響

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，受壓時的破壞形態。從圖中可以明顯看出，A1陶粒混凝土受壓后，試塊直接形成斷裂面，從斷面上可以看出，破壞形式主要是粗骨料陶粒斷裂。此時骨料的強度直接決定了其混凝土強度。而C1陶粒制備的混凝土，沒有明顯的斷面，只有明顯的砂漿裂紋擴展，用外力掰開試塊破碎處，發現試塊內部的陶粒幾乎沒有斷裂。由此說明，C1陶粒混凝土試塊的骨料強度是高于水泥石強度的，這對配制高強度混凝土是非常有意義的。

圖4 A1陶粒混凝土試件抗壓破壞形態

圖5 C1陶粒混凝土試件抗壓破壞形態

3 結論

陶粒孔隙和裂紋多，自身強度低，作為粗骨料制備輕質高強混凝土時，會因為陶粒骨料的強度低于水泥石的強度，混凝土受壓時，裂紋擴展會穿越粗骨料，首先產生骨料破壞。因此骨料強度是陶粒混凝土強度的決定因素。本試驗主要用低粘度的環氧樹脂浸漬包裹陶粒，并對固化后的環氧樹脂/陶粒表面進行增加粗糙度處理，得出以下結論：

⑴陶粒經過E-51環氧樹脂浸漬處理后，吸水率降低，筒壓強度有所提高。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%；筒壓強度比未處理的陶粒提高了19.6%。說明環氧樹脂修復陶粒的處理方式是可行的。

⑵環氧樹脂浸漬處理的陶粒表面光滑，與砂漿的粘結力小，混凝土拌合物流動性大，但是易導致砂漿和陶粒分離，影響拌合物的工作性能。而提高環氧樹脂/陶粒表面的粗糙度后，與砂漿的粘結力大，砂漿能帶動骨料一起流動，不易分層離析。因此，經過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度，3d、7d、28d 抗壓強度分別提高了 12.3%、19.5%、19.3%。而B1處理的陶粒，表面光滑，與砂漿的粘結強度低，界面成為最薄弱的環節，28d齡期的抗壓強度反而比未處理的陶粒混凝土強度低。