輕骨料對砂漿力學與毛細吸水性能的影響

李春云，薛善彬，張 鵬，王俊潔，高世壯

(青島理工大學土木工程學院，青島 266033)

0 引 言

水泥基材料早期干縮開裂對混凝土結構耐久性造成嚴重威脅，研究表明，內養護技術是減緩水泥基材料早期干縮開裂的有效手段[1-2]。“內養護”的工作原理是在水泥基材料內部摻入具有“蓄水”功能的高孔隙度介質，如輕骨料(lightweight aggregate， LWA)、超吸水性樹脂、紅磚等，其在材料內部為水泥水化提供水分，實現水泥基材料的內部自養護，有效減緩材料自收縮和干燥開裂[3-5]。同時，內摻LWA也有其他方面的積極作用:Al-Khaiat等[6]研究指出，內摻LWA產生的內部固化作用可提高材料整體力學強度；董淑慧等[7]研究認為，LWA對界面區水泥石微結構改善效果顯著；孔麗娟等[8]研究發現，顆粒強度較高的陶粒有助于提高次輕混凝土強度，而用吸水率較高的陶粒制備的混凝土強度較低；Elsharief等[9]研究指出，內摻干燥和預濕LWA的水泥砂漿比普通水泥砂漿具有更低的吸水性能。其他研究證實了基于內摻高孔隙度LWA的內養護在減少離子擴散[10]和提高材料抗滲性方面具有積極作用[11-12]。

已有研究對于推動輕質高耐久性水泥基材料的研發和利用具有重要作用[13-14]。但LWA種類多樣，不同種類的LWA孔隙特征與力學性能存在顯著差異[15-16]。內摻吸水率較高但力學強度較差的LWA對材料整體的力學性能與耐久性的影響尚需進一步評估。此外，內摻LWA水泥基材料水化動力學行為與傳統養護條件下制備的普通水泥基材料不同，內摻LWA水泥基材料的力學與耐久性隨養護齡期的演化規律也值得進一步深入研究。針對上述問題，本文選取多孔陶粒骨料作為內摻LWA，借助核磁共振技術與掃描電鏡技術研究了LWA摻量對水泥砂漿微觀結構、力學與毛細吸水性能的影響規律,并重點分析了內摻LWA砂漿的宏觀力學、吸水性能隨養護齡期的演化規律，從微觀角度討論了材料毛細吸水性能演化機理，以期為輕質高耐久水泥基材料研發與應用提供支撐。

1 實 驗

1.1 原材料

膠凝材料采用山東青島山水集團生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其具體化學組成成分見表1；細骨料采用產自青島大沽河的河砂，中砂，粒徑≤5 mm，細度模數為2.7，級配良好；LWA采用安徽暢材圓球陶粒，粒徑3～5 mm，基本性能參數見表2；拌和用水為青島本地自來水。

表1 水泥的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of cement

表2 輕骨料的物理性能指標Table 2 Physical properties of LWA

1.2 配合比

試驗具體配合比見表3。為了保證砂漿的流動性，本試驗中砂漿的砂灰比(S/C)均保持在1.4，水灰比為0.45，采用內摻LWA等體積取代天然河砂。樣品編號如下表，其中YQ代表圓球陶粒，數字代表LWA體積取代率。

表3 試驗配合比Table 3 Mixture properties of text

續表

1.3 試塊制備

按設計配合比制備尺寸為40 mm×40 mm×160 mm長條試塊，成型24 h脫模后用保鮮膜包裹樣品,在溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(50±5)%的養護室中進行密封養護。試塊達到相應齡期后，用取芯機進行鉆取,樣品尺寸為φ25 mm×40 mm圓柱體樣品，經過相應干燥或飽水處理后,分別進行毛細吸水、LE-NMR試驗，試件切割具體操作流程如圖1所示。

圖1 試件切割示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen cutting

1.4 試驗方法

(1)力學性能試驗：本文按照《鋼絲網水泥用砂漿力學性能試驗方法》GB/T 7897—2008對不同體積取代率LWA砂漿進行抗壓、抗折強度測試。其中40 mm×40 mm×160 mm長條試塊抗折試驗后試塊破壞面形態如圖2所示。

圖2 不同體積取代率下試件破壞截面照片Fig.2 Images of destructive section of specimen with different volume replacement ratio

(2)毛細吸水試驗：將上述φ25 mm×40 mm圓柱體樣品在105 ℃的烘干箱中干燥至恒重后，將用鋁箔膠帶四周密封的試塊底面浸入(5±1) mm的自來水中，進行一維吸水試驗，記錄不同時間節點累計吸水量。

(3)孔結構表征試驗：孔隙度測試試驗和低場核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance， LF-NMR)試驗。試驗開始前，首先稱取干燥樣品的質量，然后對樣品進行24 h真空飽水處理后稱取樣品飽水質量，根據式(1)計算其開口孔孔隙度；采用北京拉莫爾(Lamor)科技發展有限公司生產的核磁共振設備對飽水樣品進行T2譜測定，核磁共振測試參數如表4所示。

(1)

式中：P表示材料開口孔孔隙度,量綱為1;V0表示材料在自然狀態下的體積，m3；V表示材料在絕對密實狀態下體積,m3；msat表示樣品飽水后質量，g；mdry表示樣品干燥質量，g;ρwater表示水的密度，值為1 g/mL；Vsat表示樣品飽水后體積，mL。

表4 低場核磁共振測試參數Table 4 Parameters of LF-NMR testing

(4)掃描電鏡試驗：樣品尺寸為10 mm×10 mm×10 mm立方體，放入烘箱中45 ℃干燥至恒重狀態，采用日本電子生產的型號為JSM-7610F的場發射SEM獲取樣品骨料-漿體界面處微觀形貌照片。

2 結果與討論

2.1 內摻LWA對力學性能的影響

2.1.1 LWA砂漿強度分析

LWA砂漿不同取代率與力學性能的關系如圖3所示，強度結果取3塊試塊平均值。結果表明，LWA水泥砂漿抗壓強度在同一取代率條件下，隨著齡期的增加而增長，而抗折強度變化不顯著。同時，LWA水泥砂漿的抗壓、抗折強度均隨取代率的增大而降低，但當取代率為45%時的力學性能與37.5%取代率基本接近。這主要是因為內摻LWA后，各相間力學性能差異顯著，且存在LWA-漿體、砂粒-漿體等多類型界面，導致其破壞機理更為復雜。從試件破壞面形態觀察發現，輕骨料砂漿的破壞主要由界面過渡區和骨料本身破壞引起。當LWA取代率低于37.5%時，LWA的微泵作用在水泥砂漿密封養護過程中未充分發揮內養護效果，導致輕骨料砂漿的整體力學性能主要由內部LWA的強度決定，因此力學性能隨LWA取代率的增加而逐漸減小；當LWA取代率達到37.5%和45%時，水泥砂漿包裹LWA在砂漿內部可能形成力學性能較高的殼核結構，其提供的內養護水分增加，促進了水泥水化，水化產物增多，使得LWA與界面黏結強度提高，在微觀上改善了其力學性能[17]。材料破壞主要受界面過渡區的殼核結構影響，因此表現為輕骨料取代率為45%與37.5%的砂漿力學性能接近。

圖3 LWA砂漿不同取代率與力學性能的關系Fig.3 Relationship between different replacement ratio of LWA mortar and mechanical properties

28 d齡期時，與取代率為0%的普通水泥砂漿相比，LWA水泥砂漿抗壓強度隨取代率增加分別降低32.0%、42.6%、52.8%、54.8%；隨著取代率的增加抗折強度分別降低24.3%、30.0%、40.5%、47.3%。通過量化分析發現，相比較抗折強度，LWA水泥砂漿的抗壓強度對取代率變化更為敏感。根據破壞面形貌觀察，LWA砂漿破壞面處陶粒發生破斷，而在水泥砂漿中砂石骨料破斷現象并不常見。這意味著陶粒自身強度可對試塊整體抗壓強度產生顯著影響，當LWA作為力學性能薄弱區存在時，LWA取代率的增加可造成水泥砂漿力學性能的降低。因而，在滿足內養護的功能基礎上，設法提高LWA自身強度對輕質高強混凝土研發具有重要意義[18]。

2.1.2 孔隙度與力學性能的關系

等體積摻量的樣品中，樣品內部飽和含水率直接反映LWA水泥砂漿的內部孔隙度。圖4為28 d齡期不同取代率LWA砂漿孔隙度與力學性能強度的關系。可以看出，隨著取代率的增加，孔隙度逐漸增加，抗壓、抗折強度與孔隙度呈負相關，即LWA水泥砂漿基體內部孔隙含量越高，抗壓、抗折強度值越小。而孔隙度大小的真正影響因素是LWA取代率，即LWA取代率越大，孔隙度越高。說明水泥砂漿內摻LWA會在基體內部引入較高孔隙度，這將會對LWA水泥砂漿的力學強度產生不利影響。

圖4 28 d齡期不同取代率LWA砂漿孔隙度與力學性能的關系Fig.4 Relationship between porosity and mechanical properties of LWA mortar with different replacement ratio at 28 d

2.2 內摻LWA對毛細吸水性能影響

雖然內摻LWA砂漿的微結構與普通砂漿存在差異，但其內部的非飽和水分傳輸也主要通過毛細吸收、滲透和擴散來實現[19]。毛細力主導下的水泥基材料早期一維吸水可用時間根號定律描述，即樣品單位面積累計毛細吸水量與時間平方根存在線性關系,如式(2)所示。

(2)

式中：S表示毛細吸水率，g/(cm·s1/2)；t表示吸水時間，s；i表示t時刻樣品單位吸水面積的累計吸水量,g/cm2。

不同LWA取代率水泥砂漿在7 d、14 d、28 d齡期時測得的單位面積累計毛細吸水量數據如圖5所示。由于時間平方根關系在毛細吸水初始階段較為顯著，本文基于式(2)對試驗前7 h內獲取的數據進行線性擬合。擬合度R2值大于0.97，證實了LWA砂漿單位面積累計毛細吸水量與時間平方根間具有良好的線性關系。

在單面吸水條件下，水會在毛細作用下而通過連通毛細孔入滲至水泥砂漿內部。一般情況下，當毛細孔含量多，且連通性能較好時，樣品毛細吸水率較高。雖然LWA本身孔隙度較高，且LWA內部孔隙直徑比水泥漿中原生毛細孔隙直徑高1～2個量級[20-21]。但對比不同取代率LWA砂漿吸水數據發現，內摻LWA非但沒有增加砂漿中的水分入滲，反而顯著降低了其毛細吸水率。由圖5可以看出，LWA取代率越大，毛細吸水率越低，樣品在相同時間內的累計吸水量越少。

圖5 7 d、14 d、28 d齡期LWA砂漿單位面積累計毛細吸水量與時間平方根關系Fig.5 Absorption versus square root of time for 7 d, 14 d and 28 d LWA mortar

上述結果同時表明，齡期也是影響LWA砂漿抗毛細入滲性能的關鍵因素，28 d齡期LWA砂漿的抗毛細入滲性明顯優于7 d齡期。不同取代率(12.5%～45%)的內摻LWA砂漿，在7 d齡期時，毛細吸水率比YQ-0%分別降低8.4%、25.3%、30.7%、39.6%，28 d齡期時，毛細吸水率比YQ-0%分別降低18.4%、36.8%、50.0%、57.9%。隨著齡期的增長，內摻LWA會對砂漿抗毛細入滲起到積極效果。事實上，內摻LWA水泥砂漿的毛細吸水過程受到LWA-砂漿界面過渡區的影響[22]，相關機理將結合微結構數據進行討論。

2.3 內摻LWA微觀結構與毛細吸水性能的聯系

2.3.1 內摻LWA對孔徑分布影響

在LF-NMR測試中，飽水樣品的橫向弛豫時間T2分布間接反映了孔徑大小及分布情況。其中T2譜面積可以反映樣品內部孔隙含量，其與樣品內部水分含量呈正相關[23-24]。

LF-NMR測試結果表明，內摻LWA對砂漿孔徑分布有明顯影響。圖6為LWA砂漿樣品T2譜，主要表現為多峰分布。根據T2譜分布，從左向右依次劃分A、B、C三個區域，不同區域中的T2分別代表小孔、中孔、大孔孔徑分布情況。作為對照，圖6最底部列出飽水LWA的T2譜數據。圖中可見，隨著LWA取代率的增加，小孔峰面積不斷減小，中孔和大孔的峰面積不斷增加。

圖6 7 d、28 d齡期LWA砂漿T2譜Fig.6 T2 spectra of LWA mortar at 7 d and 28 d

將不同取代率LWA砂漿的T2分布數值作加權處理[25-26]，計算得不同類型孔隙體積占比，即單位體積樣品中，不同類型孔隙所占體積的比例，如圖7所示。分析28 d齡期LWA砂漿不同類型孔隙體積占比發現，與YQ-0%相比，隨著LWA取代率的增加，樣品中小孔孔隙體積占比分別降低1.2%、7.8%、8.9%、12.4%，中孔孔隙體積占比分別增加76.4%、254.2%、358.2%、430.4%，大孔孔隙體積占比分別增加7.8%、58.1%、78.3%、101.2%。隨著齡期的增長，小孔體積占比會在一定程度上降低，說明隨著水化反應的不斷進行，基體內部孔隙結構逐漸致密化。需要說明的是，本文低場核磁試驗中所采用的回波時間為200 μs，這可能會導致部分微孔信號的丟失。建立LWA砂漿大孔+中孔孔隙體積占比與LWA取代率的量化關系，如圖8所示，說明中孔和大孔的孔隙體積占比增加是LWA取代率增加導致的,兩者之間有明確的比例關系。

圖7 7 d、28 d齡期LWA砂漿不同類型孔隙體積占比Fig.7 Proportion of different pore volume proportion of LWA mortar at 7 d and 28 d

圖8 7 d、28 d齡期LWA砂漿中孔+大孔孔隙體積占比與LWA取代率的關系Fig.8 Relationship between medium pores+large pores volume proportion of LWA mortar and replacement ratio of LWA at 7 d and 28 d

2.3.2 孔隙體積占比與毛細吸水率的關系

毛細吸水率的大小可以一定程度反映水泥砂漿中毛細孔的含量和連通性狀態。圖9建立不同取代率LWA孔隙體積占比與毛細吸水率關系。結果表明，小孔孔隙體積占比隨取代率的增加逐漸降低，相應毛細吸水率降低；中孔和大孔孔隙體積占比與毛細吸水率呈負相關，證實了LWA水泥砂漿的毛細吸水能力主要由水泥砂漿的小孔孔隙體積占比決定。單位體積樣品中，小孔孔隙體積占比越大，毛細吸水率越大；推測骨料提供的中孔和大孔孔隙在毛細吸水過程中參與度較低，其體積占比的增加反而提高了抗毛細入滲性能。

2.4 LWA界面微觀結構與毛細吸水機理分析

圖10為不同放大倍數LWA界面區微觀形貌。圖中可以看出，LWA本身多孔且粗糙,其表面與周圍砂漿界面表現出更高的機械咬合力，使得LWA-砂漿界面處被水泥砂漿包裹，界面黏結“嵌套”成為一個整體，界面結構更加致密化[27-28]。

圖9 7 d、28 d齡期不同取代率LWA砂漿孔隙體積占比與毛細吸水率的關系Fig.9 Relationship between pore volume proportion and capillary water absorption of LWA mortar with different replacement rate at 7 d and 28 d

圖10 不同放大倍數LWA界面區微觀形貌Fig.10 Micromorphology of ITZ of LWA with different magnification

結合ITZ和T2譜孔徑分布，進一步分析內摻LWA對砂漿內部毛細吸水過程的影響機理：一方面，水化產物C-S-H凝膠在LWA表面微孔中生成，堵塞作用使LWA內部孔隙與砂漿中毛細孔的連通性降低，隨著齡期的增長，ITZ的致密結構使水分侵入變得更加困難；另一方面，毛細吸水過程中，砂漿內部水化作用形成的毛細孔提供較大的基質吸力，使水分得以快速傳輸，但LWA周邊穩定的ITZ結構包裹LWA內部孔隙，在砂漿中形成不透水邊界，內部封閉氣孔切斷了毛細孔通道，骨料中的孔隙與砂漿內部毛細孔間連通困難[29]。LWA取代率越大，內部大孔隙含量越高，提供的毛細吸力越小；雖然LWA內部高孔隙率但起到低滲透性效果，砂漿與LWA的ITZ的存在降低了LWA的毛細吸水參與度,導致隨著LWA取代率的增加樣品的有效吸水面積減小，使水分傳輸通道變得更為迂曲，降低毛細吸水率[30]。具體原理如圖11所示。

圖11 LWA孔結構與毛細吸水的關系Fig.11 Relationship between pore structure of LWA and capillary water absorption

3 結 論

(1)LWA水泥砂漿毛細吸水率、抗壓和抗折強度隨取代率的增加而減小；隨著齡期增長，內摻輕骨料砂漿抗壓強度與抗毛細入滲性能顯著增強，但抗折強度隨齡期增長并不顯著。

(2)基于FL-NMR試驗建立的孔結構與力學、毛細吸水性能關系發現：LWA取代率增加導致的高孔隙度會顯著降低力學性能,但是不同類型孔隙體積占比對毛細吸水性能影響不同，砂漿內部原生毛細孔的增加是導致毛細吸水率增加的關鍵因素，而內摻LWA反而起到抗毛細入滲的效果。

(3)結合界面微觀形貌特征對LWA砂漿毛細吸水機理進行分析發現，隨著LWA摻量增加，內養護作用使砂漿內部水化更加充分，提高了界面黏結力，有效減少干縮開裂的產生，在輕骨料-砂漿界面處形成的不透水邊界，降低了砂漿內部原生孔與骨料內部孔隙的連通性。此外，水泥砂漿的毛細孔與LWA 內部孔徑差距較大，導致兩者毛細管壓力存在差異，從而造成砂漿向LWA水分傳輸較為困難。同時，內養護作用使得水化更完善的致密區增加，增大了水分傳輸的迂曲度，導致水分傳輸更為困難，提高了材料的抗毛細入滲性能。