外摻膨潤土對混凝土抗壓強度的影響

劉 睿，陳志寬，葉 暉，鄧 苗

(中國人民解放軍95979部隊教研部，山東 泰安 271207)

1 引言

據(jù)研究表明，在混凝土中摻加天然礦物或纖維材料等輔助材料具有不可替代的作用[1, 2]。如將適量且一定細度的天然火山灰摻入混凝土中，對提高混凝土結(jié)構(gòu)的致密性以及抵抗有害物質(zhì)，如氯離子擴散有較好的效果[3～6]。膨潤土是一種天然的火山灰，主要由蒙脫土組成。根據(jù)陽離子種類組成不同，可分為鈉基膨潤土和鈣基膨潤土。已有研究表明：用鈉基膨潤土代替水泥的效果比鈣基膨潤土好[7～9]。我國膨潤土資源蘊藏非常豐富，使用膨潤土替代部分水泥將有助于減少溫室氣體排放[10～12]。因此，有必要研究摻膨潤土后混凝土試件的基本力學(xué)性能，以期為工程實踐應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

已有學(xué)者開展了外摻膨潤土對砂漿和混凝土性能的影響研究。結(jié)果表明，膨潤土可以改善膠凝材料的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性[13, 14]。此外，還有學(xué)者研究了膨潤土砂的漿抗硫酸侵蝕性能[15]。蔣林華等[16]探究了水膠比與不同膨潤土摻量對水泥砂漿彈性模量的影響。MEMON等[17]對混凝土中膨潤土的摻量進行了研究，結(jié)果表明以膨潤土部分代替水泥為建筑材料的方法可行，但并未建議最優(yōu)摻量。MIRZA等[18]建議了膨潤土摻入量應(yīng)控制在25%以下，以保證混凝土的強度。KACI等[19]還研究了膨潤土對新拌砂漿的影響。試驗結(jié)果表明，膨潤土可有效改善新拌砂漿的微觀結(jié)構(gòu)。上述研究多圍繞摻膨潤土的抗?jié)B性能研究，由于混凝土組成材料的離散性，不同強度或使用要求下，膨潤土的最佳摻量將有所區(qū)別，針對摻膨潤土的混凝土抗壓性能和最優(yōu)摻量仍需進一步研究。

本文旨在評價膨潤土部分替代水泥的可行性。首先，介紹了材料基本參數(shù)和試件制備方法。在此基礎(chǔ)上，開展了相關(guān)試驗并進行了討論，分析了膨潤土摻量和水灰比2個因素對混凝土抗壓強度的影響，最后從微觀角度揭示了膨潤土對混凝土水化反應(yīng)的影響。本研究可為膨潤土在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供參考。

2 試驗設(shè)計

2.1 材料

本文采用長沙新星水泥廠生產(chǎn)的P·O 32.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為天然河砂，細度模量為2.3；粗骨料采用天然石灰石，最大粒徑為19mm，密度為2680 kg/m3；采用萘系減水劑，減水率為20%；混凝土試件強度按C30設(shè)計。本試驗采用鈉基膨潤土作為水泥替代材料。試驗所用的鈉基膨潤土從南京藍科環(huán)保凈水材料廠獲得，樣品通過200目篩網(wǎng)篩分。膨潤土的化學(xué)成分組成如表1所示。

表1 膨潤土的成分

2.2 試件制備

本試驗使用2種不同水灰比(即W/C=0.36或0.55)分別制備了5組不同的立方體混凝土試件，每組3個試件，共30個試件。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，如圖1所示。試件編號為LN-BX。其中，LN(N取值為1或2)分別表示水灰比為0.36或0.55，BX表示已被膨潤土取代的水泥量，以百分比表示。如L1B5表示該試件的水灰比為0.55，膨潤土替代水泥的質(zhì)量比為5%。混凝土抗壓強度試件配合比如表2所示。所有混凝土試件均保存于養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護環(huán)境實驗室溫度21±1 ℃，相對濕度95%，養(yǎng)護至試驗日。分別在第7、14、28 d后對混凝土立方體進行抗壓強度試驗。

圖1 標準養(yǎng)護條件下的試件

表2 抗壓強度試驗混凝土試件配合比

3 結(jié)果與討論

3.1 混凝土抗壓試驗現(xiàn)象

圖2為試件抗壓試驗破壞時的照片。10組試件在加載過程中的破壞規(guī)律相似，由于液壓機的壓板與混凝土試件受壓面形成了摩擦，因此試件破壞有較明顯的“環(huán)箍效應(yīng)”。由于混凝土是脆性材料，在試件受壓過程中伴有響聲出現(xiàn)，當達到極限強度破壞時，響聲較明顯。

圖2 抗壓試驗試件破壞

3.2 混凝土抗壓強度與齡期的關(guān)系

混凝土立方體抗壓強度依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T50081-2019)進行測定[20]。圖3為各試件在不同齡期下的抗壓強度分布。由圖3可知，隨養(yǎng)護時間增長，混凝土試件抗壓強度不斷增加。當水灰比一定時，對于任意摻量膨潤土的混凝土試件，每組混凝土試件的抗壓強度隨齡期增長而增加。以L1B5組試件為例，其在7 d的抗壓強度為23.06 MPa，而在14 d與28 d的抗壓強度分別為28.3 MPa與30.5 MPa，對比增長了22.7%與32.3%。此外，在養(yǎng)護齡期至14 d后，各組試件的抗壓強度隨養(yǎng)護時間增加呈現(xiàn)增速緩慢的現(xiàn)象，這主要是由于混凝土的水化反應(yīng)在此階段已處于基本完成狀態(tài)。

圖3 不同水灰比與不同齡期下試件的抗壓強度

3.3 混凝土抗壓強度與膨潤土摻量關(guān)系

圖4給出了不同W/C和養(yǎng)護齡期下，試件抗壓強度隨膨潤土取代量變化的關(guān)系曲線。由圖4可知，當W/C為0.36時，除L1B15試件在7d齡期時的抗壓強度略高于未摻膨潤土的標準試件(L1B0)外，其他試件(即L1B5、L1B10與L1B20)在各養(yǎng)護齡期時的抗壓強度均低于標準試件L1B0(圖4(a))。此外，當W/C為0.55時，各組摻有膨潤土的試件(即L2B5、L2B10、L2B15與L2B20)在各養(yǎng)護齡期時測得的抗壓強度均低于標準試件L2B0(圖4(b))。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要為：膨潤土等量取代了混凝土中部分水泥，導(dǎo)致參與水化反應(yīng)的水泥量減少，水化過程中生成的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠(即水化硅酸鈣)的含量相應(yīng)減小。水化產(chǎn)物C-S-H凝膠是粘結(jié)混凝土中粗細骨料主要物質(zhì)，因此摻有膨潤土的試件內(nèi)部骨料粘結(jié)度與標準混凝土試件相比要低，導(dǎo)致其抗壓強度降低。另一方面，對于28 d齡期試件，隨膨潤土摻量增加，試件抗壓強度均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，膨潤土摻量為10%的L1B10或L2B10試件抗壓強度均高于其他試件。這表明在膨潤土摻量為5%～15%時，可能存在一個最優(yōu)摻量使得摻膨潤土試件的抗壓強度與標準試件差距不明顯。因此，本試驗建議的最優(yōu)膨潤土摻量為10%。

圖4 不同齡期試件抗壓強度隨膨潤土取代量變化規(guī)律

3.4 混凝土抗壓強度與水灰比關(guān)系

圖5表征了混凝土試件的抗壓強度與W/C的關(guān)系。由圖5可知，不論膨潤土摻量的占比如何取值，混凝土試件的抗壓強度均隨W/C的增加而降低，W/C=0.55試件的抗壓強度低于W/C=0.36試件。如對于5%膨潤土摻量試件，在14 d的養(yǎng)護齡期時，W/C=0.36試件的抗壓強度為28.3 MPa，而W/C=0.55試件的抗壓強度為19.8 MPa，降幅為30%(圖5(b))。這主要是因為在W/C=0.55(此時水灰比較高)條件下，試件內(nèi)部混凝土的水化產(chǎn)物不能將骨料完整的粘結(jié)起來，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實度差。此外，W/C=0.55的試件水分蒸發(fā)后生成的孔洞更多，進一步影響了試件的抗壓強度。由圖5可知，當W/C為0.36時，摻膨潤土的試件與標準試件(L1B0)相比，抗壓強度的損失量均小于10%，而當W/C為0.55時，摻膨潤土的試件與標準試件(L2B0)相比，抗壓強度的損失量均大于25%。這表明W/C對試件抗壓強度的影響大于膨潤土取代量的影響。

圖5 混凝土抗壓強度隨水灰比變化規(guī)律

3.5 SEM微觀分析

采用掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscopy，SEM)對試件進行微觀分析，以W/C為0.36的試件為例進行說明。圖6為試件L1B0至L1B20的水化過程顯微照片。由圖6可知，不含膨潤土的標準試件L1B0水化反應(yīng)比較完全，水化產(chǎn)物中的水合硅酸鈣(C-S-H)與氫氧化鈣(CH)交織，氫氧化鈣存在富集現(xiàn)象，且可觀察到微量針狀鈣礬石(Aft)分布(圖6(a))。試件L1B5的水化反應(yīng)結(jié)果與標準試件L1B0類似，但試件L1B5的水化產(chǎn)物表面更致密，C-S-H凝膠基本以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為主，僅有少量針狀A(yù)ft分布(圖6(b))。與試件L1B0與L1B5相比，試件L1B10的水化反應(yīng)相對完全，含有較少的水化顆粒，表面較為均勻，水化產(chǎn)物CH含量顯著降低(圖6(c))。這主要是由于膨潤土參與水化反應(yīng)消耗了部分CH，使得結(jié)構(gòu)更為密實。L1B15試樣表面呈現(xiàn)出C-S-H與CH交錯，中間夾有一定量的AFt現(xiàn)象(圖6(d))。膨潤土含量最高的L1B20試件水化反應(yīng)完全，表面較為均勻致密，未見到孔隙與裂縫，可觀察到少量CH均勻分布(圖6(e))。上述SEM結(jié)果表明，膨潤土的加入可以消耗水泥水化反應(yīng)生成的CH，進一步降低CH的含量，并且膨潤土可使結(jié)構(gòu)更為均勻致密。

圖6 試件水化產(chǎn)物的SEM

4 結(jié)論

本文對于摻膨潤土的混凝土試件進行了抗壓試驗研究和SEM掃描電鏡微觀分析，揭示了摻膨潤土試件的受壓失效模式，討論了試件抗壓強度與養(yǎng)護齡期、膨潤土摻量及水灰比的關(guān)系，表征了膨潤土對混凝土水化反應(yīng)的影響，主要結(jié)論如下：

(1)試件的抗壓強度隨養(yǎng)護時間增長而增強，不同膨潤土摻量的試件其抗壓強度增長速率不同，試件養(yǎng)護至14d后，抗壓強度的增速隨養(yǎng)護時間增長呈現(xiàn)減緩趨勢。

(2) 摻入的膨潤土等量取代了混凝土中部分水泥，導(dǎo)致參與水化反應(yīng)的水泥量減少，摻膨潤土試件在各養(yǎng)護齡期下的抗壓強度均低于標準混凝土試件。

(3) 試件的抗壓強度均隨水灰比的增加而降低，水灰比對試件的抗壓強度影響大于膨潤土摻量的影響。本文建議的膨潤土最優(yōu)摻量為10%。

(4) 膨潤土在混凝土水化反應(yīng)后期，與水化產(chǎn)物氫氧化鈣(CH)反應(yīng)，從而消耗了大量氫氧化鈣(CH)，并生成了的水合硅酸鈣(C-S-H)凝膠，從而降低了混凝土的孔隙率，使得混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密。

本文僅開展了摻膨潤土混凝土試件的抗壓強度研究，然而膨潤土的主要作用是提升混凝土的抗氯離子滲透能力，以后將圍繞摻膨潤土對混凝土試件抗氯離子滲透性能的影響規(guī)律展開深入地研究。