加壓工藝對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響研究

文／張露 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074

浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院 浙江寧波 315100

引言：

國內(nèi)外有部分學(xué)者對壓力成型的水泥基材料制備方法開展過研究討論。黃世峰等[5]利用電動壓片機將拌合物壓制成型，研究發(fā)現(xiàn)10MPa 成型壓力制備的碳纖維增強水泥復(fù)合材料孔隙率明顯低于2MPa 成型壓力制備的復(fù)合材料。何娟等[6]通過施加12MPa 成型壓力制備玻璃纖維增強水泥，將抗彎剛度相對于成型壓力為0MPa 的玻璃纖維增強水泥提升了72.5%。以上所述的均為短期加壓，而持續(xù)加壓的制備方法則少有報道。

本文通過持續(xù)加壓的方式對普通混凝土進行壓力成型，研究了不同增壓壓力對普通混凝土力學(xué)性能及抗氯離子滲透性能的提升效果，測試了試樣氣孔結(jié)構(gòu)及界面過渡區(qū)顯微硬度，探究持續(xù)加壓下成型的混凝土宏觀性能提升的機理。

1.試驗過程

1.1 試驗材料

試件采用C30 混凝土，水灰比為0.48。材料選用浙江象山海螺牌P.O 42.5 級水泥，細骨料為天然河砂，粗骨料為粒徑5～20mm 連續(xù)級配的碎石?；炷僚浜媳热绫?所示。

表1 混凝土配合比設(shè)計（kg/m3）

1.2 試驗設(shè)計

圖1 表示增壓試件制備的過程。首先根據(jù)表1 稱取一定質(zhì)量比的水泥等材料，置于混凝土攪拌機中混合均勻，澆筑于內(nèi)徑100mm、高度500mm 的鋼制模具中振搗后用鋼制活塞扣緊密封。試件增壓過程通過徐變儀實現(xiàn)。將裝有拌合料的鋼質(zhì)模具放入徐變儀中心處，通過液壓千斤頂對其施加豎向壓力直至到達設(shè)計增壓壓力，擰緊徐變儀螺母并保持壓力狀態(tài)2d 后卸壓。卸壓后移出徐變儀并通過千斤頂將模具內(nèi)部的硬化混凝土取出，隨后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護。

圖1 增壓試件制備過程

設(shè)計增壓壓力如表2所示。其中，S（Standard）代表成型壓力為0MPa 的標(biāo)準(zhǔn)試件，澆筑振搗后與其他試件放置于相同溫濕度環(huán)境中。P（Pressurized）代表在不同成型壓力下成型的增壓試件。何娟等人[6]試驗表明12MPa 成型壓力。

以下的試驗結(jié)果良好，本試驗選擇5～15MPa 區(qū)間內(nèi)，以5MPa 為梯度，設(shè)計不同增壓壓強（5MPa、10M Pa、15MPa）。P5 即為增壓5MPa 下成型的混凝土試件。表2 中各試驗組的增壓壓力由基本力與壓強公式（1）計算得到。

表2 試驗設(shè)計分組

式中，F(xiàn) 為壓力，kN；P 為壓強，MPa；S 為受力面積，m2。

上表中，有些論文授予名單上題名是中文題名，但是實際紙本上題名為英文題名，如表中序號為2、4、8、15、16、17、19、28的博士論文。有些論文授予名單上題名是英文題名，而實際紙本題名為中文題名，如表中序號為7、9、11、12、13、18、21、22的論文。還有的論文授予名單上題名與紙本論文題名存在差異，如序號為14的論文。

1.3 測試方法

1.3.1 抗壓強度

混凝土力學(xué)性能測試參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081）中的附錄C。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至28d 后被分別取出，切割為直徑100mm、高度200mm 的試塊進行抗壓強度測試。

1.3.2 抗氯離子滲透性能

混凝土抗氯離子滲透試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082）和《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTG/T B07-01）中的快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM 法），測定氯離子在28d 混凝土試件中非穩(wěn)態(tài)遷移的遷移系數(shù)來確定混凝土抗氯離子滲透性能。

1.3.3 氣孔結(jié)構(gòu)

采用精密切割機將各試驗組養(yǎng)護28d 的試件切割3個40mm×40mm×10mm 的試塊，分別取自原試件上、中、下部位。將試樣待測面置于研磨機上依次用粒度為80、240、400、800、1200（單位待返）的砂紙打磨拋光后，利用記號筆涂黑待測面并均勻涂抹納米級碳酸鈣粉末。運用硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀測試混凝土孔結(jié)構(gòu)，獲得硬化混凝土的平均氣泡半徑等氣泡特征參數(shù)，結(jié)果取平均。

1.3.4 顯微硬度

采用精密切割機將養(yǎng)護28d 的試件切割為40m m×40mm×10mm 的試塊。將試樣待測面置于研磨機上依次用粒度為80、240、400、800、1200 目的砂紙打磨拋光。各試塊選取2 個骨料測試，其中各骨料沿界面法線方向測試17 點（各點間隔10μm），沿不同法線方向測試3 次，結(jié)果取平均。

2.試驗結(jié)果

2.1 外增壓對抗壓強度的影響

各試驗組在28d 養(yǎng)護齡期的抗壓強度如圖2所示。

圖2 28d 齡期下混凝土抗壓強度

由圖可知，不同壓力下成型的混凝土在28d 齡期下抗壓強度均有不同程度的提升。其中，P5 組在齡期28d時的抗壓強度比S 組提高了12.7%； P10 組的抗壓強度比S 組提升了27.4%，增幅最為顯著。然而，P15組并未實現(xiàn)抗壓強度的進一步提升，與S 組相比，其在28d 齡期的抗壓強度提高了11.9%，提升效果與P5 組相近。

2.2 外增壓對抗氯離子滲透性能的影響

各試驗組混凝土試件的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同增壓壓力下混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)

由圖可知，持續(xù)增壓成型對混凝土的抗氯離子滲透性能有明顯的提升效果。其中，P5 組、P10 組及P15 組的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)相比S 組，分別降低了36.2%、48.9%及34%，P10 組的抗氯離子滲透性能提升最為顯著。

2.3 外增壓對氣孔結(jié)構(gòu)的影響

圖4 表示不同增壓壓力下成型的混凝土通過氣孔結(jié)構(gòu)分析儀所測得的氣泡平均半徑及含氣量。

圖4 不同增壓壓力下混凝土氣泡參數(shù)

從圖4 中可知，增壓試件組的含氣量相較于S 組均在一定程度上減少。P5 組的含氣量比S 組減少了33.3%，P10 組的含氣量比S 組減少了50%，說明在混凝土成型期對其施加壓力時，其內(nèi)部的部分空氣被擠壓而出，致使混凝土含氣量減少。P5 組和P10 組的氣泡平均半徑與S 組分別減小了20%和30%。P15 組表現(xiàn)出不同的變化特征，其含氣量下降量少，且氣泡平均半徑與S 組接近。分析其原因為：當(dāng)增壓壓力為5MPa和10MPa 時，水泥砂漿中氣泡平均半徑顯著減小，說明混凝土拌合物受到壓力作用，水泥砂漿更容易向孔隙擠壓填充，硬化后更加密實。另一方面，氣泡所受到的液體靜壓力越大，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程（2）可知，氣泡的體積越小，因此氣泡的平均半徑越小[7]。而P15 在壓力卸載后，回彈的體積較大，可能混凝土內(nèi)部在體積回彈的過程中受到拉應(yīng)力影響，原本被壓密實的部分出現(xiàn)缺陷，測得的氣泡參數(shù)劣化。

式中，p 為壓強，Pa；V 為氣體體積，m3；T 為溫度，K；n 為氣體的物質(zhì)的量，mol；R 為摩爾氣體常數(shù)，J/（mol.K)。

2.4 外增壓對界面過渡區(qū)的影響

圖5 是不同外增壓壓力下混凝土界面過渡區(qū)顯微硬度的變化規(guī)律，粉色區(qū)域代表增壓混凝土砂漿基體部分的顯微硬度。

由圖5 可知，S 組在界面過渡區(qū)的顯微硬度最小值為77.8MPa，而P10 在界面過渡區(qū)的顯微硬度最小值為122.8MPa，與S 相比顯著提升57.8%，明顯改善界面過渡區(qū)薄弱處；P5、P15 的混凝土在界面過渡區(qū)的最小顯微硬度值相較于S 分別高約38MPa 和23MPa。

圖5 不同增壓壓力下混凝土界面過渡區(qū)顯微硬度

增壓試件的砂漿基體部分的平均顯微硬度值，隨增壓壓力增大分別達到156.2MPa、166MPa、154.8M Pa，比S 組分別提升10%、17%、9%。同時，增壓混凝土界面過渡區(qū)的寬度均比S 組小。由測試結(jié)果可知，持續(xù)壓力下成型的混凝土界面過渡區(qū)及砂漿基體的顯微硬度值均比無增壓混凝土高，且界面過渡區(qū)寬度減小。在增壓壓力作用下，水泥砂漿與骨料相互擠壓，原本自然產(chǎn)生的虧缺帶擠進了更多的水泥顆粒，使得界面過渡區(qū)比普通混凝土更加密實且窄小。

3.討論與分析

3.1 持續(xù)加壓的增強原因分析

通過對新拌混凝土加壓，首先拌合物體積將會明顯縮小。在初步加壓的過程中，水泥砂漿和骨料在壓力作用下移動并填充孔隙。部分孔隙內(nèi)部空氣受擠壓排出，使混凝土含氣量明顯下降。與未增壓混凝土相比，相同體積下增壓混凝土的密度更大，硬化后水泥砂漿的密實程度更高。

氣泡受到液體靜壓力的影響，氣泡體積減小，從而減小了氣泡半徑。同時，骨料附近的水泥顆粒不再隨機分布，而是在壓力作用下靠近并填充骨料邊緣的疏松區(qū)，致使混凝土界面過渡區(qū)密實程度提高，疏松的孔洞減少。

因此，持續(xù)加壓成型對混凝土性能優(yōu)化主要體現(xiàn)改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，混凝土更加均勻致密，從而阻礙或切斷氯離子滲入途徑，增強了混凝土抗氯離子滲透性能，提升了混凝土的耐久性。

3.2 壓力過大的不利影響分析

持續(xù)加壓的試件在卸壓時也面臨回彈變形的問題，這時混凝土雖然已經(jīng)產(chǎn)生一定程度抵抗應(yīng)力的能力，但可能不足以抵抗回彈拉應(yīng)力而導(dǎo)致?lián)p傷。在施加壓力過大的情況下，卸壓時混凝土回彈變形的體積更大，拉應(yīng)力更大。原本擠壓密實的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在過大的拉應(yīng)力下開裂，出現(xiàn)更多微缺陷與孔隙，與持續(xù)加壓作用的積極效應(yīng)相抵消，從而表現(xiàn)出混凝土力學(xué)性能與耐久性能提升不明顯的現(xiàn)象。

結(jié)語：

對混凝土拌合物進行持續(xù)加壓成型的試驗研究，測試硬化后混凝土的力學(xué)性能和抗氯離子滲透性能，并且對試件氣孔結(jié)構(gòu)和界面過渡區(qū)進行測試分析，得到如下結(jié)論：（1）持續(xù)壓力作用下，混凝土體積明顯縮小、含氣量減少；氣泡受壓力影響，硬化后氣孔平均孔徑減小；同時骨料邊緣水泥顆粒密集，砂漿-骨料界面過渡區(qū)增強。（2）持續(xù)加壓成型混凝土的細微觀結(jié)構(gòu)得到改善，混凝土內(nèi)部界面強化，混凝土力學(xué)性能及耐久性能提升。在10MPa 壓力作用下，混凝土28d 抗壓強度提升了31.1%，抗氯離子滲透性能提升了48.9%。（3）增壓壓力并非越大越好，本文P15 組的混凝土性能提升效果不及P10 組，其主要原因為卸壓時混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力造成混凝土的內(nèi)部缺陷，抵消了增壓的部分有利影響。受限于加壓過程不便在線檢測，損傷的定量分析有待進一步明確。