膨潤(rùn)土對(duì)超高性能混凝土性能影響研究

文／吳赟 山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 山東濟(jì)南 250000

引言：

隨著現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，混凝土作為重要的工程材料，其需求量也是日益增多，讓學(xué)術(shù)界對(duì)其性能的要求也就越來(lái)越高[1]。在混凝土拌合之后，由于會(huì)受到塑性收縮、自收縮、干燥收縮以及各種收縮的影響，會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)收縮開裂的問題，從而對(duì)混凝土的耐久性有不利影響。目前減少混凝土的收縮問題的方法有：摻入膨脹劑補(bǔ)償收縮、摻入纖維、摻入減縮劑等。摻入膨脹劑的混凝土確實(shí)可以補(bǔ)償收縮，但是在低水膠比混凝土中的收縮補(bǔ)償效果不太好，無(wú)法充分反應(yīng)。纖維可以在一定程度上減少收縮，但當(dāng)纖維分布不均時(shí)，也不利于混凝土的耐久性。而減縮劑在混凝土的使用，能有效地減少混凝土的收縮，為混凝土收縮的減少提供了穩(wěn)定的方法。

1.實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與材料

超高性能混凝土采用普通硅酸鹽水泥(52.5P·O)、硅灰、石灰粉和膨潤(rùn)土(bentonite,BT)作為膠凝材料，河砂(0～0.6mm、0.6mm～1.25mm) 作為細(xì)骨料和PC-10 聚羧酸系高性能減水劑作為減水劑(固體含量20%)。這些粉體的粒徑分布分析如圖1 所示。此外，還采用了長(zhǎng)度為13mm、直徑為0.2mm 的直鋼纖維。

圖1 各原材料的粒徑分布

膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主要成分的黃白色片狀粘土。蒙脫石由兩層硅氧四面體和一層氧化鋁八面體組成，屬于2:1層狀硅酸鹽。八面體和四面體結(jié)構(gòu)中的Al3+和Si4+可以被低價(jià)陽(yáng)離子取代，使蒙脫石晶體層帶負(fù)電荷。Na+、Ca2+等陽(yáng)離子被吸附到層間以平衡蒙脫石表面的負(fù)電荷。蒙脫石晶格中陽(yáng)離子交換的結(jié)構(gòu)特征決定了蒙脫石具有良好的陽(yáng)離子交換、溶脹、吸附和觸變性等性能。

1.2 試驗(yàn)配合比

依據(jù)《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》中的規(guī)定合理設(shè)計(jì)水工混凝土配合比[3]。采用膨潤(rùn)土等量替代基準(zhǔn)配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，對(duì)0%、3%膨潤(rùn)土摻量且水膠比0.36 基準(zhǔn)組，通過適當(dāng)增大或減小用水量把水膠比調(diào)整成0.30、0.40，通過控制減水劑摻量將拌合物坍落度調(diào)整到180～220mm 范圍內(nèi)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 流動(dòng)度

本實(shí)驗(yàn)以（GB/T2419-2005）《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)UHPC 的流動(dòng)度進(jìn)行測(cè)試。首先，將攪拌后的UHPC 漿體倒入上、下孔直徑分別為70mm 和100mm，高度為60mm 的截錐圓模具中，將多余漿體刮去直至與模具上表面齊平。然后以緩慢又均勻的速度將模具垂直向上提起，讓漿體完全流出，待UHPC 漿體流動(dòng)停止后，測(cè)量最長(zhǎng)直徑及其垂直直徑并取兩者的平均值為流動(dòng)度。

1.3.2 塑性收縮實(shí)驗(yàn)

混凝土塑性收縮實(shí)驗(yàn)采用平板開裂法，實(shí)驗(yàn)裝置、試件尺寸以及實(shí)驗(yàn)步驟按照SL/T352-2020《水工混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將成型好的試樣放在20±2℃，相對(duì)濕度60±5%的室內(nèi)，在風(fēng)速5±0.5m/s 的風(fēng)扇吹拂下，24h 后，測(cè)量和記錄裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度以及寬度。計(jì)算單位面積上的總開裂面積，以此數(shù)據(jù)作為指標(biāo)。

1.3.3 力學(xué)性能

本實(shí)驗(yàn)以（GB/T17671-1999）《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)UHPC 的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。UHPC 試塊在48h 蒸汽養(yǎng)護(hù)（養(yǎng)護(hù)條件，溫度與濕度）后對(duì)其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)配合比重復(fù)測(cè)試三次，然后取其平均值為結(jié)果。所用力學(xué)性能測(cè)試的儀器為無(wú)錫市的錫東建材設(shè)備廠所生產(chǎn)的壓力試驗(yàn)機(jī)（JES-2000A）。

1.3.4 劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)參照SL/T352-2020《水工混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，試件尺寸為150mm×150mm×150mm，養(yǎng)護(hù)條件同上。分別測(cè)其3d、7d、28d、60d 的劈裂抗拉強(qiáng)度。

2.結(jié)果分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用膨潤(rùn)土等量替代基準(zhǔn)配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，經(jīng)水化28d 后利用掃描電鏡觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未摻膨潤(rùn)土組存在大量相互搭接的纖維狀水化硅酸鈣凝膠，內(nèi)部孔隙較多；摻3%膨潤(rùn)土?xí)r，內(nèi)部孔隙明顯減少，這是由于膨潤(rùn)土吸水膨脹后堵塞內(nèi)部孔隙，混凝土孔隙率明顯下降；摻7%膨潤(rùn)土?xí)r，部分纖維狀結(jié)晶相互分散且被包裹，這是因?yàn)檫^多的膨潤(rùn)土吸附了大量水分，阻礙了水泥水化，使得內(nèi)部C-S-H 凝膠量減少，結(jié)構(gòu)密實(shí)度以及C-S-H 的搭接程度下降，水工混凝土抗氯離子滲透性和抗氣體滲透性變差。由于膨潤(rùn)土的離子交換性能及其對(duì)水化產(chǎn)物的包裹作用可以有效地延緩氯離子擴(kuò)散，相較于抗氣體滲透性其抗氯離子滲透性更優(yōu)。

2.2 流動(dòng)度

不同膨潤(rùn)土摻雜含量的UHPC 流動(dòng)度的結(jié)果可以看出，隨著膨潤(rùn)土的摻入，新拌UHPC 漿體的流動(dòng)度不斷下降。本實(shí)驗(yàn)中，未摻入膨潤(rùn)土的UHPC 漿體（標(biāo)準(zhǔn)組）的流動(dòng)度最高，為261mm。在加入2.5%、5.0%和7.5%的膨潤(rùn)土后，流動(dòng)度呈現(xiàn)大幅度的下降，相比于標(biāo)準(zhǔn)組分別了下降了10.3%、32.0%和54.0%。當(dāng)膨潤(rùn)土摻入量為10.0%時(shí)，此時(shí)新拌UHPC 漿體幾乎沒有流動(dòng)性，漿體的黏聚性較高。上述現(xiàn)象可以從膨潤(rùn)土作用機(jī)制解釋。一方面，膨潤(rùn)土具有較大的比表面積和層狀的微觀結(jié)構(gòu)，通常通過吸附水分子來(lái)降低其表面能，這導(dǎo)致了分散水泥的自由水減少，因此，新拌UHPC 漿體的流動(dòng)度下降。另一方面，膨潤(rùn)土因?yàn)槠涮厥饨Y(jié)構(gòu)可以將聚羧酸減水劑吸附在表面。研究了鈉基蒙脫石對(duì)水泥流動(dòng)性的影響及機(jī)理，結(jié)果表明，鈉基蒙脫石的水泥替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，其對(duì)減水劑吸附量是水泥材料的2.16 倍，為18.33mg/g。

2.3 HPC 彈性模量受溫度的影響

通常彈性模量作為研究高性能混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的一種表征參量，高性能混凝土的應(yīng)力和應(yīng)變可以通過式（1）和式（2）計(jì)算得到，混凝土的彈性模量E 是由實(shí)際測(cè)到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中對(duì)應(yīng)切線率可以表述為和σ=0.4fTC對(duì)應(yīng)的應(yīng)變的比值[2]。由表1 中的數(shù)據(jù)可知，不同強(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土的彈性模量E 在不同沖擊速度作用下，受溫度升高的變化影響很明顯，即使溫度繼續(xù)升高，但是彈性模量下降的速度會(huì)越來(lái)越慢，最后趨于一致。

小結(jié)：等級(jí)越高的高性能混凝土在受高溫作用時(shí)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能越差，劣化程度越大；不同強(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土的彈性模量E 在不同沖擊速度作用下，受溫度升高的變化影響很明顯；隨著溫度的升高，彈性模量反而明顯下降，但是下降的幅度越來(lái)越小。

2.4 抗折強(qiáng)度

為研究鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土抗折強(qiáng)度的影響，針對(duì)鋼纖維摻量分別為0%,1%,2%,3%及4%的超高性能混凝土抗折強(qiáng)度變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，隨著鋼纖維摻量的增大，超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度呈先增后減的變化趨勢(shì)，說(shuō)明鋼纖維的摻入對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度具有增強(qiáng)作用，但摻量不宜過大。未摻入鋼纖維的超高性能混凝土抗折強(qiáng)度為22.7MPa，在分別摻入1%,2%,3%和4%鋼纖維后，超高性能混凝土抗折強(qiáng)度分別增至23.8MPa、38.1MPa、46.3MPa 和36.2MPa，可以看出在摻入1%纖維后，混凝土的抗折強(qiáng)度增幅較小，而纖維摻量由2%增至3%階段增幅效果最為顯著，但纖維摻量超過3%后的增幅效果有所下降，說(shuō)明纖維摻量超過3%對(duì)于改善混凝土抗折強(qiáng)度效果不大，由此說(shuō)明鋼纖維的最佳摻量為3%，而過量摻入鋼纖維反而會(huì)降低混凝土的抗折強(qiáng)度。

2.5 溫度對(duì)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響

高溫SHPB 試驗(yàn)的影響因素很多，為了保證試驗(yàn)效果的準(zhǔn)確性，本文在相同條件下HPC 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度平均值作為試驗(yàn)中的強(qiáng)度。溫度小于250℃，子彈沖擊氣壓為0.3MPa、0.5MPa 時(shí)，HPC 動(dòng)態(tài)峰值在不同強(qiáng)度等級(jí)中對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)峰值隨著溫度的升高而增大，變化程度強(qiáng)烈；當(dāng)溫度為350℃時(shí)，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和常溫下的動(dòng)態(tài)峰值幾乎一樣；當(dāng)溫度大于350℃，對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)峰值和溫度反而呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和溫度變化的關(guān)系可知，在一定溫度范圍內(nèi)HPC 試件動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨著溫度的升高而增大，當(dāng)過了這個(gè)溫度臨界值，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力就會(huì)隨著溫度的上升而下降。當(dāng)子彈的沖擊氣壓提升為0.7MPa、1.1MPa 時(shí)，溫度小于250℃時(shí)，溫HPC 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力受溫度變化的影響并不明顯，當(dāng)溫度大于250℃時(shí)，試件動(dòng)態(tài)峰值的應(yīng)力隨著溫度的升高反而不斷下降，兩者的變化情況并不明顯，幾乎一致。究其主要原因是0.7MPa 的子彈沖擊氣壓是HPC 試件常溫下SHPB 試驗(yàn)中破壞臨界的沖擊氣壓值。由此可知，高性能混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和溫度的關(guān)系同應(yīng)變率和溫度的影響關(guān)系呈現(xiàn)相反效應(yīng)。

2.6 工作性能

為研究鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土工作性能的影響，針對(duì)鋼纖維摻量分別為0%、1%、2%、3%及4%。隨著鋼纖維摻量的增大，超高性能混凝土的擴(kuò)展度呈不斷減小的變化趨勢(shì)，說(shuō)明鋼纖維的摻入會(huì)降低混凝土的工作性能，主要原因是纖維的摻入增大了水泥漿體間的摩擦力，從而導(dǎo)致混凝土的流動(dòng)性下降。當(dāng)鋼纖維摻量由0%增至1%時(shí)，混凝土的擴(kuò)展度由684mm 減至637mm，下降了近47mm，減小幅度相對(duì)較大；而鋼纖維摻量由1%增至3%時(shí)，混凝土的擴(kuò)展度由637mm 減至609mm，總體僅下降28mm，減小幅度較小；但鋼纖維摻量由3%增至4%時(shí)，混凝土的擴(kuò)展度由609mm 減至572mm，下降了近37mm，減小幅度顯著增大。由此說(shuō)明，鋼纖維的摻入會(huì)導(dǎo)致超高性能混凝土的擴(kuò)展度下降，但適量鋼纖維的摻入不會(huì)對(duì)其工作性能產(chǎn)生太大影響，建議鋼纖維摻量不超過3%。

2.7 含氣量對(duì)混凝土氣泡間距系數(shù)的影響

隨著含氣量的增加，混凝土的氣泡間距系數(shù)先減小后增加。當(dāng)含氣量增加至5.4%時(shí)，氣泡間距系數(shù)減小至146.682μm；當(dāng)含氣量繼續(xù)增大到7.4%時(shí)，混凝土的氣泡間距系數(shù)反而增加，增加到191.236μm。這是由于引氣劑主要引入10μm～1mm 的氣泡，引氣劑摻量的增加導(dǎo)致含氣量的增加，則新拌混凝土中的氣泡數(shù)量增加，氣泡間距系數(shù)減小。當(dāng)含氣量過高時(shí)，所引入混凝土中的氣泡過多，小氣泡容易聚齊在一起形成大氣泡，導(dǎo)致大氣泡數(shù)量占總氣泡數(shù)量的比例增加，氣泡間距系數(shù)反而增大。

2.8 減縮劑對(duì)混凝土干縮的影響

試樣的干燥收縮發(fā)展的趨勢(shì)基本相同，在前14d，干燥收縮迅速發(fā)展，14d 之后趨勢(shì)趨于平緩。Mt 多羥基化合物能夠有效地降低混凝土的干燥收縮。效果最好的是當(dāng)摻量為0.5%的時(shí)候，和空白組相比，其1d、3d、7d、21d、28d、35d、42d、49d、56d 的干燥收縮分別降低了46%、32%、30%、23%、26%、27%、27%、26%、28%、26%。隨著齡期的增加，下降的幅度也隨之降低。干燥收縮是混凝土在停止養(yǎng)護(hù)后，處于不飽和的濕空氣內(nèi)，內(nèi)部的毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水蒸發(fā)而引起的收縮。而減縮劑可以降低孔隙溶液的表面張力，根據(jù)拉普拉斯公式可知，隨著孔隙溶液表面張力的降低，當(dāng)混凝土毛細(xì)孔和凝膠孔蒸發(fā)吸附水而引起的負(fù)壓也隨之減小，從起到降低混凝土干燥收縮的效果。

2.9 顆粒級(jí)配對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

從當(dāng)前的實(shí)際情況分析，很多研究人員通過試驗(yàn)利用機(jī)制砂配制混凝土，較之相同條件下應(yīng)用河砂效果更好，混凝土強(qiáng)度合格。郭丹等人通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)制砂1.18mm 以上顆粒的不斷增加，配制出來(lái)的膠砂的強(qiáng)度也不斷增加，當(dāng)1.18mm 以上的顆粒含量超過40%時(shí)，其膠砂的稠度和強(qiáng)度均大幅提升，所拌制的混凝土在強(qiáng)度方面也有較好的表現(xiàn)。因此，在配制高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?xí)r，應(yīng)該選用偏粗的機(jī)制砂級(jí)配，以此獲得更好的混凝土強(qiáng)度。在配合比參數(shù)設(shè)計(jì)相同的情況下，采用相同的原材料，僅僅只是在機(jī)制砂的顆粒級(jí)配方面進(jìn)行變化，都會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能造成較大的影響。因此，混凝土中的組成結(jié)構(gòu)級(jí)混凝土的密實(shí)性才是影響混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。從絕大多數(shù)中高強(qiáng)混凝土進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)后破碎面的破碎特征中能看出，細(xì)集料破壞基本都是在抗壓過程中發(fā)生了斷裂破壞。而1.18mm 是一個(gè)關(guān)鍵的分界線，1.18mm 篩檔以下的微骨料主要是與水泥一同形成水泥石，對(duì)混凝土的受力作用貢獻(xiàn)很小。C80 混凝土屬于高強(qiáng)度混凝土，整體中所含的粉體材料較多，與一般的中低強(qiáng)度混凝土相比，需要更多較粗的顆粒形成微骨架。在配制時(shí)需要控制機(jī)制砂中1.18mm 以上顆粒含量，最好1.18mm 篩孔篩余量在40-50%，以確保其擁有更好的力學(xué)性能。

結(jié)語(yǔ)：

（1）隨著膨潤(rùn)土的摻入，新拌UHPC 漿體的流動(dòng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)膨潤(rùn)土摻入量為10.0%時(shí)，此時(shí)新鮮UHPC 漿體幾乎沒有流動(dòng)性，漿體的黏聚性較高。

（2）當(dāng)膨潤(rùn)土含量為5.0%以下時(shí)，UHPC 基體的抗壓強(qiáng)度約為120MPa；隨著膨潤(rùn)土含量的增加，UHPC基體的抗折強(qiáng)度變化不大仍舊保持在13MPa～14MPa范圍內(nèi)。

（3）隨著膨潤(rùn)土摻入量的逐步增加，UHPFRC 的抗折強(qiáng)度分別提高了9.0%、17.6%、18.5%和6.1%。此外，當(dāng)膨潤(rùn)土摻入量為2.5%和5.0%時(shí)，兩者抗壓強(qiáng)度在160MPa 左右波動(dòng)，仍舊具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

（4）摻入膨潤(rùn)土的UHPFRC 的鋼纖維使用效率始終大于未摻入膨潤(rùn)土的UHPFRC。此外，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，UHPFRC 的鋼纖維的使用效率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)。

（5）水工混凝土的電通量與氣體滲透系數(shù)呈顯著正相關(guān)性，摻入適量的膨潤(rùn)土可在一定程度上降低水工混凝土孔隙。

高性能輕質(zhì)混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱、節(jié)能環(huán)保、高耐久性等優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的裝配式結(jié)構(gòu)、建筑節(jié)能、特殊環(huán)境下的結(jié)構(gòu)加固、恒載限制的結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用具有巨大的開發(fā)前景。本文從力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和耐久性方面闡述了輕質(zhì)混凝土的增強(qiáng)工藝和主要參數(shù)，得出可采用多種增強(qiáng)工藝協(xié)同的方法使普通輕質(zhì)混凝土增強(qiáng)，優(yōu)化性能參數(shù)，提升制備工藝。總結(jié)分析了高性能輕質(zhì)混凝土應(yīng)用現(xiàn)狀和前景，高性能輕質(zhì)混凝土的性能優(yōu)勢(shì)為建筑工程、高速鐵路和橋梁工程的安全高質(zhì)量建設(shè)提供了更好的條件。本文提出的高性能輕質(zhì)混凝土性能增強(qiáng)方法及性能參數(shù)，可為輕質(zhì)混凝土材料的優(yōu)化和工程應(yīng)用提供參考。