陶砂對石灰石-煅燒黏土-水泥砂漿性能的影響

程書凱，游 嘯，陳旭勇，*，陳 康，吳子楊

（1.武漢工程大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430073；2.武漢工程大學 綠色土木工程材料與結構湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430073）

普通混凝土由于結構自重大，導致出現基礎承載力大、補強修復困難等問題，嚴重制約了混凝土結構的發展. 輕骨料混凝土具有降低結構恒載、提高隔熱性能、抗震性能和環境負荷小等優點，已廣泛應用于中高層建筑、大中跨度橋梁和惡劣海洋環境等結構中［1-3］.采用人造陶砂制備輕質混凝土是降低混凝土容重的有效途徑之一.陶砂不僅具有良好的隔熱性能和低彈性模量等特點，還具有吸水和釋水特性.將其作為砂漿和混凝土的內部成分，可以減緩水分損失，維持砂漿和混凝土內部濕度，促進水泥的水化反應，從而產生致密的微觀結構［4-8］. 因此，研究和制備輕質砂漿及輕質混凝土對于工程結構和混凝土材料的進步具有重要意義.

石灰石-煅燒黏土-水泥（LC3）是一種向水泥中復摻石灰石粉和煅燒黏土制得的新型膠凝材料［9］.研究表明［10］，合適配合比的石灰石粉和煅燒黏土復摻后可以有效細化水泥孔徑，改善力學性能等.Dhandapani 等［11］研究發現，LC3 的滲透性遠低于普通硅酸鹽水泥和粉煤灰基混凝土，其抗氯離子侵蝕能力優于后兩者.另外LC3 中的水泥熟料替代率可達50%，且不會對力學性能產生明顯影響［12］.

鑒于中國豐富的黏土和石灰石粉資源，制備LC3 具有低碳環保、成本低廉和來源廣泛等優點，將其應用于結構工程中具有廣闊的應用前景.因此，本文選用最大粒徑為2.36 mm 的輕質黏土陶砂作為細集料，采用LC3 作為膠凝材料，設計并制備了表觀密度低于1 700 kg/m3、強度不低于50 MPa的輕質高強砂漿，探究陶砂吸水狀態及其摻量對LC3 砂漿干密度、力學性能、抗滲性能及抗氯離子侵蝕能力的影響規律.

1 試驗

1.1 原材料和配合比

本文以P·O 52.5 普通硅酸鹽水泥（OPC）、偏高嶺土（MK）和石灰石粉（LP）作為LC3 的主要原材料. 其中OPC 的表觀密度為3 130 kg/m3，比表面積為365 m2/kg；MK 為廣東茂名的M08 型偏高嶺土，表觀密度為2 520 kg/m3，比表面積為16 800 m2/kg；LP為市售23 μm（600 目）鈣質石灰石粉，表觀密度為2 720 kg/m3，比表面積為795 m2/kg. 參考文獻［13］，將LC3 的基礎配合比設為m（普通硅酸鹽水泥）∶m（偏高嶺土）∶m（石灰石粉）∶m（石膏）=0.50∶0.30∶0.15∶0.05. 表1 為P·O 52.5 水泥的物理性能. 水泥、偏高嶺土和石灰石粉的化學組成（質量分數，文中涉及的組成、砂膠比等除特別注明外均為質量分數或質量比）見表2. 陶砂（CS）選用湖北省某公司產燒結黏土陶砂，粒徑為0～3 mm，連續級配，表觀密度為1 720 kg/m3，物理性能見表3. 減水劑（SP）為聚羧酸減水劑，減水率20%. 水（W）為武漢市市政自來水.以絕干和24 h 預濕陶砂制備不同系列LC3 砂漿，其中陶砂與膠凝材料體積比（VS/VB）分別為1.9、2.1、2.3、2.4 和2.5；砂膠比（mS/mB）分別為1.1、1.2、1.3、1.4 和1.5. 表4 為LC3 砂漿的配合比，其中CM 表示采用絕干陶砂制備的LC3 砂漿，PCM 表示采用預濕陶砂制備的LC3 砂漿.

表1 P·O 52.5 水泥的物理性能Table 1 Physical properties of P·O 52.5 cement

表2 水泥、偏高嶺土和石灰石粉的化學組成Table 2 Chemical compositions（by mass） of cement，metakaolin and limestone powder

表3 陶砂的物理性能Table 3 Physical properties of ceramsite sand

表4 LC3 砂漿的配合比Table 4 Mix proportions of LC3 mortars

1.2 試驗設計

LC3 砂漿試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，將其置于標準養護室（（20±2）℃、相對濕度（98±2）%）養護至規定齡期后取出. LC3砂漿的干密度測試參照GB/T 5486—2008《無機硬質絕熱制品試驗方法》執行；LC3砂漿的抗壓強度采用YAW-300C微機控制全自動恒應力壓力試驗機進行測試；LC3 砂漿的毛細吸水速率測試參照ASTM C1585-13

Standard Test Method for Measurement of Rate of Absorption of Water by Hydraulic-Cement Concretes

執行；LC3 砂漿的28 d 抗氯離子侵蝕能力使用電通量法進行評價，所用儀器為國產NJ-DTL 混凝土氯離子電通量測定儀. 將養護至28 d的試件切割成尺寸約為5 mm×5 mm×5 mm 的試樣，用于微觀形態特征分析，采用JSM-7800F 掃描電鏡（SEM）觀察和分析試樣界面過渡區（ITZ）的微觀結構變化及孔洞中的水化產物；將養護至28 d 的試件切割成尺寸約為5 mm×5 mm×5 mm 的試樣，用于孔結構分析，采用AutoPore IV 9510型全自動壓汞儀（MIP）測定其孔徑分布；將試樣粉碎研磨后，過0.075 μm 圓孔篩，先將收集的20 g 左右粉末置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，再采用馬氏爐升溫至950 ℃，測定其非蒸發水含量.

2 結果與討論

2.1 干密度

圖1 為LC3 砂漿試件的1、28 d 干密度曲線.由圖1 可見：（1）隨著mS/mB的增大，試件的1、28 d干密度均有不同程度降低.（2）隨著mS/mB的增大，PCM 組試件的1、28 d 干密度大于CM 組試件.（3）當mS/mB=1.5 時，兩者間的干密度差異較小.（4）與試件CM-1 相比，試件CM-5 的1、28 d 干密度分別降低11.9%和15.9%；與試件PCM-1 相比，試件PCM-5 的1、28 d 干密度分別降低17.7% 和18.9%. 這主要是陶砂堆積密度較低，隨著mS/mB的增大，單位體積內陶砂摻量增大所致；而在相同陶砂摻量條件下，PCM 組試件較CM 組試件含有更多的吸附水，因此，PCM 組試件的干密度大于CM組試件.

圖1 LC3 砂漿試件的1、28 d 干密度曲線Fig.1 Dry density curves of LC3 mortar specimens cured for 1，28 d

2.2 抗壓強度

圖2 為LC3 砂漿試件的抗壓強度. 由圖2 可見：（1）隨著mS/mB的增大，試件各齡期抗壓強度逐漸降低.（2）與試件CM-1 相比，試件CM-5 3、7、28 d 抗壓強度分別降低22.9%、20.5% 和16.9%；與試件PCM-1 相比，試件PCM-5 3、7、28 d 抗壓強度分別降低22.9%、18.3% 和17.7%.（3）在相同mS/mB下，PCM 組試件與CM 組試件3 d 抗壓強度無明顯差異；而隨著養護齡期的延長，PCM 組試件7、28 d 抗壓強度明顯高于CM 組試件，其中PCM 組試件28 d 抗壓強度較CM 組試件增大3.4%～10.8%.主要原因是預濕陶砂在砂漿硬化早期階段釋水效應較弱；而隨著養護齡期的延長，砂漿內部自由水減少，內部相對濕度降低，使得預濕陶砂逐漸釋放內部水分，從而促進了水泥水化［14］，產生更多的水化產物填充內部孔隙，進而提高了試件抗壓強度.

2.3 比強度

圖3 為LC3 砂漿試件的28 d 比強度曲線.由圖3 可見：隨著mS/mB的增大，PCM 組試件的比強度表現為降低—平穩—上升的變化趨勢；而CM 組試件的比強度表現出降低—上升—降低的變化趨勢. 結合圖2 可知，試件PCM-1、PCM-2、PCM-3 和CM-1的28 d 抗壓強度均超過50 MPa，其比強度分別為0.033 6、0.031 9、0.032 8 和0.032 2 MPa/（kg·m-3）；而普通C50 混凝土的比強度僅為0.01 70～0.02 10 MPa/（kg·m-3）. 這表明本文設計的LC3 砂漿有更高的比強度，具有降低結構恒載和提高抗震性能的優點.

圖3 LC3 砂漿試件的28 d 比強度曲線Fig.3 Specific strength curves of LC3 mortar specimens cured for 28 d

2.4 電通量

圖4 為LC3 砂漿試件的28 d 電通量曲線.由圖4可見：（1）隨著mS/mB的增大，各試件的電通量顯著降低；PCM 組試件的電通量均低于CM 組試件；相同mS/mB條件下，PCM 組試件比CM 組試件的電通量分別降低59.0%、52.7%、63.4%、73.5% 和80.0%.（2）與試件CM-1 相比，試件CM-2、CM-3、CM-4 和CM-5 的電通量分別降低18.0%、21.2%、27.0%和34.7%；與試件PCM-1 相比，試件PCM-2、PCM-3、PCM-4 和PCM-5 的電通量分別降低5.5%、29.7%、52.7%和68.1%.這主要因為預濕陶砂能進一步促進水泥水化和煅燒黏土的火山灰反應（碳鋁酸鹽的形成），LC3 體系中的水化硅酸鈣（C-S-H）、水化硅鋁酸鈣（C-A-S-H）、單碳鋁酸鹽（Mc）和半碳鋁酸鹽（Hc）相的形成有利于細化LC3膠凝體系的孔結構，進而能夠有效阻礙氯離子的傳輸［15］；同時多孔陶砂對砂漿中的氯離子擴散具有阻斷作用［16］.因此，隨著mS/mB的增大，LC3 砂漿的抗氯離子侵蝕能力逐漸增強，且PCM組試件的抗氯離子侵蝕能力優于CM 組試件.

圖4 LC3 砂漿試件的28 d 電通量曲線Fig.4 Electric flux curves of LC3 mortar specimens cured for 28 d

2.5 累積吸水量

圖5 為LC3 砂漿試件的累積吸水量曲線.由圖5可見：（1）隨著mS/mB的增大，各試件的累積吸水量均顯著增大，且CM 組試件累計吸水量明顯高于PCM組試件.（2）在相同mS/mB條件下，PCM 組試件的累積吸水量比CM 組試件分別降低66.2%、65.5%、65.8%、66.6%和63.9%. 這說明預濕陶砂能夠顯著提高LC3 砂漿的抗滲性能，其主要原因是多孔陶砂對LC3 砂漿中水分的遷移、交換具有阻斷作用，進而有效限制了水分傳輸，而預濕陶砂對水分遷移的影響更為顯著［17］.

圖5 LC3 砂漿試件的累積吸水量曲線Fig.5 Cumulative water adsorption curves of LC3 mortar specimens

2.6 非蒸發水含量

圖6為LC3 砂漿試件的非蒸發水含量曲線. 由圖6 可見：隨著mS/mB的增大，PCM 組試件的非蒸發水含量表現為降低—略微上升—降低趨勢，CM 組試件的非蒸發水含量先上升后顯著降低，且后者的非蒸發水含量明顯低于前者. 這說明PCM 組試件的水化程度明顯高于CM 組試件，主要是預濕陶砂在水化后期逐漸釋放內部吸附水，促進了水泥的持續水化，優化了水化產物的形成，從而改善了水泥的微觀結構并降低了內部孔隙率，使得預濕陶砂LC3 砂漿的力學性能、抗滲性能和抗氯離子侵蝕能力均優于絕干陶砂LC3 砂漿.

圖6 LC3 試件的非蒸發水含量曲線Fig.6 Non-evaporative water content curves of LC3 mortar specimens

2.7 MIP 分析

選取試件CM1、CM5、PCM1 和PCM5 進行孔徑結構分析，其28 d孔徑分布曲線如圖7所示.其中V為平衡壓下吸附分子的體積；D為孔徑.由圖7（a）可見，與CM 組試件相比，PCM 組試件的最可幾孔徑分布曲線明顯左移，毛細孔比例較高，大孔比例較低.由圖7（b）可見，各試件的累計孔體積由大到小依次為CM-1＞PCM-5＞PCM-1＞CM-5，主要是由于PCM組試件的水化程度較高，水化產物填充了內部孔隙，降低了砂漿總孔隙率，細化了孔徑，從而減少了水分和氯離子的傳輸通道.這與LC3 砂漿累積吸水量與電通量的試驗結果一致.

圖7 LC3 砂漿試件的28 d 孔徑分布曲線Fig.7 28 d pore size distribution curves of LC3 mortar specimens

2.8 SEM 分析

圖8 為部分LC3 砂漿試件養護28 d 時的SEM照片. 由圖8 可見：PCM 組試件和CM 組試件中均能觀察到C-S-H 凝膠、氫氧化鈣（CH）和未水化的水泥；PCM 組試件中未找到大量富集的CH 晶體，且未水化的水泥顆粒也很少，而CM 組試件中有大量富集的CH 晶體和未水化的水泥顆粒；PCM組試件結構完整，無明顯孔洞和裂縫. 這說明預濕陶砂LC3 砂漿微觀結構更為密實，減少了水分和侵蝕性離子的侵入，并提升了砂漿抗壓強度，與LC3 砂漿抗壓強度、抗滲性能和電通量的試驗結果相一致.

圖8 部分LC3 砂漿試件養護28 d 時的SEM 照片Fig.8 SEM images of some LC3 mortar specimens cured for 28 d

3 結論

（1）隨著砂膠比（mS/mB）的增大，LC3 砂漿的干密度和抗壓強度均逐漸降低，且預濕陶砂LC3 砂漿各齡期抗壓強度明顯高于絕干LC3 砂漿；在相同mS/mB條件下，預濕陶砂LC3 砂漿的水化程度更高，這說明預濕陶砂能促進LC3 水泥水化.

（2）隨著mS/mB的增大，LC3 砂漿的累積吸水量逐漸增大，但其抗氯離子侵蝕能力逐漸增強；在相同mS/mB條件下，預濕陶砂LC3 砂漿的抗滲性能與抗氯離子侵蝕能力更優.這主要是預濕陶砂進一步促進了水泥水化，優化了水化產物組成，減少了水分和氯離子的侵入通道.

（3）預濕陶粒增大了砂漿中的毛細孔比例，降低了大孔比例，表明砂漿孔隙得以細化，改善了內部微觀結構，從而提高了其力學性能和抗滲性能.