陶?？紫秾炷量箟簭姸群涂孤入x子滲透性能的影響

楊健輝，方彬，高騰飛，余建雨

（1.河南理工大學(xué) 生態(tài)建筑與環(huán)境構(gòu)建河南省工程實驗室，河南 焦作 454000；2.深圳市明咨物聯(lián)科技有限公司，河南 鄭州 450001；3.河南省建設(shè)集團有限公司，河南 鄭州 450002）

0 引言

以普通混凝土（normal weight concrete，NWC）為基礎(chǔ)，采用頁巖陶粒按等體積率取代部分普通粗骨料可制成少陶?；炷粒╤ybrid aggregate concrete with less ceramsite，HACC）［1］，陶粒的吸、放水作用不僅可加強內(nèi)養(yǎng)護功能，提高特征強度（包括抗壓強度、軸心抗壓強度和劈拉強度等），而且還可降低混凝土自重［2-4］。根據(jù)干表觀密度劃分方法《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ51-2002），其可能屬于輕骨料混凝土（lightweight concrete，LWC，強度等級符號記為LC）或次輕混凝土（specified density concrete，SDC，強度等級符號記為SC）。又因陶粒屬于輕質(zhì)多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，含有大量孔隙且非連通，如其內(nèi)部孔隙率和空隙率實測值分別為51.3%和41.7%；水泥水化過程中形成有毛細孔隙，凝結(jié)硬化過程中形成有骨料與水泥石界面孔隙等，輕骨料混凝土或次輕混凝土中的多重孔隙構(gòu)成方法可能會導(dǎo)致混凝土耐久性能下降。

相關(guān)宏觀試驗研究表明［5-8］，與普通混凝土相比，因陶粒的內(nèi)養(yǎng)護功能，少陶?；炷敛粌H能有效改善混凝土早期由于溫度應(yīng)力引起的開裂，而且還可提高混凝土的抗氯離子滲透性能。為了從微-細觀方面探討陶?？紫督Y(jié)構(gòu)對混凝土抗壓強度、抗氯離子滲透的作用機理，本文以C40普通混凝土為基準，使用頁巖陶粒并按10%，20%，30%體積分數(shù)取代普通粗骨料的方法形成3種次輕混凝土；再分別通過電鏡掃描（scanning electron microscope，SEM）和氣孔結(jié)構(gòu)掃描儀分析陶粒和混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)特征，探討抗壓強度和損傷以及抗氯離子滲透性能分別與孔隙結(jié)構(gòu)特征和孔隙率的關(guān)系，從而為揭示多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能影響機理及相關(guān)試驗和工程實踐提供參考依據(jù)。

1 試驗準備

水泥為焦作產(chǎn)堅固牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）要求；粉煤灰為焦作產(chǎn)Ⅱ級粉煤灰，滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）要求；輕粗骨料為河南凌酷新材料科技有限公司生產(chǎn)的碎石型頁巖陶粒（以下簡稱陶粒），該陶粒最大粒徑15 mm，堆積密度610 kg/m3，真密度2187 kg/m3，表觀密度1064 kg/m3，孔隙率51.3%，24 h吸水率4.2%，筒壓強度3.5 MPa；普通粗、細骨料為焦作產(chǎn)石灰?guī)r碎石和河砂；水為自來水；減水劑為調(diào)配的聚羧酸母液高效減水劑，減水率30%，摻量為膠凝材料（水泥和粉煤灰）質(zhì)量的1.8%；水膠比W/B=0.4。試驗以C40級泵送混凝土配合比設(shè)計為依據(jù)，如表1所示（由正交試驗方法確定），其中陶粒體積分數(shù)Scc=0%時為基準組。

表1 SC40級少陶粒混凝土配合比與測試結(jié)果Tab.1 Mix proportions and test results of HACCs for SC40

氣孔結(jié)構(gòu)測試參照ASTMC457規(guī)定，試樣為從100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件中沿縱向切割厚10 mm的3塊切片，依次用60，120，200目砂紙對表面進行打磨、拋光，然后用黑色寬頭記號筆將試件表面涂黑，再用50 nm級細度碳酸鈣粉末均勻擦拭表面以填充氣孔，最后用絨布擦掉表面多余碳酸鈣粉末，干燥后放入實驗臺進行掃描，分析孔徑（da，mm）分布范圍和孔徑率（Kp，%，某一孔徑范圍孔隙數(shù)量占總孔隙數(shù)量的百分比），實驗臺為北京建研杰碩科技有限公司生產(chǎn)的建科牌CABR-457型氣孔結(jié)構(gòu)分析儀。

電鏡掃描使用美國FEI公司生產(chǎn)的FEI Quanta 250 FEG-SEM場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡，將粒徑5～8 mm的陶粒切開，進行掃描。

陶?？紫堵蕼y試參照天然飾面石材試驗方法規(guī)定（GB/T 9966.3—2001），采用永康市鉑歐五金制品有限公司生產(chǎn)的2500Y型粉碎機，先將陶粒研磨成粉末，然后根據(jù)陶粒的真密度ρt和表觀密度ρa計算出孔隙率PSC。

抗壓強度試驗參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）規(guī)定，試樣為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，齡期分別為3，7，14，28 d；應(yīng)力-應(yīng)變曲線測試試件為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體，采用應(yīng)變片測量應(yīng)變，并取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上σ=0.4fc（fc為軸心抗壓強度，MPa）時對應(yīng)的割線模量作為初始彈性模量，該模量用浙江競遠機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的WES-1000B液晶顯示萬能試驗機測量。

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準》規(guī)定（GB/T50082-2009），試件為φ100 mm×50 mm的圓柱體，測量60 V直流電作用下6 h電通量（Qe，C），使用儀器為北京耐久偉業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的混凝土氯離子電通量測定儀和混凝土真空飽水機。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土氣孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果與分析

不同取代率時，混凝土試樣的氣孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果分別如表2和圖1所示。

表2 少陶粒混凝土的平均氣孔直徑與孔徑率測試結(jié)果Tab.2 Average diameter of air pores and K p in HACCs

由表2和圖1可知，少陶?；炷林械臍饪讛?shù)量主要以直徑20～100μm為主，幾乎占一半以上；其次是100～200μm，占20%左右。隨著陶粒取代率增加，陶粒釋放水量隨之增多，從而增強了內(nèi)養(yǎng)護效果，最終使得孔徑小于100μm的數(shù)量增加，孔徑100～500μm的數(shù)量相應(yīng)減少，但大于500μm的孔徑數(shù)量稍有增大，推測主要是由陶粒自身原因造成的。

圖1 少陶?；炷恋臍饪讌?shù)與陶粒取代率關(guān)系Fig.1 Relations between parameters of air pores and S sc in HACCs

3種取代率條件下，少陶?；炷恋臍饪灼骄睆骄∮诨鶞式M的，但差距不大；同時，因內(nèi)養(yǎng)護效果得到改善，水泥顆粒得到充分水化，從而使水泥砂漿中氣孔的平均直徑減小，但由此也造成連通氣孔數(shù)量相對增多。平均氣孔直徑隨陶粒取代率增大稍有增大，主要是由陶粒自身孔隙數(shù)量隨陶粒增多造成的。這與陶粒SEM掃描結(jié)果相符，即隨著放大倍數(shù)增大，可以看到內(nèi)部氣孔數(shù)量較外部少，平均孔徑也較??；內(nèi)部更為致密，氣孔率較低且大孔徑的氣孔較少，并可觀察到細密蜂窩狀不連通孔。因此，陶粒的這些微觀結(jié)構(gòu)可強化混凝土中的吸水和返水作用及表面吸附水泥顆粒的能力，因充分內(nèi)養(yǎng)護使得水化產(chǎn)物能有效填充陶?？紫?，從而提高陶粒骨料自身強度、與砂漿界面的黏結(jié)強度和混凝土的基體強度［9］。

2.2 混凝土孔隙率

根據(jù)所測孔隙（氣孔）弦長總和與掃描總弦長，計算混凝土孔隙率PC，

式中：Li為第i個氣孔的弦長，mm；TL為導(dǎo)線總長，2400 mm。

SSC分別為10%，20%，30%時，根據(jù)陶粒孔隙率PSC計算出1×10-3m3混凝土試塊中陶粒的孔隙體積VSC分別占試樣體積V的0.024%，0.047%，0.071%。再根據(jù)式（1）計算，陶粒體積分數(shù)分別為0，10%，20%，30%時，混凝土孔隙率PC分別為0.57%，1.02%，1.94%，2.57%。

混凝土中的孔隙可分為骨料孔隙、界面孔隙和砂漿孔隙等，本試驗方法測得的混凝土孔隙率為總孔隙率。由上述計算結(jié)果可知，混凝土孔隙率隨陶粒體積分數(shù)增大逐漸增大，但小孔徑范圍的數(shù)量相對增加。與基準組相比，有效減少了骨料與水泥石之間孔隙的形成［10-11］，從而可有效堵截侵蝕介質(zhì)進入混凝土的內(nèi)部通道。

2.3 抗壓強度與孔隙率關(guān)系

陶粒體積分數(shù)不同時，少陶?；炷恋目箟簭姸扰c養(yǎng)護齡期（t，d）和混凝土孔隙率關(guān)系，分別如表3和圖2所示。

表3 少陶?；炷猎诓煌g期時的抗壓強度Tab.3 Compressive strengths of HACCs at different curing ages

由圖2可知，少陶?；炷僚c基準組的抗壓強度隨齡期增長的變化規(guī)律相同，并與孔隙率呈現(xiàn)先增大后降低的二次函數(shù)變化關(guān)系。其中，SSC為10%時，各齡期的抗壓強度均最大，分別較基準組提高了5.15%，4.91%，5.97%和7.89%；SSC分別為20%和30%時，較基準組分別下降了5.15%，2.81%，3.46%，4.41%和9.56%，11.23%，11.01%，12.30%。

圖2 少陶?；炷量箟簭姸扰c齡期和孔隙率的關(guān)系Fig.2 Relations between f cu and age，porosity of HACC respectively

骨料強度、水泥石強度和界面區(qū)黏結(jié)強度是混凝土強度的主要影響因素，盡管陶粒筒壓強度較低，但其吸水返水性能強化了內(nèi)養(yǎng)護功能，并因此改善了孔隙結(jié)構(gòu)特征和骨料界面特征，使得水泥石結(jié)構(gòu)與陶粒嵌合度得到提高［12-13］。當陶粒體積分數(shù)太大時，陶粒自身成為薄弱區(qū)，即損傷面積增大，從而導(dǎo)致混凝土強度降低。

2.4 電通量與孔隙率關(guān)系

陶粒體積分數(shù)不同時，少陶粒混凝土在28 d時的6 h電通量（Qe，C）測試結(jié)果分別如表4和圖3所示。

由表4和圖3可知，SSC=10%時，抗壓強度最大，但6 h電通量則隨著SSC增大持續(xù)下降，其降低幅度分別為25.1%，31.9%，39.2%。

圖3 少陶粒混凝土的6 h電通量和抗壓強度關(guān)系Fig.3 Relations between Q e and f cu of HACCs

表4 少陶?；炷恋? h電通量Tab.4 Electric flux at 6 h of HACCs

由于孔徑及其連通性是影響抗氯離子滲透的重要影響因素，且由表2可知，隨著SSC增大，雖然平均孔徑稍微增大，但小于100μm的孔徑率也隨之增大，達到68.97%，因而可有效堵截侵蝕介質(zhì)進入混凝土內(nèi)部通道［14］。

3 細-宏觀損傷模型

少陶粒不僅改變了混凝土的比強度、孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率，而且由于陶粒的筒壓強度較低，在體積分數(shù)率較大時，其內(nèi)養(yǎng)護效果并不能彌補自身缺陷，從而造成強度下降。為了探討陶粒對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響，設(shè)混凝土試件的原始橫截面積為A0，在一定荷載f作用下產(chǎn)生損傷后的瞬時橫截面面積為A，此時截面上孔隙總面積為AP，真實面積為A，f，則有

將式（2）兩邊同時除以A，則有

亦即

式中：φ=A，f/A，為Качанов定義的連續(xù)因子；D=AP/A，為Работнов定義的損傷因子。

采用陶粒取代一部分碎石后，橫截面上的孔隙面積包括陶粒自身孔隙面積和水泥石孔隙面積，即

式中：δ為陶粒內(nèi)養(yǎng)護作用對水泥石孔隙面積的影響程度；AC為橫截面上水泥石的孔隙面積；ASC為橫截面上陶粒的孔隙面積。

按照Lemaiter應(yīng)變等價原理，受損材料本構(gòu)關(guān)系可以通過無損材料名義應(yīng)力得到，即

式中，E0為初始彈性模量。

少陶?；炷恋募氂^損傷模型即為

鑒于式（5）表征的細觀參數(shù)需要通過實時受載工業(yè)CT等微-細觀測試手段分析得到，目前尚未進行，但可通過宏觀彈性模量作為損傷變量（式（10）～（11）），并結(jié)合式（6）和應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖4（a））及其特征參數(shù)（表5）采用過鎮(zhèn)海模型進行估算。對應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行歸一化處理，結(jié)果見式（8）～（9），圖4。

圖4 少陶?；炷恋膽?yīng)力-應(yīng)變曲線和損傷演化曲線Fig.4 Curves of stress-strain and damage evolution of HACCs

表5 少陶?；炷翍?yīng)力-應(yīng)變曲線的特征參數(shù)Tab.5 Characteristic parameters of stress-strain curves for HACCs

上升段

下降段

式中：x=ε/ε0，y=σ/σ0；ε0為峰值應(yīng)變；σ0為峰值應(yīng)力；α為擬合參數(shù)，等于初始彈性模量和峰值割線模量之比，即α=E0/Ep。

上升段和下降段的擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)如表6所示。

表6 應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合參數(shù)和相關(guān)系數(shù)Tab.6 Fitting values ofαin stress-strain curves

一般地，當σ≤0.4fc時，試件處于彈性狀態(tài)，σ≈（0.8～0.9）fc時，混凝土內(nèi)部裂紋已有較大程度擴展，但試件表面尚無肉眼可見裂縫［15］。此后，混凝土內(nèi)部微裂縫擴展速度加快，超過峰值應(yīng)力后，試件表面開始出現(xiàn)裂縫并逐漸增多，承載力快速下降。因此，可將σ=0.4fc作為損傷發(fā)展的臨界點。若定義式（10）為殘余彈性模量Dr，則式（11）為彈性模量表示的損傷變量D。

式中，Es為以坐標原點為起點的割線模量，GPa。

由圖4可知，SSC不同時混凝土損傷演化曲線的發(fā)展趨勢基本相同，變化規(guī)律與初始彈性模量大小變化規(guī)律一致。這是因為不同損傷程度時的割線模量雖然同樣隨初始彈性模量增大而相對增大，抵抗變形能力也相對增強，但變形條件相同時，殘余模量減小，從而導(dǎo)致?lián)p傷變量相對增大。

4 結(jié)果與討論

（1）陶粒在宏觀上表現(xiàn)為可見孔隙結(jié)構(gòu)，但隨著電鏡掃描倍數(shù)提高，可發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部孔徑變小，且非連通數(shù)量增多，表現(xiàn)為致密狀態(tài)；其對混凝土性能的影響，宏觀上表現(xiàn)為吸、放水的內(nèi)養(yǎng)護功能，使強度得到提高，細觀上表現(xiàn)為氣孔直徑小于100μm的數(shù)量相對增加，大于100μm的數(shù)量相對減少。

（2）隨著陶粒體積分數(shù)增大，混凝土平均氣孔直徑雖有增大（均小于基準組的，195.76μm），但增幅極小，僅為幾微米；混凝土孔隙率也隨之增大，但最大孔隙率也僅為2.57%（基準組的為0.57%）；抗壓強度與孔隙率呈現(xiàn)先升高后降低的二次函數(shù)變化趨勢，SSC=10%時達到最大值。

（3）隨著SSC增大，6 h電通量持續(xù)減小，且相較于基準組降低幅度分別為25.1%，31.9%，39.2%，表明小于100μm的孔隙結(jié)構(gòu)及非連通孔隙是提高抗氯離子滲透性能的主要影響因素。

（4）根據(jù)少陶?；炷量紫督Y(jié)構(gòu)特征，給出了細觀損傷模型，但限于目前條件，相關(guān)細觀參數(shù)尚無法給出；采用殘余彈性模量作為損傷變量，其損傷演化曲線與彈性模量大小變化規(guī)律相同。

試驗結(jié)果表明，采用少量陶粒并按等體積率取代部分碎石，不僅在一定程度上降低了混凝土自重、提高了比強度，也提高混凝土物理力學(xué)性能，同時，為使用全輕混凝土成本較高、泵送和施工困難的問題提供了解決途徑。陶粒自身的高孔（空）隙率、孔隙內(nèi)部的致密性及內(nèi)部孔隙的非連通性，使混凝土在凝結(jié)硬化后能夠充分發(fā)揮自養(yǎng)護作用，并因此減小混凝土內(nèi)部孔隙的平均直徑，改善孔隙結(jié)構(gòu)分布特征，從而提高混凝土的耐久性能。