偏高嶺土對陶?；炷量箖鲂阅芎图氂^結(jié)構(gòu)的影響*

于周平，楊偉軍

(1.長沙理工大學 土木工程學院，長沙 410076；2.紹興文理學院 元培學院，浙江 紹興 312000)

0 引 言

隨著現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的老化，混凝土的耐久性受到了極大關(guān)注?；炷恋目箖鲂阅軐涞貐^(qū)的結(jié)構(gòu)尤為重要。露天混凝土在溫度循環(huán)中因凍結(jié)和解凍而變質(zhì)。隨著溫度降低，保持在毛細孔中的水結(jié)冰后體積膨脹。因此，混凝土在反復冷凍和解凍循環(huán)過程中迅速劣化。與普通混凝土相比，陶粒混凝土具有經(jīng)濟和技術(shù)優(yōu)勢，例如減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)省建造成本而被應(yīng)用于大跨度結(jié)構(gòu)、海上平臺等結(jié)構(gòu)中[1-2]。此外，由于陶粒多孔的特性而具備良好的保溫隔熱、隔音的性能，在建筑的節(jié)能減排方面具有積極的作用[3]。眾所周知，陶?；炷恋奈⒂^結(jié)構(gòu)、孔隙率和滲透性與普通混凝土不同，其抗凍性能差異較大。因此，陶粒混凝土的抗凍性能是一個非常重要的課題。

孔隙率較高且強度較低的陶粒是影響陶?；炷翉姸群湍途眯缘闹匾蛩?，國內(nèi)外學者對陶粒混凝土的抗凍性展開了大量的研究?？惥甑萚4]研究了不同摻量的頁巖陶粒替代碎石制備的混凝土，發(fā)現(xiàn)陶粒的摻入能夠提高中水膠比的混凝土抗凍性能。劉軍等[5]研究了不同預濕程度的陶粒制備的混凝土抗凍性。牛建剛[6]提出加壓預濕的方式處理陶粒能夠提高陶粒混凝土抗凍性。肖圣哲等[7]研究陶粒混凝土在不同溫度條件下凍融循環(huán)后的動態(tài)抗壓性能。史永建等[8]研究了水膠比對粉煤灰陶?；炷量箖鲂缘挠绊?。李博[9]對粉煤灰陶粒混凝土在硫酸鈉和氯化鈉溶液中的抗凍性展開了試驗研究。Youm等[10]研究發(fā)現(xiàn)硅灰對輕骨料混凝土抗凍性較好的改善作用。黃靜等[11]對研究了塑鋼纖維和聚丙烯纖維對陶?；炷恋目箖鲂杂绊懀l(fā)現(xiàn)摻入纖維能改善其抗凍性。

綜上所述，陶?；炷恋目箖鲂阅芊矫娴难芯恐饕性谔樟５膿搅俊㈩A濕方式、粉煤灰、硅灰等方面。在陶粒的粒徑大小，級配及其他的礦物摻合料方面研究較少。近年來，偏高嶺土(簡稱MK)由于資源豐富、價格低廉、高活性而受到了人們的青睞[12-13]。但是目前MK 的研究主要集中在普通混凝土的力學性能方面，抗凍性能的研究不多，但文獻研究結(jié)果表明MK可以改善混凝土的抗凍性[14-16]。本文通過凍融循環(huán)試驗研究陶粒陶粒粒徑級配及MK的摻量等因素對陶粒混凝土抗凍性能的影響，為今后陶?；炷恋难芯考皯?yīng)用推廣提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)粗集料：粒徑為0～19 mm連續(xù)級配的圓球型頁巖陶粒。陶粒的基本性能如表1。天然碎石，堆積密度1 561 kg/m3，表觀密度2 574 kg/m3。

表1 頁巖陶粒基本性能

(2)細集料：天然河砂，堆積密度為1 645 kg/m3，細度模數(shù)2.6。

(3)水泥：P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥，密度為3 041 kg/m3。

(4)偏高嶺土：平均粒徑1.64～16.23 μm，比表面積16.2 m2/g，成分詳見表2。用激光粒度分析儀進行激光粒度分析，確定MK和水泥的級配曲線，如圖1所示。在平均粒徑方面，MK顆粒小于水泥顆粒。由圖2可知，MK顆粒被掃描電鏡放大5 000倍的形貌是不規(guī)則的，有利于混凝土強度的提高。

圖1 水泥和MK的級配曲線

圖2 MK的SEM圖像

表2 水泥、偏高嶺土的化學成分(%)

(5)水：自來水。

1.2 配合比

混凝土的配合比見表3所示。

表3 混凝土的配合比

2 實驗及其結(jié)果分析

2.1 抗壓強度試驗結(jié)果分析

由圖3可知，陶?；炷恋目箟簭姸入S著MK摻量的增加而呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢，且MK對陶?；炷猎缙诳箟簭姸鹊挠绊懕容^大。其中當MK的摻量0%～15%時對陶?；炷量箟簭姸扔幸欢ǖ脑鰪娮饔茫敁搅砍^15%時會降低其抗壓強度。摻量為10%時，陶?；炷量箟簭姸缺憩F(xiàn)出較好的增強效果，其3、7、28天的抗壓強度分別增加了18.6%，16.9%，15.0%。這主要是MK由于粒徑小而在水化反應(yīng)早期主要表現(xiàn)為填充效應(yīng)及火山灰活性[17]。由圖4可知，單粒徑陶?；炷恋目箟簭姸入S著粒徑的增大而降低。而連續(xù)級配的陶粒其混凝土抗壓強度比中粒徑和大粒徑的陶?；炷翉姸雀?。這主要是單粒徑陶粒粒徑越大，孔隙越大；且陶粒粒徑越大，陶粒本身的孔隙率越大，而強度越低，進而影響了陶?；炷恋目箟簭姸取?/p>

圖3 MK對陶?；炷恋目箟簭姸鹊挠绊?/p>

圖4 粒徑對陶?；炷恋目箟簭姸扔绊?/p>

2.2 凍融試驗及其分析

依據(jù)GB/T50082—2009《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》制備邊長100 mm×100 mm×100 mm的陶粒混凝土立方體試塊采用“慢凍法”進行抗凍性能試驗。對陶?；炷猎噳K進行25次、50次和100次凍融循環(huán)后分析其質(zhì)量和強度的變化。在每次凍融循環(huán)結(jié)束后，對試件的外觀和質(zhì)量進行檢查。若發(fā)現(xiàn)試件如下情況則停止試驗：(1)有通縫或深層裂縫；(2)試件的平均失重率超過5%。陶?；炷猎嚰?0次凍融循環(huán)試驗過程中表面結(jié)構(gòu)基本完整無損壞，經(jīng)過100次凍融循環(huán)后表面有較為明顯損壞或細裂縫的現(xiàn)象。

由圖5可知：(1)隨著凍融次數(shù)增加，陶?；炷恋馁|(zhì)量和強度損失增大。(2)100次凍融后陶?；炷猎噳K質(zhì)量、強度損失的最大值分別為3.42%和21.80%。滿足規(guī)范規(guī)定混凝土質(zhì)量損失5%和強度損失分別25%的要求，說明陶?；炷恋目箖鲂阅芊弦?guī)范要求。(3)在25次、50次和100次凍融循環(huán)后，C5的質(zhì)量和強度損失值均比LC1大，分別大27.4%，29.7%，24.4%；30.6%，16%，17%。因此說明陶?；炷恋目箖鲂阅軆?yōu)于普通混凝土。主要是因為陶粒是一種滲透性很強的多孔性骨料，具有吸水和返水的特性[18]。在混凝土的制備過程中可以“密閉空氣”，凍融循環(huán)的過程中能吸收一部分水。當水分的吸收達到一定量時又能夠有效地阻止水分進一步吸收。陶?？紫吨械氖Ｓ囿w積能為冷凍和解凍形成的水壓提供了一個補償空間從而緩沖陶?；炷羶鋈谄茐腫19]。

圖5 陶粒混凝土與陶?；炷恋目箖鲂阅軐Ρ葓D

2.3 陶粒的粒徑對抗凍性能的影響

由圖6可知，當相同的凍融循環(huán)次數(shù)時，陶?；炷临|(zhì)量和強度的損失隨陶粒粒徑的增大而增大。對于相同級配陶粒配制的混凝土而言，隨著凍融循環(huán)的次數(shù)越多，質(zhì)量和強度的損失越大，且質(zhì)量損失比強度損失大。LC2、LC3、LC4在25次、50次和100次凍融循環(huán)后，粗集料粒徑16～19 mm的陶粒混凝土比5～10 mm的陶?；炷恋馁|(zhì)量和強度損失值分別增大了25.5%，18.3%，22.0%；19.6%，13.2%，20.5%，說明陶粒粒徑對陶?；炷恋目箖鲂杂绊戄^大。這主要是因為一方面是陶粒的粒徑越小，陶粒內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)越少，缺陷越少，陶粒的筒壓強度越大，吸水率低。由于陶粒的強度較低，陶粒混凝土的破壞始于陶粒。因此強度高、缺陷少、吸水率低的陶粒在一定程度上對陶?；炷恋目箖鲂阅苁怯欣腫20]。另一方面是試驗中選擇5～10、10～16、16～19 mm的單粒徑級配的陶粒，粒徑越大相應(yīng)的陶?；炷恋目紫堵试酱?，陶?；炷亮W性能、抗凍性也相對差一些。

圖6 陶粒粒徑對陶?；炷恋目箖鲂阅苡绊?/p>

2.4 偏高嶺土對陶粒混凝土抗凍性能的影響

由圖7可知，摻有MK的陶?；炷恋馁|(zhì)量損失和強度損失大致上呈先降后升的趨勢；并且在MK摻量為10%左右達到最低點；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，該趨勢更為明確。摻有MK的陶?；炷恋馁|(zhì)量損失和強度損失基本上低于未摻MK的陶粒混凝土，其中MK摻量為10%、15%比0%的陶?；炷两?jīng)過100次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失和強度損失分別降低了37.3%和20.1%；28.7%，7.7%。而MK摻量為20%比0%的陶粒混凝土經(jīng)過100次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失和強度損失分別增加了8.7%和6.2%。由此說明MK在一定程度上可以改善陶?；炷恋目箖鲂阅?，摻量在10%左右的效果較好，摻量超過20%對改善陶?；炷恋目箖鲂阅懿焕?。由于偏高嶺土是細小顆粒的粉末，一方面可以填充陶?；炷林械目紫?，提高陶粒混凝土的密實度；另一方面由于其火山灰活性可以與水泥水化后的產(chǎn)物氫氧化鈣二次水化反應(yīng)生產(chǎn)水化硅酸鈣和鈣礬石進一步填充孔隙，改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)[21]。但是摻量太多，由于偏高嶺土的比表面積大，吸水成團，二次水化反應(yīng)不充分而導致陶?；炷恋拿軐嵍冉档?，毛細孔增多，降低了陶?；炷恋目箖鲂阅躘13]。

圖7 MK摻量對陶?；炷恋目箖鲂阅苡绊?/p>

2.5 XRD分析

X射線衍射測試有助于確定XRD圖譜中衍射峰的相對強度。采用XRD技術(shù)對陶?；炷林兴鄡魸{粉末狀試樣進行成分分析，研究基體的微觀結(jié)構(gòu)。對不同MK含量的陶?；炷猎?次和100次凍融后的試樣進行XRD分析，以鑒定水化反應(yīng)產(chǎn)物。從圖8可以看出，3組不同摻量MK的水泥凈漿的XRD譜的物相基本相同，凍融前后的XRD譜也大致相似，主要是SiO2、Ca(OH)2、Ettringite、C3S、C2S及CaCO36種物相的衍射峰[22]。Ca(OH)2、C3S和C2S的衍射峰強度隨著MK摻量的增加呈現(xiàn)先降后增的趨勢，相位角發(fā)生了小范圍的變化。這主要是MK與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生了火山灰反應(yīng)生成額外的C-S-H、C-A-H凝膠。當MK的摻量繼續(xù)增加時，水泥用量減少，生成的Ca(OH)2量少，且其晶體由于空間有限而不能長得足夠大從而導致火山灰反應(yīng)效果不太理想。

圖8 不同MK摻量的水泥凈漿的XRD譜

2.6 微觀形貌分析

一般來說，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)很大程度上影響了其力學性能[23]。本次試驗中，通過對含有MK的陶?；炷猎嚇臃糯? 000倍、1 000倍和100倍獲得SEM圖像，分析陶粒混凝土的100次凍融循環(huán)后的微觀結(jié)構(gòu)。

由圖9可知，陶?；炷猎嚇拥奈⒂^結(jié)構(gòu)主要包括未水化的膠凝材料顆粒、水化產(chǎn)物、骨料、空隙以及微裂紋等[24]。由圖9(a)可知，經(jīng)過了100次凍融循環(huán)后的普通混凝土內(nèi)部大量的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠、氫氧化鈣(CH)晶體及少量針狀的鈣礬石(AFt)晶體，還觀察寬度較大的裂縫，相互連通將內(nèi)部微結(jié)構(gòu)分成兩部分。在圖9(b)中發(fā)現(xiàn)相互連接C-S-H凝膠、少量的AFt晶體和較多的板片狀的CH晶體及不貫通的微裂縫。由此SEM圖呈現(xiàn)的結(jié)果與宏觀試驗的結(jié)論相符，即陶?；炷恋目箖鲂詢?yōu)于普通混凝土。圖10(a)中具有豐富的相互重疊、相互連接C-S-H凝膠、C-A-H凝膠、少量的AFt晶體和未水化的顆粒、大尺寸的毛細孔隙，未觀測到CH晶體。這說明含10%MK的陶?；炷猎嚇拥膬?nèi)部微結(jié)構(gòu)是非常致密的。其主要是一方面隨著MK含量的增加，火山灰反應(yīng)加劇，它消耗了更多的CH晶體，產(chǎn)生更多的附加C-S-H凝膠和C-A-H凝膠填補孔隙。另一方面是未反應(yīng)MK顆粒的微填充效應(yīng)，有效地填充和細化大的毛細孔和孔隙。由于毛細孔在100次凍融循環(huán)過程中吸水而體積膨脹，導致其尺寸不斷增大。從圖10(b)中可以看到一些大的毛細孔、氣孔、微裂紋及較多的MK顆粒。這主要是MK替代水泥的量較大，水泥水化產(chǎn)生的CH較少，不足以滿足大量的MK二次反應(yīng)的需求量，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)稀疏，不夠致密。因此說明MK在一定程度上能夠改善陶?；炷恋目箖鲂?，其中在10%是MK改善陶粒混凝土抗凍性的最佳摻量。

圖9 普通混凝土與陶?；炷羶鋈?00次的SEM圖

圖10 不同MK摻量的混凝土凍融100次的SEM圖

眾所周知，界面過渡區(qū)是混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。由圖11(a)可知，部分界面過渡區(qū)較為疏松，且空隙較大，存在微裂縫。界面過渡區(qū)放大1000倍的圖11(c)可以看出部分區(qū)域界面兩側(cè)的水泥基體與骨料脫開，不夠致密。從圖11(b)可以看出，MK摻量為10%時陶粒與水泥基體的界面過渡區(qū)貼合緊密，界線清晰，無裂縫。由圖11(d)可知過渡區(qū)有非常致密C-S-H膠凝，且在陶粒的孔隙內(nèi)有針絮狀的AFt。這主要是MK中的二氧化硅、氧化鋁與水泥水化產(chǎn)物CH生成C-S-H，減小了晶體的尺寸，改善孔徑增強陶?；炷恋拿軐嵍?。此外，陶粒是多孔滲透性強的材料，水化產(chǎn)物滲透到骨料內(nèi)提高了水泥漿和陶粒之間的粘結(jié)強度[25]。

圖11 不同MK摻量的陶?；炷羶鋈?00次界面結(jié)構(gòu)的SEM圖

3 結(jié) 論

(1)由于陶粒具有多孔的特性，存在補償空間從而緩沖陶?；炷羶鋈谄茐模沟锰樟；炷恋目箖鲂詢?yōu)于普通混凝土。

(2)陶?；炷恋馁|(zhì)量損失和強度損失隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且均低于規(guī)范限值，表現(xiàn)出良好的抗凍性能。

(3)粒徑較小的連續(xù)級配的陶粒配置而成的陶?；炷辆哂辛己玫目箖鲂阅?。

(4)偏高嶺土在一定程度上可以改善陶粒混凝土的抗凍性能。10%是偏高嶺土的最佳摻量，摻量超過20%時對陶?；炷量箖鲂阅懿焕?。