復(fù)摻偏高嶺土和硅灰對(duì)聚苯乙烯泡沫混凝土力學(xué)性能的影響研究*

陳 曉 王秀麗 侯鴻杰 馬云龍 潘旭賓 胡恩金

(1.甘肅建投土木工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 蘭州 730070； 2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 蘭州 730050；3.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心， 蘭州 730050)

聚苯乙烯泡沫混凝土又稱EPS混凝土[1]，是一種以輕質(zhì)的聚苯乙烯泡沫為輕骨料，以水泥砂漿為膠凝材料均勻攪拌而成的輕質(zhì)復(fù)合混凝土材料[2]，其具有輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以用于構(gòu)建路面底基層材料、鐵路軌道路基、浮式海洋結(jié)構(gòu)以及復(fù)合隔墻板的夾芯材料等[3-5]。由于EPS混凝土的多種應(yīng)用，EPS混凝土的力學(xué)性能研究一直是許多研究者感興趣和富有挑戰(zhàn)性的課題。為了更好地探索EPS混凝土在復(fù)合墻板中的應(yīng)用，本文重點(diǎn)研究復(fù)摻偏高嶺土和硅灰對(duì)聚苯乙烯泡沫混凝土物理力學(xué)性能的影響。

硅灰和偏高嶺土都具有良好的火山灰作用，作為輔助膠凝材料可明顯促進(jìn)水泥水化進(jìn)程，進(jìn)而對(duì)混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B、抗侵蝕等性能均有促進(jìn)作用[6]。余強(qiáng)等研究表明硅灰和偏高嶺土均對(duì)混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度具有良好的增強(qiáng)作用，且偏高嶺土的早期促?gòu)?qiáng)作用更優(yōu)[7]。李曉琴等發(fā)現(xiàn)硅灰的摻入可使工程用水泥基復(fù)合材料(ECC)的組織更加致密，并減少了堿性物質(zhì)的生成，從而提高了耐久性[8]。丁向群等研究表明硅灰的摻入可顯著提高硅酸鹽膠凝材料的早期抗壓強(qiáng)度[9]。莫宗云等研究發(fā)現(xiàn)偏高嶺土對(duì)超高性能混凝土的后期強(qiáng)度有明顯的貢獻(xiàn)作用，并能使其微觀結(jié)構(gòu)更加致密[10]。

研究表明偏高嶺土和硅灰能顯著提高混凝土的性能，且已有許多學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究，但關(guān)于硅灰和偏高嶺土對(duì)工程用水泥基復(fù)合材料(EPS)混凝土的研究卻相對(duì)較少。Chen等研究表明，細(xì)硅灰大大提高了EPS顆粒與水泥砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度，從而使EPS混凝土的抗壓強(qiáng)度提高[11]。Fathi等發(fā)現(xiàn)微二氧化硅可提高EPS混凝土的抗壓強(qiáng)度，降低吸水率，并提高了EPS顆粒與膠凝基體的黏結(jié)[12]。據(jù)此，為提高EPS混凝土的性能，本文以偏高嶺土和硅灰為輔助膠凝材料，研究二者分別以0%、5%、10%和15%代替水泥對(duì)EPS混凝土吸水率、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及失效模式的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

膠凝材料：試驗(yàn)采用的水泥為P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，初凝時(shí)間150 min，終凝時(shí)間230 min，抗壓強(qiáng)度45.91 MPa(28 d)，抗折強(qiáng)度6.88 MPa(28 d)，比表面積為354 m2/kg。偏高嶺土表面積為16 531 m2/kg，硅灰比表面積為19 845 m2/kg，粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰。偏高嶺土和硅灰的粒徑分布見(jiàn)圖1。水泥、偏高嶺土、硅灰和粉煤灰的化學(xué)成分詳見(jiàn)表1。

表1 膠凝材料化學(xué)組成成分Table 1 Chemical composition of cementitious materials %

圖1 偏高嶺土和硅灰的粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution of metakaolin and silica fume

EPS顆粒：白色球狀顆粒，直徑約為5～6 mm，堆積密度約為17.6 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法

1.2.1試驗(yàn)方案

采用全因子試驗(yàn)，研究硅灰和偏高嶺土摻量變化對(duì)EPS混凝土物理力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2。表中SF代表硅灰，后邊兩位數(shù)字代表?yè)搅?，MK代表偏高嶺土，后邊兩位數(shù)字代表?yè)搅浚鏢F00MK05表示硅灰和偏高嶺土摻量分別為0%和5%。

表2 EPS混凝土配合比Table 2 EPS concrete mix proportion kg/m3

1.2.2測(cè)試方法

試塊制備：首先將膠凝材料、可再分散乳膠粉和羥丙甲基纖維素加入攪拌機(jī)進(jìn)行混合攪拌，使其混合均勻。再將計(jì)算出的水和所需要的聚羧酸高效減水劑倒入混合物中，并繼續(xù)攪拌2 min得到混合均勻的膠凝膠料。然后將稱量好的EPS顆粒倒入攪拌機(jī)中繼續(xù)攪拌5 min，使EPS顆粒與膠凝漿料充分混合均勻。最后將混合均勻的混合料裝入模具并振搗密實(shí)。48 h之后，樣品脫模，放入溫度為20 ℃、濕度大于95%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d。

吸水率及力學(xué)性能測(cè)試：試件養(yǎng)護(hù)完成后，在(80±5)℃下烘至恒重。吸水率、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度按照GB/T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm；抗折強(qiáng)度按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 偏高嶺土和硅灰對(duì)吸水率的影響

根據(jù)試驗(yàn)得到EPS混凝土的吸水率隨硅灰和偏高嶺土的變化規(guī)律如圖2所示。結(jié)果表明：在一定摻量范圍內(nèi)，硅灰和偏高嶺土均能降低EPS混凝土的吸水率，但當(dāng)摻量超過(guò)一定限值后，吸水率又隨二者摻量的增加而增加。4種硅灰摻量下，吸水率分別在偏高嶺土摻量為10%、10%、10%和5%時(shí)達(dá)到最小值；4種偏高嶺土摻量下，吸水率均在硅灰摻量為10%時(shí)達(dá)到最小值。即當(dāng)偏高嶺土和硅灰摻量均為10%時(shí)吸水率最低。這是因?yàn)镋PS顆粒的吸水性極低，EPS混凝土的吸水率主要取決于膠凝基體的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。適量的偏高嶺土和硅灰能在膠凝基體中發(fā)揮“填充作用”和“火山灰效應(yīng)”，從而改變膠凝基體的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，增加致密度，進(jìn)而降低吸水率。而當(dāng)二者摻量過(guò)高時(shí)，由于水泥被替代的量過(guò)大，導(dǎo)致水化產(chǎn)物減少，膠凝基體微觀結(jié)構(gòu)趨于疏松，因而吸水率又會(huì)增加。

圖2 EPS混凝土的吸水率Fig.2 Water absorption of EPS concrete

當(dāng)偏高嶺土和硅灰單獨(dú)作用時(shí)，偏高嶺土對(duì)吸水率的降低作用大于硅灰。對(duì)于SF00組試件，與對(duì)照組相比，10%偏高嶺土摻量試件的吸水率降低了5.45%。對(duì)于MK00組試件，與對(duì)照組相比，10%硅灰摻量試件的吸水率降低了3.77%。

2.2 偏高嶺土和硅灰對(duì)EPS混凝土力學(xué)性能的影響

研究中進(jìn)行了EPS混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，探討了隨硅灰和偏高嶺土摻量的變化規(guī)律，如圖3所示。分析可知：

a—EPS混凝土的抗壓強(qiáng)度； b—EPS混凝土的抗折強(qiáng)度； c—EPS混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。圖3 EPS混凝土力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of EPS concrete

1)對(duì)于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)硅灰摻量一定時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨偏高嶺土摻量的增加先增加后降低。當(dāng)硅灰摻量分別為0%、5%和10%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度均在偏高嶺土摻量為10%時(shí)達(dá)到最大值，相比偏高嶺土摻量為0的試件分別提高了20.90%、18.06%和22.37%。當(dāng)硅灰摻量為15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度在偏高嶺土摻量為5%時(shí)便達(dá)到最大值，且相比偏高嶺土摻量為0的試件提高了11.94%，提升幅度明顯減小。當(dāng)偏高嶺土摻量一定時(shí)，抗壓強(qiáng)度同樣隨硅灰摻量的增加先增加后降低，且無(wú)論偏高嶺土摻量如何，試件的抗壓強(qiáng)度均在硅灰摻量為10%達(dá)到最大值。相比硅灰摻量為0時(shí)，其摻有硅灰的試件提高了4.11%～24.64%，且隨摻量的增加，增幅呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。

2)對(duì)于抗折強(qiáng)度，當(dāng)硅灰摻量一定時(shí)，抗折強(qiáng)度隨偏高嶺土摻量的增加先增加后降低。當(dāng)硅灰摻量為0%、5%、10%時(shí)，抗折強(qiáng)度在偏高嶺土摻量為10%時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)硅灰摻量為15%時(shí)，抗折強(qiáng)度在偏高嶺土摻量為5%時(shí)達(dá)到最大值。摻有偏高嶺土的試件相比不摻偏高嶺土的試件抗折強(qiáng)度分別提升24.06%、29.41%、32.10%和28.54%。當(dāng)偏高嶺土摻量一定時(shí)，抗折強(qiáng)度同樣隨硅灰摻量的增加先增加后降低。四種偏高嶺土摻量下，抗折強(qiáng)度均在硅灰摻量為5%時(shí)達(dá)到最大值，相比硅灰摻量為0的試件分別提高了3.37%、13.32%、7.83%和7.69%。

3)對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度，對(duì)于給定的硅灰摻量，劈裂抗拉強(qiáng)度隨偏高嶺土摻量的增加先增加后降低，4種硅灰摻量下，劈裂抗拉強(qiáng)度分別在偏高嶺土摻量為10%、10%、10%和5%時(shí)達(dá)到最大值，相比對(duì)照試件分別提高了13.75%、13.50%、16.57%和8.44%；對(duì)于給定的偏高嶺土摻量，劈裂抗拉強(qiáng)度同樣隨硅灰摻量的增加先增加后降低，且均在硅灰摻量為10%時(shí)達(dá)到最大值，相比對(duì)照試件分別提高了5.63%、13.02%、8.24%和11.38%。

由上述可知，與普通混凝土類(lèi)似，一定摻量的硅灰和偏高嶺土的摻入可在一定程度上提高EPS混凝土的強(qiáng)度，但二者摻量均存在一個(gè)限值，超過(guò)這個(gè)限值后，強(qiáng)度不增反降。這是因?yàn)樵贓PS混凝土中，EPS質(zhì)量極輕，強(qiáng)度也極低，其對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)，因此EPS混凝土的強(qiáng)度主要取決于膠凝基體的強(qiáng)度。Al2O3和SiO2作為偏高嶺土的主要成分，其含量在90%以上，SiO2作為硅灰的主要成分，其含量同樣超過(guò)90%，它們的顆粒尺寸遠(yuǎn)小于水泥顆粒尺寸，偏高嶺土、硅灰和水泥顆粒的微觀形貌如圖4所示。因此它們用于膠凝基體中時(shí)具有良好的“填充作用”和“火山灰效應(yīng)”。這一方面能填充水泥顆粒之間以及水化產(chǎn)物之間的間隙，使膠凝基體更加致密，強(qiáng)度增加。另一方面又能使水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2晶體的含量降低，進(jìn)而增加水化硅酸鈣等凝膠體的含量，這也會(huì)提高膠凝基體的致密度，從而增加強(qiáng)度。因此在一定摻量范圍內(nèi)，EPS混凝土的力學(xué)性能隨偏高嶺土和硅灰摻量的增加而增加。當(dāng)硅灰和偏高嶺土代替水泥的量過(guò)高時(shí)，一方面會(huì)導(dǎo)致膠凝漿體的流動(dòng)度嚴(yán)重降低，基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)較疏松，從而降低強(qiáng)度[13-14]。另一方面，水泥含量相對(duì)過(guò)低，水化產(chǎn)物減少，不足以與過(guò)多的偏高嶺土和硅灰發(fā)生二次水化反應(yīng)，多余的偏高嶺土和硅灰顆粒僅起到物理填充作用，彼此之間的黏結(jié)程度降低，這也會(huì)使抗壓和抗折強(qiáng)度降低[15-16]，因而硅灰和偏高嶺土摻量過(guò)高反而會(huì)降低強(qiáng)度。

a—偏高嶺土顆粒； b—硅灰顆粒； c—水泥顆粒。圖4 偏高嶺土、硅灰和水泥顆粒的微觀形貌Fig.4 Micromorphology of metakaolin, silica fume and cement particles

對(duì)比分析SF00和MK00組試件可以發(fā)現(xiàn)，在考慮偏高嶺土和硅灰單獨(dú)作用的條件下，相同摻量時(shí)，偏高嶺土對(duì)EPS混凝土力學(xué)性能的提升大于硅灰。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)二者摻量均為10%時(shí)，與基準(zhǔn)試件相比，偏高嶺土使抗壓強(qiáng)度增加了20.9%，硅灰使抗壓強(qiáng)度增加了13.43%；對(duì)于抗折強(qiáng)度，10%偏高嶺土摻量下，強(qiáng)度達(dá)到最大值，相比對(duì)照組提高了24.06%，5%硅灰摻量下，強(qiáng)度達(dá)到最大值，相比對(duì)照試件提高了3.37%；對(duì)于劈裂抗拉強(qiáng)度，與對(duì)照組相比，10%的偏高嶺土使劈裂抗拉強(qiáng)度提高了13.75%，而10%的硅灰使抗折強(qiáng)度僅提高了5.63%。這說(shuō)明雖然硅灰的顆粒尺寸小于偏高嶺土(圖1)，但其“火山灰效應(yīng)”卻相對(duì)較弱，因而對(duì)EPS混凝土力學(xué)性能的提升也更低。

對(duì)比分析圖3可知，當(dāng)偏高嶺土和硅灰的摻量均為10%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值。而抗折強(qiáng)度在偏高嶺土摻量為10%，硅灰摻量為5%時(shí)達(dá)到最大值，但當(dāng)二者摻量均為10%時(shí)同樣具有較高的抗折強(qiáng)度。因此10%為偏高嶺土和硅灰的最佳摻量。

3 偏高嶺土和硅灰對(duì)EPS混凝土破壞模式的影響分析

1)抗壓破壞?？箟浩茐哪Ｊ饺鐖D5a所示。硅灰和偏高嶺土摻量的變化雖然對(duì)抗壓強(qiáng)度有所影響，但并沒(méi)有改變破壞模式，所有試件破壞模式均為斜裂縫剪切破壞，且斜向裂縫處膠凝基體被嚴(yán)重壓潰，出現(xiàn)了成塊剝落的現(xiàn)象。另外，由于EPS顆粒含量高，所有試件在破壞時(shí)均表現(xiàn)出了EPS顆粒的吸能特性，破壞過(guò)程較為漸進(jìn)，試件在破壞后沒(méi)有被完全壓碎，仍保持一定的完整度。

a—抗壓破壞模式； b—劈裂抗拉破壞模式； c—SF00MK00抗折破壞模式； d—SF10MK10抗折破壞模式。圖5 EPS混凝土的破壞模式Fig.5 Failure modes of EPS concrete

2)劈裂抗拉破壞。劈裂抗拉破壞模式如圖5b所示。與傳統(tǒng)混凝土劈裂抗拉破壞模式不同，無(wú)論偏高嶺土與硅灰摻量如何，所有試件在劈裂破壞時(shí)均出現(xiàn)了局部嚴(yán)重壓潰的現(xiàn)象。這也是因?yàn)镋PS顆粒含量高，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度低，在劈裂荷載施加處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，在劈裂裂縫開(kāi)展的同時(shí)也伴隨著局部壓潰現(xiàn)象的發(fā)生。

3)抗折破壞?？拐燮茐哪Ｊ饺鐖D5c、d所示。無(wú)論硅灰和偏高嶺土摻量如何，所有試件均為單裂縫純彎曲破壞。不同的是，與對(duì)照組相比，摻有硅灰和偏高嶺土的試件在破壞時(shí)，裂縫貫穿EPS顆粒，而對(duì)照組出現(xiàn)了EPS顆粒整體剝落的現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，偏高嶺土和硅灰的摻入能顯著改善EPS顆粒與膠凝基體的黏結(jié)。

4 結(jié) 論

通過(guò)采用全因子試驗(yàn)，研究了不同摻量的偏高嶺土、硅灰對(duì)EPS混凝土力學(xué)性能和破壞模式的影響，對(duì)填充EPS混凝土輕質(zhì)墻板的性能提升具有較大的參考價(jià)值，研究得到以下結(jié)論：

1)EPS混凝土的吸水率隨偏高嶺土和硅灰摻量的增加呈先減小后增加的規(guī)律，且當(dāng)二者獨(dú)立作用時(shí)，偏高嶺土對(duì)吸水率的降低程度更大。

2)由于偏高嶺土和硅灰都具有的“填充作用”和“火山灰效應(yīng)”，因而二者均可提高EPS混凝土的力學(xué)性能，且當(dāng)二者單獨(dú)作用時(shí)，偏高嶺土對(duì)EPS混凝土力學(xué)性能的提升更大。

3)偏高嶺土和硅灰的摻入雖不能改變EPS混凝土的破壞模式，但對(duì)于EPS顆粒與膠凝基體的黏結(jié)具有一定的改善作用。

4)偏高嶺土和硅灰的摻量均為10%時(shí)，EPS混凝土的吸水率最低且力學(xué)性能最優(yōu)。