真空去水壓制成型對機制砂混凝土性能的影響

周 朋，王有旗，趙雙林，劉普前，崔立朕，孟 勇，徐 晶，詹培敏

(1.中鐵二十五局集團第五工程有限公司，青島 266101；2.同濟大學材料科學與工程學院，上海 201804)

0 引 言

當前，建筑工業(yè)化程度已成為衡量國家和地區(qū)建筑業(yè)發(fā)展水平的重要標準，工業(yè)化建造方式在不斷創(chuàng)新。隨著裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的蓬勃發(fā)展，新型預制混凝土構(gòu)件開始應用在房建、鐵路、隧道、橋梁、機場、園林景觀等土木工程領(lǐng)域[1-2]?；炷令A制構(gòu)件的生產(chǎn)工藝有濕法成型和干法成型兩種。濕法成型是先將混凝土注入模具中，利用振動裝置振動密實，待混凝土達到一定強度后進行脫模養(yǎng)護，然而大多數(shù)濕法成型設備均采用固定的振動頻率和振幅，常常由于高頻振動后漿體的過分液化反致混凝土制品性能下降[3]。干法成型適用于干硬性混凝土，利用加壓裝置使混凝土壓實成型，但工藝要求較高，如處理不當，產(chǎn)品表面打磨后會出現(xiàn)大量的孔洞，影響質(zhì)量[4-5]。為克服現(xiàn)有工藝的不足，工程界在濕法和干法工藝的基礎(chǔ)上，提出了一種混凝土預制品生產(chǎn)新工藝——真空去水壓制法，可以在不摻外加劑的條件下，高效去除混凝土拌合物大部分的水分，同時結(jié)合高壓壓制替代高頻振蕩去除夾雜氣泡，有效改善制品的密實度、力學性能和外觀，極大提高生產(chǎn)效率[6]。其中，單純的真空去水工藝已在港口、道路和橋梁工程中進行了應用[7-9]。歐陽幼玲等[10]發(fā)現(xiàn)真空脫水可以提高混凝土表層密實度，改善混凝土的體積穩(wěn)定性和抗沖磨性能。楊森等[11]發(fā)現(xiàn)真空去水工藝可略微提高干硬性混凝土的強度，并明顯改善干硬性混凝土的表面抗凍性。然而，迄今針對采用真空去水和機械壓制相結(jié)合來成型混凝土預制件的研究尚不多見，且已有研究多關(guān)注混凝土的宏觀力學性能和耐久性，針對真空去水壓制混凝土微觀結(jié)構(gòu)方面的研究較少。

同時，在混凝土原料方面，隨著基礎(chǔ)設施建設的快速發(fā)展和環(huán)境保護的加強，優(yōu)質(zhì)的天然砂資源已日趨匱乏，無法滿足工程建設規(guī)模日益擴大的需要[12]。使用機制砂代替天然砂成為必然趨勢。然而機制砂存在顆粒表面粗糙、粒形尖銳、細度模數(shù)大、級配不良等問題，配制的混凝土流動性差，成型的構(gòu)筑物表觀質(zhì)量低[13]。目前主要通過優(yōu)化材料配合比來解決這個問題，甚少直接從成型工藝角度入手。

因此，本工作采用真空去水壓制成型工藝，實現(xiàn)機制砂混凝土預制構(gòu)件的高密實化制備，并從微觀結(jié)構(gòu)方面研究預制品的材料性能，為機制砂混凝土制品的真空去水壓制成型工藝提供理論支持和技術(shù)依據(jù)，從而助推預制構(gòu)件相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比設計

試驗用水泥為山東山水P·O 42.5水泥，比表面積為353 m2/kg。粗骨料來自山東日照五蓮石材廠的石灰石，最大粒徑為10 mm，表觀密度為2 668 kg/m3，堆積密度為1 630 kg/m3。細骨料同樣為山東日照五蓮石材廠提供的石灰石質(zhì)機制砂，Ⅱ區(qū)級配，細度模數(shù)為2.7。為比較機制砂與天然砂對混凝土性能的影響規(guī)律，另選取本地Ⅱ區(qū)級配河砂，細度模數(shù)為2.3。按照強度準則，設計了三組混合料，Ⅰ組和Ⅱ組采用機制砂，水灰比(W/C)分別為0.58和0.42；Ⅲ組采用河砂，W/C為0.58。各組均不摻入外加劑，具體配合比見表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete

1.2 真空去水壓制成型工藝及參數(shù)

圖1 真空去水壓制成型新工藝的裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of device for new processing technique vacuum water-removal and compression

采用真空去水壓制裝置進行混凝土制品成型，裝置示意圖如圖1所示。在模具的底模處加裝有真空抽水系統(tǒng)，將混凝土拌合物加入模具型腔后合模施壓，真空抽水系統(tǒng)對模具進行抽真空，通過吸水管吸出水分進入儲水罐并定量排出，而底模之下還有一層過濾網(wǎng)防止細粉、水泥等的滲漏，最后通過脫模系統(tǒng)脫模。其中壓制的壓力值為15 MPa，同時模腔內(nèi)的真空度抽取到-0.07 MPa。為對比施壓和去水時間的影響，針對各組試件分別設置了不去水壓制、真空去水壓制100 s、真空去水壓制160 s三個時間，三組試件分別記作Ⅰ-0、Ⅰ-100、Ⅰ-160、Ⅱ-0、Ⅱ-100、Ⅱ-160以及Ⅲ-0、Ⅲ-100、Ⅲ-160。

參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[14]測試未真空去水壓制拌合物的坍落度、擴展度、泌水率。在入模前先用50 L容量筒稱取拌合物初始質(zhì)量m0(kg)，在真空去水壓制成型后再次稱取整塊質(zhì)量mv，則質(zhì)量差mv-m0可視作去除的水分質(zhì)量mw。成型后的試樣在(20±2) ℃、相對濕度大于95%標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d。

1.3 混凝土性能測試

1.3.1 抗壓強度測試

將養(yǎng)護28 d后的試樣切割為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，任選6塊為一組，參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[15]測試抗壓強度。

1.3.2 孔結(jié)構(gòu)測試

通過切割法選取養(yǎng)護28 d試塊的中部約1 mm×1 mm×1 mm小塊，用無水乙醇浸泡試樣48 h以上終止水化，隨后取出放置在60 ℃的真空干燥箱中真空干燥2 d，再放入壓汞儀(MIP， AUTOPORE IV 9500，Micrometrics Instrument Co., Ltd.)中測試，壓汞測試最高壓力為240 MPa，孔徑測試范圍為6～360 000 nm。

1.3.3 微觀形貌測試

采用切割選取28 d齡期試塊中部包含粗骨料的樣品，放置于105 ℃真空干燥箱干燥24 h，取出后制成5 mm×5 mm×3 mm的片狀，部分噴金處理后利用掃描電子顯微鏡(SEM， TM4000Plus, Hitachi Co. Ltd.)觀察樣品微觀形貌。

1.3.4 物相組成測試

將經(jīng)過強度測試后的樣品進一步破碎，剔除粗骨料顆粒，再研磨成粉狀，采用X射線粉末衍射分析儀(XRD， DX-2700BH, Haoyuan Instrument Co.Ltd.)分析樣品物相組成，2θ掃描范圍為10°～60°，掃描速度為3 (°)/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀性能

表2為未真空去水壓制混凝土拌合物的坍落度、擴展度、泌水率等工作性測試結(jié)果?？梢姍C制砂混凝土的流動性屬于塑性偏干硬類。相比之下，天然砂混凝土屬于大流動塑性類，且黏聚性和保水性良好。因此，在同等W/C條件下天然砂混凝土的工作性顯著優(yōu)于機制砂混凝土。

表2 混凝土拌合物工作性Table 2 Workability of concrete mixtures

圖2(a)為經(jīng)過真空壓制去水處理后各組試樣容重的變化。經(jīng)處理后，各組容重均有顯著提高。其中初始W/C大的Ⅰ組和Ⅲ組在處理前容重分別為2 200和2 250 kg/m3，經(jīng)100 s處理后分別提高了6.7%和6.0%，而初始W/C小的Ⅱ組在處理前容重為2 229 kg/m3，經(jīng)100 s處理后提高了3.5%?？梢娬婵杖ニ畨褐茖Τ跏糤/C大的混凝土的容重提升效果更明顯，這主要是由于初始W/C越大則用水量越高，真空壓制工藝在單位時間內(nèi)能夠去除更多的水。延長處理時間至160 s后，Ⅰ組、Ⅱ組和Ⅲ組的容重相比初始分別提高了8.1%、3.2%、6.8%，表明隨著處理時間的延長，單位時間內(nèi)所能去除的水量下降，容重進一步提高的幅度有限。相應地，圖2(b)為根據(jù)容重數(shù)據(jù)計算的W/C變化值。顯然，初始W/C越大，真空去水壓制處理后W/C降幅越明顯。Ⅰ組和Ⅲ組在處理100 s后W/C分別降至0.32和0.31。進一步延長處理時間，W/C的變化幅度均收窄。

圖2 混凝土容重及W/C隨真空去水壓制時間的變化Fig.2 Variation of bulk density and W/C of concrete with time of vacuum water-removal and compression

圖3 混凝土抗壓強度隨真空去水壓制時間的變化Fig.3 Variation of compressive strength of concrete with time of vacuum water-removal and compression

圖3為各組混凝土抗壓強度隨真空去水壓制時間的變化，由圖3可知，經(jīng)真空去水壓制處理后，各組試樣的抗壓強度均有明顯提高。Ⅰ組、Ⅱ組和Ⅲ組的初始抗壓強度分別為34.5、46.5和38.3 MPa，經(jīng)處理100 s后，抗壓強度分別提高至49.9、63.6和50.6 MPa，分別提高了44.6%、36.8%和32.1%，原因在于去除水分后降低了W/C，有效增加了混凝土密實度。進一步延長處理時間至160 s，各組抗壓強度提高幅度下降，其中Ⅱ組的抗壓強度在處理160 s后增加至65.3 MPa，相比處理100 s僅小幅提升2.7%。而Ⅲ組的抗壓強度在處理160 s后反而比處理100 s略低。因此，與天然砂混凝土相比，采用真空去水壓制處理能更有效地提升機制砂混凝土的強度，尤其是初始W/C較大的機制砂混凝土。

由宏觀性能結(jié)果可知，盡管機制砂混凝土的工作性(尤其是流動性)相比同等W/C下的天然砂混凝土要差，但采用真空去水壓制處理后，機制砂混凝土的強度提升幅度反而優(yōu)于天然砂混凝土。這主要是由于真空去水壓制能夠?qū)崿F(xiàn)天然砂混凝土和機制砂混凝土的W/C以近似同等的幅度下降，且保證基體成型的高密實度，此時機制砂混凝土能夠充分發(fā)揮機制砂自身粒形粗糙而造成的嵌鎖效應，有效提升混凝土強度。

2.2 微觀性能

為進一步探究真空去水壓制對機制砂混凝土性能的影響，以下將分別從機制砂混凝土在處理前后的孔結(jié)構(gòu)、微觀形貌及物相組成變化方面進行分析。

2.2.1 孔結(jié)構(gòu)

圖4為真空去水壓制處理前后各組試樣中間部位樣品的MIP測試結(jié)果。與初始W/C小的Ⅱ組相比，初始W/C大的Ⅰ組的孔隙率，尤其是大孔徑的孔隙率明顯更大。真空去水壓制處理后，隨著W/C下降，Ⅰ組的大孔徑的孔隙率迅速下降，而小孔徑的孔隙率沒有明顯變化(圖4(a))。相比而言，Ⅱ組的大孔徑的孔隙率在真空去水壓制處理后僅小幅度下降，而小孔徑的孔隙率有相應提高(圖4(b))。隨著處理時間的延長，各組大孔孔隙率下降以及小孔孔隙率提高的幅度均不明顯?？梢哉J為，真空去水壓制過程能夠有效細化混凝土的孔徑，改善孔分布。

圖4 不同真空去水壓制時間下機制砂混凝土的MIP分析結(jié)果Fig.4 MIP analysis results of machine-made sand concrete with varied time of vacuum water-removal and compression

圖5進一步細分了經(jīng)真空去水壓制處理后各組樣品在不同孔徑區(qū)間的比例。根據(jù)混凝土經(jīng)典孔隙理論[16]，其中大于50 nm的孔與強度、耐久性等性能有關(guān)，即有害孔；而小于50 nm的孔為無害孔，多與收縮、徐變等變形行為有關(guān)[17]。未經(jīng)處理的Ⅰ組和Ⅱ組試樣的總孔隙率分別為45.1%和40.1%，經(jīng)處理100 s后下降至14.3%和11.1%，降幅分別為68.3%和72.3%，而處理160 s后Ⅰ組僅小幅下降至8.4%，Ⅱ組則沒有明顯變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，真空去水壓制處理后總孔隙率的下降主要源于大于50 nm孔隙率的降低，例如經(jīng)100 s處理后，Ⅰ組和Ⅱ組試樣的大于50 nm孔隙率分別降低72.3%和74.8%，這與抗壓強度的結(jié)果相吻合。然而進一步延長處理時間對降低孔隙率的效果并不顯著，例如處理100 s后Ⅰ組和Ⅱ組的大于50 nm孔隙率分別為10.8%和7.9%，延長至160 s后Ⅰ組小幅下降至7.3%，Ⅱ組反而為8.5%。處理100 s后各組W/C降為0.3左右，因此可認為，對于W/C為0.3甚至更低的混凝土拌合物，W/C低導致基體滲水通道減少，真空去水壓制處理難以從拌合物中去除更多的水分。

為進一步探究真空去水壓制處理下混凝土孔結(jié)構(gòu)及性能，需考慮體系的水化進程。根據(jù)Mindess對Powers水化理論的闡釋[18]，水泥漿體的毛細孔隙率Pc與W/C和水化程度α存在以下關(guān)系：

(1)

同時，考慮到最小W/C的存在，即完全水化所需要的水量wmin：

wmin=wn+wg=0.24α+0.18α=0.42α

(2)

式中：wn為每克水泥水化后水化產(chǎn)物含有的非蒸發(fā)水量；wg為每克水泥水化后形成凝膠的飽和凝膠孔水量。令α等于1，可知最小W/C即為0.42。因此，當W/C低于0.42時，意味著體系水化程度α小于1。據(jù)此可以描繪出水泥水化體系的毛細孔隙率Pc與W/C和水化程度α之間的關(guān)系，如圖6所示。顯然，隨著W/C降低及α的提高，所計算的體系Pc降低。

圖7給出了各組在真空去水壓制處理前后體系在不同水化程度下的毛細孔隙率計算值(實線)，同時標出了毛細孔率實測值(虛線)，兩線交點可推測為體系的水化程度?？梢?，處理后體系的水化程度有明顯提高，各組的水化程度α值均達到0.6以上。這一方面可能是由于去水后體系更加緊密，另一方面則在于去水后體系W/C已低于最小值0.42，無法完全水化。

圖5 不同真空去水壓制時間下混凝土漿體內(nèi)的分類孔隙率Fig.5 Porosity of different pores in machine-made sand concrete with varied time of vacuum water-removal and compression

圖6 硬化水泥漿體毛細孔隙率與W/C及水化程度的關(guān)系Fig.6 Relationships among capillary porosity, W/C and hydration degree of hardened cement paste

圖7 真空去水壓制處理前后機制砂混凝土漿體在不同水化程度下的毛細孔隙率計算值與實測值Fig.7 Calculated and measured values of capillary porosity for paste in machine-made sand concrete under varied hydration degree before and after vacuum water-removal and compression

2.2.2 微觀形貌

圖8為真空去水壓制處理前后混凝土內(nèi)靠近骨料處的SEM照片。在真空去水壓制處理前，由于W/C高，Ⅰ組和Ⅱ組試樣硬化漿體部分顯得較為疏松，孔隙較大，而且漿體與骨料之間的結(jié)合薄弱，表現(xiàn)為界面過渡區(qū)(interfacial transition zone, ITZ)較寬，同時ITZ分布有大量六方片狀的Ca(OH)2及針棒狀的鈣礬石(ettringite)晶體，并呈現(xiàn)定向排列(圖8(a)、(d))，這些均對混凝土的強度造成不利影響[19]。經(jīng)處理后，硬化漿體部分明顯變得更加致密，孔隙尺寸減小，并發(fā)現(xiàn)了更多絮狀的水化硅酸鈣(calcium silicate hydrate, C-S-H)凝膠等水化產(chǎn)物，同時ITZ寬度有所收縮，而定向排列的針狀鈣礬石及片狀Ca(OH)2含量也顯著減少，使?jié){體與骨料的黏結(jié)改善(圖8(b)、(e))。這是由于在高的壓力作用下，水化空間減少。不過，延長處理時間對漿體及ITZ的改變已不明顯。SEM的分析結(jié)果印證了真空去水壓制處理能明顯改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，從而提高強度。

2.2.3 物相組成

圖9為真空去水壓制處理前后混凝土中部樣品的XRD譜。首先發(fā)現(xiàn)有明顯的方解石(calcite)和白云石(dolomite)的衍射峰，其均來自石灰石質(zhì)骨料，同時發(fā)現(xiàn)有石英(quartz)、利蛇紋石(lizardite)、堇青石(cordierite)和鈉長石(albite)晶體的衍射峰，這些應該來自于骨料中的礦物雜質(zhì)。所發(fā)現(xiàn)的Ca(OH)2和鈣礬石則來自于水泥水化產(chǎn)物?？梢园l(fā)現(xiàn)，Ⅰ組和Ⅱ組試樣在處理前，Ca(OH)2和鈣礬石的峰相對更尖銳，表明其晶體發(fā)育良好，結(jié)晶度高。而處理后Ca(OH)2和鈣礬石的峰均減弱，這與SEM分析的結(jié)果是一致的。

圖8 不同真空去水壓制時間下機制砂混凝土微觀形貌的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of microstructure of machine-made sand concrete with varied time of vacuum water-removal and compression

圖9 不同真空去水壓制時間下機制砂混凝土漿體的XRD譜Fig.9 XRD patterns of paste in machine-made sand concrete with varied time of vacuum water-removal and compression

3 結(jié) 論

1)真空去水壓制工藝能夠有效脫除混凝土拌合物中的水，從而降低拌合物W/C并提高抗壓強度。與天然砂混凝土相比，該工藝能更顯著提升機制砂混凝土的強度，這是由于真空壓制能保證成型體的高密實度，機制砂混凝土能夠充分發(fā)揮機制砂自身粒形粗糙而造成的嵌鎖效應。

2)真空去水壓制工藝對初始W/C大的機制砂混凝土的性能提升效果最顯著，經(jīng)真空負壓-0.07 MPa及壓制15 MPa處理100 s后，初始W/C從0.58降低至0.32，抗壓強度提升了44.6%。隨著處理時間的延長，進一步提升的效果減弱。

3)真空去水壓制處理后機制砂混凝土硬化體的孔隙率大幅降低，尤其是大于50 nm的大孔比例顯著下降，初始W/C為0.58和0.42的混凝土在處理100 s后，大于50 nm的孔隙率下降幅度均超過70%，從而改善了孔徑分布，且水化程度均提高至0.6以上。

4)經(jīng)真空去水壓制處理后，機制砂混凝土內(nèi)硬化漿體更致密，定向排列的針狀鈣礬石及片狀Ca(OH)2含量減少，而ITZ黏結(jié)性能得到了提高，最終表現(xiàn)為抗壓強度提升。