基于内部孔结构的功能型混凝土研究初探

王发洲，杨 进，程 华，吴 静，李新平

（1.武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070；2.后勤工程学院军事土木工程系，重庆 400016；3.武汉纺织大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430200；4.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070）

混凝土是工程建设中应用量最大、最广泛的土木材料［1］，其性能可满足不同类型结构工程的需求.然而混凝土的内部结构及原材料组成较复杂，如何建立混凝土内部结构与宏观性能之间的联系，实现混凝土结构功能一体化，一直是混凝土研究领域的热点.目前此项研究的难点是混凝土内部结构不易控制.

鉴于此，本文利用大粒径（≥4mm）球形高吸水树脂SAP材料形状规则、数量及粒径易于控制的特点，在混凝土内部制造出均匀分布的规则球形孔，并由此赋予混凝土多种新的功能，探索一种基于内部孔结构的功能型混凝土（以下简称SFIC）制备方法.该技术可解决现有混凝土天然骨料资源严重短缺、再生骨料来源不一、成分及质量波动大等问题［2－4］.本文对所制备的基于孔结构功能型混凝土的内部相对湿度、力学性能、保温隔热性能和吸声降噪性能进行了探讨.

1 试验

1.1 原材料

水泥：普通硅酸盐水泥（OPC），比表面积318m2／kg；硫铝酸盐快硬水泥（SAC），比表面积279m2／kg，两者强度等级均为42.5.磨细矿渣粉（SG）：比表面积420m2／kg，烧失量0.82%（文中涉及的烧失量、水灰比等除特别说明外均为质量分数或质量比）.粉煤灰（FA）为Ⅱ级粉煤灰，细度（0.045mm筛余）7.8%，烧失量2.3%.硅灰（SF）：比表面积25m2／g，SiO2含量大于90%.细集料：中砂（S），粒径≤4.75mm，表观密度2.65g／cm3，细度模数2.84.聚甲醛纤维（POM）：密度1.41g／cm3，抗拉强度750MPa，直径20μm，长度9mm.拌和水（W）∶自来水.减水剂（SP）为聚羧酸高效减水剂，减水率25%.大粒径球形高吸水树脂SAP（聚丙烯酸系）：在淡水中的吸水率为115 倍左右，在0.4 mol／L NaCl溶液中的吸水率为18倍左右，吸水饱和后为规则的球形，粒径4～8mm.

本文所用的3 种粒径球形SAP 在0.4 mol／L NaCl溶液中的参数如表1所示.

表1 不同粒径球形SAP的基本参数Table 1 Basic parameters of spherical SAP with different particle sizes

上述3种球形SAP交联密度高，与常规内养护使用的粉状SAP（粒径＜500μm）相比，其吸水率及吸水速率显著降低，保水性强，凝胶强度高，在混凝土搅拌过程中不易破碎，可替代普通集料.

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土制备方法

对大粒径球形SAP进行浸泡预处理，使其粒径达到尺寸要求，使用饱水后的球形SAP等体积替代集料，最高取代率（体积分数，下同）为100%.本文以球形SAP为主要研究对象，在大量前期工作基础上，将球形SAP取代率作为主要变量，其他用量不变.表2为SFIC 的基本配合比，其中SFIC－1～SFIC－6的球形SAP 取代率分别为0%，20%，40%，60%，80%和100%.依次按照集料—胶凝材料—饱水球形SAP—水—减水剂的加料顺序拌和混凝土.

表2 SFIC基本配合比Table 2 Mix proportion of SFIC kg／m3

大粒径球形SAP 的吸水速率远低于常规粉状SAP的吸水速率，球形SAP达到饱和需耗时300min左右，而粉状SAP 仅需2min左右.这一点决定了常规内养护所用粉状SAP 可以以干粉状态拌入混凝土，而大粒径球形SAP 须先进行预饱水处理，再引入混凝土内.另外，球形SAP 可以大量拌入混凝土内，而粉状SAP使用量大时会存在絮凝不易分散及泌水等问题.

1.2.2 球形SAP基本性能测试

球形SAP 吸水－释水循环：称取一定量球形SAP，使其吸水饱和，用网袋法测定其吸水率，然后在50 ℃烘箱内烘干；再次使其吸水饱和，测定吸水率，如此循环多次.

1.2.3 水分扩散测试

成型100mm×100mm×100mm 立方体试件，采用WSX－Ⅱ型内部相对湿度测试仪测定试件自表面向内部50mm 处的相对湿度，精确到1%.为了直观表征球形SAP在混凝土内部的作用范围，采用红墨水作为示踪材料，用薄刀片将浸泡好的球形SAP平分切成两半，剖面紧贴培养皿底部，然后将搅拌好的胶凝浆体小心注入培养皿中成型，由此可从培养皿底部观测SAP的释水轨迹.

1.2.4 力学性能测试

使用浸泡好的球形SAP Ⅰ，按表2基本配合比成型40mm×40 mm×160 mm 试件，进行标准养护.抗折强度和抗压强度测定按GB／T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行，采用美国产MTS－810材料试验机测定试件28d弹性模量.

1.2.5 保温隔热性能测试

成型40mm×40mm×160mm 试件，标准养护至28 d，将试件进行低温烘干处理，参照GB／T 10297—1998《非金属固体材料导热系数的测定 热线法》，采用日本产QTM－500导热系数测试仪测定试件导热系数.

1.2.6 吸声降噪性能测试

成型φ96×50mm 试件，参照GBJ 88—85《驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范》，采用AWA6122型智能电声测试仪测定试件不同频率处的吸声系数.

2 试验结果与讨论

2.1 球形SAP基本性能

SAP在吸水过程中受渗透压影响较大，外界溶液浓度越大，树脂网络内外渗透压差就越小［5］.图1为球形SAP Ⅰ（干燥粒径1.5～2.0mm）在不同溶液浓度下的吸水率随时间变化的曲线.由图1可以看出，随着外界溶液浓度的增大，球形SAP 的吸水率逐渐降低，饱和粒径逐渐减小；在较高浓度的盐溶液中球形SAP的吸水速率、吸水率、达到平衡所需时间以及膨胀后的尺寸都较小.由此可见，球形SAP吸水后的粒径除了由本身干燥粒径决定外，还可以通过溶液浓度或者浸泡时间进行控制，按照此思路可实现混凝土内部孔结构的控制与设计.

图1 不同溶液浓度下球形SAP的吸水曲线Fig.1 Absorptivity of spherical SAP in different saline solutions

球形SAP 在0.4mol／L NaCl溶液中的吸水－释水循环规律如图2所示.由图2可见，随着吸水－释水循环的进行，球形SAP的饱和吸水率呈现出下降趋势.这是由于高吸水树脂在吸水过程中存在一定溶解现象，交联键发生水解断裂，有效吸水成分减少，故经过一定吸水－释水循环之后，树脂吸水率表现出降低趋势.由此可以推测，球形SAP 在混凝土内部经过长时间干湿循环之后，或者长期处于潮湿环境中时，由于溶解现象的存在使其尺寸与原始饱水状态相比会有减小趋势.因此，球形SAP 在混凝土内部应不会出现由于再次吸水，导致体积超过原始尺寸而产生膨胀应力的现象.

图2 球形SAP吸水－释水循环Fig.2 Absorption－desorption cycles of spherical SAP

2.2 混凝土内部相对湿度变化及水分扩散规律

图3为掺加球形SAP的试件SFIC－3与未掺加球形SAP 的试件SFIC－1 早期内部相对湿度的对比.由图3可以看出，在低水灰比下，SFIC－1内部相对湿度在水泥水化作用下，21d时降至58.5%，而SFIC－3内部相对湿度在21d时仅下降了4.0%，比SFIC－1高出28.5%，这证明球形SAP 在混凝土内部有持久释水的作用，在很大程度上延缓了混凝土内部相对湿度的降低时间.研究表明［6－7］，当混凝土内部相对湿度低于75.0%时，水泥水化将会受到明显抑制，因此球形SAP的存在有助于促进水泥等胶凝材料的水化.

图3 掺加球形SAP的混凝土试件与未掺球形SAP的空白混凝土试件内部相对湿度变化Fig.3 Internal relative humidity change of concrete with and without spherical SAP

观察使用红墨水标记的球形SAP在混凝土内部的释水轨迹，可以发现球形SAP在浆体内部各种因素作用下释放水分，在其周围形成了1个环形养护层.表3为不同粒径球形SAP所形成的环形养护范围.由表3可见，球形SAP粒径越大，环形养护范围也越大.表3数据来自净浆成型试块，其结构致密，在混凝土试件中，由于内部孔隙等缺陷的存在，球形SAP水分扩散范围可能更大.根据Lura［8］的研究结果，轻集料（粒径4～8mm）对其周围浆体的养护范围仅有1mm 左右，即使所有粗集料都用轻集料替代，也只有70%的浆体得到养护.可见，大粒径球形SAP在混凝土内部具有作用范围更大的持久养护作用.

表3 不同粒径球形SAP水分扩散范围Table 3 Moisture diffusion range of spherical SAP with different particle sizes

2.3 物理力学性能

为了研究大掺量球形SAP 对混凝土后期强度的影响，该部分试验中所成型的试件在标准养护28d后用保鲜膜密封保存至1a.图4 为不同球形SAP掺量下混凝土试件的强度发展规律.由图4可以看出，球形SAP 掺量对试件强度影响显著.当球形SAP取代率由0%增大到100%时，混凝土试件28d抗压强度由68 MPa降低到4 MPa，其中球形SAP取代率为40%的混凝土试件SFIC－3，1a后的抗压强度达到40MPa以上.此外，虽然混凝土试件28d后停止了标准养护，但放置1a后仍表现出较大程度的强度增长，球形SAP取代率100%的混凝土试件SFIC－6抗压强度回升至8MPa，抗压强度增长率最大.分析认为，在停止28d标准养护后试件内部相对湿度逐渐下降，在湿度差的驱动下球形SAP逐渐释放其内部储存的水分，起到了调节混凝土内部湿度场，促进水泥后期水化及矿物质掺和料水化的作用.球形SAP 取代率越大，混凝土内部水泥石得到的养护越充分.根据文献［9］，在混凝土水灰比为0.5，养护龄期28d时矿渣在水泥浆体中的反应程度在40%以下，粉煤灰的反应程度在10%以下.也有研究［10］表明，水泥水化28d时粉煤灰仍然没有发生反应.总体而言，在大掺量球形SAP 的释水作用下，水泥、粉煤灰和矿渣等的后期水化程度得以促进，提高了混凝土的后期强度增长.

图4 不同龄期SFIC的强度发展Fig.4 Strength development of SFIC at different ages

图5为球形SAP取代率对混凝土试件28d弹性模量的影响.由图5 可见，SAP 掺量对混凝土弹性模量影响显著，表现出了与抗压强度相似的下降趋势；当球形SAP取代率由0%增大到100%时，试件28d弹性模量由31.0GPa降低至2.5GPa.试件弹性模量随球形SAP 取代率的增大而下降的原理与轻集料替代碎石类似［11］，这是因为：球形SAP 取代率增大，混凝土内部单位体积内的骨料含量降低.一般而言，骨料用量越低，混凝土弹性模量越小.此外，混凝土内部孔隙率的增大对其弹性模量也有一定影响.

图5 球形SAP取代率对SFIC弹性模量的影响Fig.5 Elastic modulus of SFIC as a function of replacement rate（by volume）of spherical SAP

普通混凝土为脆性材料，当抗压强度由10MPa增大到60MPa时，其折压比（抗折强度ft／抗压强度fc）由约1／10降至约1／15，几乎呈直线下降，通过引入橡胶颗粒等弹性改性组分可改善其韧性.图6为球形SAP取代率对混凝土试件折压比的影响.

图6 球形SAP取代率对SFIC折压比的影响Fig.6 Bend－press ratio of SFIC as a function of replacement rate（by volume）of spherical SAP

由图6可见，在纤维掺量相同的情况下，球形SAP的掺入可在一定程度上改善混凝土的折压比；当未掺球形SAP时，混凝土试件的折压比为1／5左右，当球形SAP取代率增大时，试件的折压比在一定范围内表现出增大趋势；但是，球形SAP 的过量掺入会对试件强度造成不利影响，其折压比反而不如未掺球形SAP的空白样.

图7为球形SAP 取代率对混凝土试件理论球形孔隙率及密度的影响.

图7 球形SAP取代率对SFIC的理论球形孔隙率和密度的影响Fig.7 Theoretical spherical porosity and density of SFIC as a function of replacement rate（by volume）of spherical SAP

由图7可见，球形SAP取代率越大，混凝土试件内部球形孔隙率越高，密度越低.当球形SAP取代率达40%时，混凝土试件密度降低至1 900 kg／m3以下，达到轻骨料混凝土范畴.当采用陶砂（表观密度1 680kg／m3）作为细集料时，其密度可降至1 600kg／m3以下，最低可至640kg／m3.该种功能型混凝土固体原料用量约为1 500kg／m3，而普通混凝土约为2 200kg／m3，可节约固体原料用量37%左右.虽然该种功能型混凝土原材料成本约为普通混凝土的2倍左右，但其在偏远地区和远海地区等地因节约大量原材料运输量所降低的运输成本却是不可忽视的.

2.4 保温隔热性能

混凝土的导热系数主要取决于骨料类型、孔隙率和干湿状态［12－13］.表4为由不同集料制备的普通混凝土典型导热系数.

表4 不同集料制备的普通混凝土导热系数Table 4 Thermal conductivity of normal concrete made of different coarse aggregates

图8 球形SAP取代率对SFIC导热系数的影响Fig.8 Thermal conductivity of SFIC as a function of replacement rate（by volume）of spherical SAP

图8为球形SAP 取代率对混凝土试件导热系数的影响.由图8可见，随着球形SAP 取代率的增大，混凝土试件的导热系数显著降低，其保温隔热性能得到改善；当球形SAP 取代率为0%时，混凝土试件实测导热系数为2.626 W／（m·K），当球形SAP取代率增大到100%时，其导热系数降低至0.316W／（m·K）.球形SAP之所以能显著改善混凝土的保温性能，是因为其在混凝土内部形成了大量封闭、独立的球形孔（见图9），这样既降低了骨料的含量又增加了混凝土内部的球形孔隙率.加气混凝土的导热系数通常在0.080～0.250W／（m·K），但强度较低；干密度为1 200～1 600kg／m3的黏土陶粒混凝土导热系数为0.530～0.840W／（m·K）.可见，通过混凝土内部球形SAP的合理设计可以使该种混凝土的保温隔热性能超过同密度等级的轻集料混凝土，具有在保温隔热材料方面的应用潜力.

图9 SFIC内部球形孔断面图Fig.9 Cross－section of spherical pores in SFIC

2.5 吸声降噪性能

轮胎与路面的接触噪声是交通噪声中的主要噪声源，路面与轮胎的噪声频率主要集中在600～1 250Hz.本试验主要测试250，500，800，1 000，1 600，2 000Hz处的吸声系数，不同球形SAP掺量下SFIC 的吸声系数及降噪系数如表5 所示.与空白样相比，掺加球形SAP后混凝土试件在1 000Hz处出现了吸声峰值，且吸声系数峰值达0.877.根据文献［14］，采用混响室法测得的普通混凝土路面吸声系数为0.090，密级配沥青路面为0.220，低噪音沥青混凝土路面为0.430.可见，球形SAP的掺入改变了混凝土内部的孔结构，使其吸声降噪性能超过了密级配沥青路面，表现出良好的吸声降噪潜力.

表5 不同球形SAP取代率下SFIC的吸声系数和降噪系数Table 5 Sound absorption coefficient and noise reduction coefficient of SFIC under different replacement rates（by volume）of spherical SAP

从路面的角度考虑，降噪主要涉及吸声和减振.球形SAP可以显著改善混凝土材料吸声性能，主要原因为：球形SAP在混凝土内部及表面产生较多球形孔，由于这种特殊的球形孔结构，声波在孔壁表面被多次反射吸收；另外，球形SAP是高弹性高分子材料，类似于橡胶颗粒［15］，具有阻尼特性，从而使该种混凝土可以同时吸收轮胎振动和冲击，产生降噪效果.

3 结论

（1）利用球形SAP 形状规则、数量及粒径易于控制的特点，实现混凝土内部孔结构的准确控制，制备出一种基于内部孔结构的功能型混凝土.

（2）球形SAP在混凝土内部起到较好的养护作用，可调节混凝土内部相对湿度，显著延缓混凝土内部相对湿度的降低，促进混凝土后期强度的持续增长.

（3）通过内部造孔，混凝土的保温隔热性能、吸声降噪性能得到显著改善，导热系数降至0.316W／（m·K），降噪系数达0.348，峰值吸声系数达0.877，具有保温隔热、吸声降噪等功能.

（4）随着球形SAP 取代率的提高，混凝土的强度及弹性模量均表现出显著的下降趋势.通过控制球形SAP的取代率，可制备出抗压强度高于40MPa的混凝土.

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