预湿方式对塑钢纤维轻骨料混凝土工作性及强度的影响

牛建刚， 刘江森， 朱 聪

(1.内蒙古科技大学 土木工程学院, 内蒙古 包头 014010；2.重庆大学 材料科学与工程学院, 重庆 400044)

轻骨料混凝土质轻，抗震性能和综合经济性能较好，是高层和大跨结构优选的材料；然而轻骨料混凝土弹性模量小、徐变和收缩大、易产生脆性破坏，且轻骨料易上浮，使其工作性及可泵送性难以控制[1-2]，这些缺点严重阻碍了轻骨料混凝土在土木工程承载结构中的应用.因此，如何有效改善上述缺点，成为众多学者研究关注的课题.针对轻骨料混凝土易产生脆性破坏等力学缺陷，常规做法是掺入适量纤维[3-4]，如本课题组[5]掺入廉价、耐腐蚀的塑钢纤维(聚丙烯粗纤维)；针对轻骨料易上浮的问题，通常采取的方法是在混凝土制备前对轻骨料进行常压预湿.轻骨料预湿程度不同，对轻骨料混凝土各项性能产生的影响有所不同.韩宇栋等[6-9]研究了预湿轻骨料对混合骨料混凝土早期收缩的影响；季韬等[10]研究了预湿轻骨料对轻骨料混凝土拉伸徐变的影响；孔丽娟等[11-12]研究了轻骨料预湿程度对混合骨料混凝土抗冻性能的影响；Lo等[13-15]研究了预湿轻骨料对轻骨料混凝土抗压强度的影响.上述研究中轻骨料预湿过程都是在常压下进行的，然而施工阶段轻骨料混凝土的泵送过程存在一定压力，常压预湿的结果不能很好地应用于工程实践.Kabay等[16]研究了真空预湿、浸水预湿24h、常压预湿1h这3种方式对轻骨料混凝土硬化性能的影响，结果表明：真空预湿和浸水预湿24h较常压预湿1h更有利于轻骨料混凝土性能的改善，但真空预湿费用高，不利于大规模推广.

轻骨料混凝土质轻，应用在装配式结构中具有明显优势，现阶段中国正大力推广装配式建筑结构.如果能有一种简便易行，且比JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》中常压预湿1h更高效的方式来实现预湿，那么将对轻骨料混凝土的推广具有重要意义.

因此，本文设计了一种加压预湿方法，加压预湿时间小于1h，加压值为1.5MPa，低于文献[17]中混凝土干缩最大应力值3.2MPa，即1.5MPa不会对骨料产生不利影响.在加压和常压这2种预湿方式下，通过改变粉煤灰陶粒和页岩陶粒这2种轻骨料的吸水率，配制塑钢纤维轻骨料混凝土，重点研究轻骨料吸水率对塑钢纤维轻骨料混凝土坍落度经时损失和抗压强度的影响规律.

1 试验

1.1 试验材料

水泥：蒙西水泥股份有限公司生产的蒙西牌P·O 42.5R普通硅酸盐水泥.细骨料：普通砂，细度模数为2.94，堆积密度为1575kg/m3，表观密度为2460kg/m3，含泥量<3%(质量分数，文中所涉及的含量、减水率等均为质量分数).塑钢纤维：浙江宁波大成新材料股份有限公司生产的塑钢纤维(聚丙烯粗纤维)，长度30mm，密度0.95g/cm3，抗拉强度530MPa，弹性模量7000MPa.外加剂主要是减水剂和引气剂，减水剂选用钢鹿牌萘系b2高效减水剂，减水率为20%；引气剂选用AH-1型引气剂.粗骨料：一种为包头市精正建材公司生产的粉煤灰陶粒，另外一种为天津市武清区彤上轻质建材厂生产的页岩陶粒，二者粒径均为5～20mm，其性能指标见表1.

表1 陶粒的性能指标Table 1 Properties of ceramsite

1.2 配合比

鉴于目前工程中C30强度混凝土的使用量较大，本文塑钢纤维轻骨料混凝土的强度等级设定为LC30.配合比依据松散体积法设计，见表2.表2中的用水量不包括陶粒中的预湿水.

表2 塑钢纤维轻骨料混凝土的配合比Table 2 Mix proportion of plastic-steel fiber lightweight aggregate concrete kg/m3

1.3 测试方法

塑钢纤维轻骨料混凝土坍落度试验依据GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行；抗压强度试验依据GB 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行；微观测试采用日本制造的S -3400N扫描电子显微镜(SEM)进行分析.

2 结果与分析

2.1 轻骨料吸水率

2.1.1轻骨料吸水率测定及现象分析

测定轻骨料常压(约为0.09MPa，考虑内蒙古包头市海拔1000m)预湿0.25，0.50，0.75，1.00，3.00，6.00，12.00，24.00h后的吸水率，以及在1.5MPa 压力下预湿0.25，0.50，0.75，1.00h后的吸水率，结果如表3所示.

由表3可知：常压下，预湿时间相同的粉煤灰陶粒吸水率始终高于页岩陶粒吸水率，并且差距较为明显；而在1.5MPa压力下，随着预湿时间的延长，2种陶粒吸水率均较常压下增加，0.50h后相对稳定，并且不再有较大幅度增加.陶粒加压预湿的吸水率始终高于相同预湿时间下常压预湿的吸水率.在2种预湿条件下，随预湿时间增加粉煤灰陶粒的吸水率均有较小幅度增长，而页岩陶粒在加压预湿时的吸水率远大于其常压预湿时.

表3 轻骨料吸水率Table 3 Water absorption ratio of lightweight aggregate w/%

2.1.2试验中陶粒预湿时间的选取

根据陶粒吸水率与吸水时间的关系，本试验选用每种陶粒吸水率区分度较大的4种预湿时间：粉煤灰陶粒选取常压预湿0.25，1.00，24.00h和1.5MPa压力下预湿0.50h，用该预湿粉煤灰陶粒制备塑钢纤维轻骨料混凝土，其组别依次记作FLC0.25，FLC1.00，FLC24.00，FLCP0.50；页岩陶粒选取常压预湿0.25，3.00，24.00h和1.5MPa压力下预湿0.50h，用该预湿页岩陶粒制备塑钢纤维轻骨料混凝土，其组别依次记作SLC0.25，SLC3.00，SLC24.00，SLCP0.50.

2.2 预湿程度对轻骨料混凝土坍落度经时损失的影响规律

测定拌和物分别在0，30，60，90min时的坍落度，结果如表4所示.表4中，括号内的2个数据前者表示与前一时刻相比的坍落度损失，后者表示总坍落度损失.

表4 拌和物坍落度经时变化Table 4 Slump of fresh pastes at different times mm

由表4可知：无论是粉煤灰陶粒还是页岩陶粒，在不同预湿程度下配制的塑钢纤维轻骨料混凝土坍落度均随时间增加而减小.在90min时，采用常压预湿粉煤灰陶粒制备的塑钢纤维轻骨料混凝土坍落度经时损失最大值为28mm(FLC0.25)，而采用加压预湿页岩陶粒制备的塑钢纤维轻骨料混凝土坍落度经时损失最小，仅为10mm(SLCP0.50).混凝土拌和及凝结过程中水的不断消耗是引起其坍落度经时损失的原因.加压预湿处理后的陶粒吸水率越大，其继续吸收水泥浆中水分的能力越有限，所以用其制备的塑钢纤维轻骨料混凝土的坍落度经时损失就越小；而常压预湿后的陶粒还会继续吸收水泥浆中的水分，导致其坍落度经时损失较大.

2.3 预湿程度对轻骨料混凝土立方体抗压强度的影响

测定各试验组在不同龄期时的立方体抗压强度，结果如表5所示.

表5 轻骨料混凝土立方体抗压强度Table 5 Cube compressive strength of plastic-steel fiber lightweight aggregate concretes MPa

由表5可知：在养护至7，14d时，拌和前陶粒的吸水率越大，塑钢纤维轻骨料混凝土试件的立方体抗压强度越小；当养护至28，56d时，各组试件的抗压强度差值变小.采用2种陶粒制备的试件立方体抗压强度增长率均随陶粒预湿程度增加而增加，尤其当陶粒经1.5MPa加压预湿后，试件立方体抗压强度增幅十分明显.采用1.5MPa加压预湿的2组陶粒制备的试件56d立方体抗压强度与其常压组数据接近，表明1.5MPa的压力值并不会对2种陶粒造成初始损伤.此时吸水率较小的陶粒会较多吸收水泥浆中水分，使得其界面过渡区水灰比较小，对强度有利；而吸水率较大的陶粒，其继续吸收水泥浆中水分的能力有限，致使混凝土界面过渡区水灰比较大，对强度不利.但在中后期时，各组试件中的水泥水化程度均较高，无论陶粒预湿程度如何，混凝土界面过渡区相比轻骨料都具有一定强度优势，受压时轻骨料先发生破坏而成为薄弱环节.即塑钢纤维轻骨料混凝土中后期强度与陶粒吸水率关系不大，而主要与轻骨料自身强度有关.

2.4 SEM微观分析

由于加压预湿对页岩陶粒吸水率影响较大，对粉煤灰陶粒吸水率影响较小，为了更好地解释加压预湿对2种陶粒的不同影响，通过SEM观测2种陶粒的原始表面和内部孔结构特征，结果见图1，2.

图1 陶粒的原始表面Fig.1 Outer original surface of ceramsites

图2 陶粒的原始孔结构Fig.2 Original pore structure of ceramsites

由图1可以看出，粉煤灰陶粒表面疏松多孔且凹凸不平，而页岩陶粒表面致密紧凑且较为平整.正是由于陶粒表面结构上的差异，所以常压下粉煤灰陶粒比页岩陶粒具有较大的吸水率和较快的吸水速率.从图2可以看出，粉煤灰陶粒内部呈现出较多不规则大孔并且相互间连通性较好；而页岩陶粒内部多为封闭性的小孔，相互间连通性较差.结合图1，2可以较好地解释为何加压预湿对页岩陶粒吸水率影响较大，而对粉煤灰陶粒吸水率影响较小.

预湿会对轻骨料内部结构和水泥水化反应产生较大影响，而对塑钢纤维影响较小.为了更好地解释加压预湿对试件立方体抗压强度的影响，通过SEM观测了试件SLC0.25，SLCP0.50养护7，28d后的骨料-浆体界面过渡区，结果见图3.

图3 试件SLC0.25，SLCP0.50养护7，28d后的骨料-浆体界面过渡区形貌Fig.3 SEM images of ITZ between aggregates and cement paste of specimen SLC0.25，SLCP0.50 at 7，28d

由图3可见，试件SLC0.25和SLCP0.50界面过渡区水泥水化后的产物均为无定型C-S-H凝胶、针棒状的钙矾石(AFt)以及不规则花瓣状或六方薄板状的单硫型水化硫铝酸钙(AFm)等.

由图3(a)，(b)可知：常压预湿0.25h的页岩陶粒与浆体界面过渡区黏结相对较好；而1.5MPa下加压预湿0.50h的页岩陶粒与浆体界面过渡区缝隙平齐，结构较疏松.由图3(c)，(d)可知：养护28d的SLC0.25和SLCP0.50这2组试件界面过渡区孔隙和微裂隙均较养护7d时减少许多，C-S-H凝胶则由早期的絮凝状体转变成球状团聚物，相互之间连接更紧密而形成空间网状结构.分析其原因：试件SLC0.25吸水率较低，水泥浆体中水分相对较高，界面过渡区可从水泥浆体中吸水，从而使得吸收的水分与水泥水化之间达到动态平衡；试件SLCP0.50中页岩陶粒的吸水率较高，界面过渡区倾向于从页岩陶粒内部吸水，水化更加充分，使得后期这一薄弱界面得以增强.在7d时，试件SLCP0.50界面过渡区相对试件SLC0.25薄弱；到28d时，由于试件SLCP0.50中页岩陶粒持续返水，2组试件的界面过渡区致密程度相当，故可以较好地解释采用加压预湿陶粒制备的试件立方体抗压强度增长率相对较快的原因.

3 结论

(1)常压预湿处理下，粉煤灰陶粒吸水率远大于页岩陶粒吸水率；1.5MPa加压预湿处理下，粉煤灰陶粒和页岩陶粒的吸水率都大幅升高，且接近饱和.

(2)塑钢纤维轻骨料混凝土坍落度经时损失随着陶粒吸水率的提高而呈减小趋势.采用常压吸水率最小的陶粒制备的混凝土坍落度经时损失最大，而采用加压预湿陶粒制备的混凝土坍落度经时损失最小.

(3)加压预湿对塑钢纤维轻骨料混凝土早期强度有影响，而对28，56d的中后期强度影响不大.混凝土中后期强度与陶粒吸水率关系不大，仅与陶粒本身强度有关.

(4)页岩陶粒表面结构相对紧凑，内部孔隙连通性较差，常压预湿处理时水难以渗透到其内部孔隙，而加压预湿时由于压力的存在，水可较好地渗透到其内部孔隙；粉煤灰陶粒内部呈现出较多连通性较好的大孔，在加压和常压预湿方式下，预湿水均可较好地渗透到其内部孔隙.

(5)加压组试件界面过渡区在前期相对薄弱，强度表现较低，而常压组试件界面过渡区黏结相对较好，强度表现较高.但加压组试件由于预湿陶粒的持续返水使得界面过渡区在后期水化充分，从而弥补了前期的缺陷，使得其后期界面过渡区与常压组试件界面过渡区的致密程度相当，两者强度表现接近.

参考文献：

[1] 董淑慧，张宝生，葛勇，等.轻骨料对混凝土自养护减缩效率的影响[J].硅酸盐学报，2009，37(3)：465-469.

DONG Shuhui,ZHANG Baosheng,GE Yong,et al.Influence of lightweight aggregate on shrinkage reducing efficiency of concrete[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2009，37(3)：465-469.(in Chinese)

[2] 韩宇栋，张君，王振波.预吸水轻骨料对高强混凝土早期收缩的影响[J].硅酸盐学报，2013，41(8)：1070-1078.

HAN Yudong,ZHANG Jun,WANG Zhenbo.Influence of pre-wetted lightweight aggregate on early-age shrinkage of high strength concrete[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2013，41(8)：1070-1078.(in Chinese)

[3] 王丹，郭志昆，邵飞，等.塑钢混杂纤维轻骨料混凝土的动力学性能[J].硅酸盐学报，2014，42(10)：1253-1259.

WANG Dan,GUO Zhikun,SHAO Fei,et al.Dynamic mechanical properties of plastic steel hybrid fibers reinforced lightweight aggregate concrete[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2014，42(10)：1253-1259.(in Chinese)

[4] 刘汉勇，王立成，宋玉普，等.钢纤维高强轻骨料混凝土力学性能的试验研究[J].建筑结构学报，2007，28(5)：110-117.

LIU Hanyong,WANG Licheng,SONG Yupu,et al.Experimental study on mechanical properties of steel fiber reinforced high-strength lightweight aggregate concrete[J].Journal of Building Structures,2007，28(5)：110-117.(in Chinese)

[5] 牛建刚,郝吉,孙立斌，等.塑钢纤维轻骨料混凝土与钢筋粘结锚固试验研究[J].工程力学,2017,34(2):42-49.

NIU Jiangang,HAO Ji,SUN Libin,et al.Research on bond-anchorage behavior between deformed bars and HPP fiber reinforced lightweight aggregate concrete[J].Engineering Mechanics,2017,34(2):42-49.(in Chinese)

[6] 韩宇栋，张君，王振波.预吸水轻骨料对高强混凝土早期收缩的影响[J].硅酸盐学报，2013，41(8)：1070-1078.

HAN Yudong,ZHANG Jun,WANG Zhenbo.Influence of pre-wetted lightweight aggregate on early-age shrinkage of high strength concrete[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2013，41(8)：1070-1078.(in Chinese)

[7] KOVLER K,SOUSLIKOV A,BENTUR A.Pre-soaked lightweight aggregates as additives for internal curing of high-strength concretes[J].Cement,Concrete and Aggregates,2004,26(2):131-138.

[8] JI Tao,ZHENG Dengdeng,CHEN Xianfeng,et al.Effect of prewetting degree of ceramsite on the early-age autogenous shrinkage of lightweight aggregate concrete[J].Construction and Building Materials,2015,98：102-111.

[9] CUSSON D，HOOGEVEEN T.Internal curing of high-performance concrete with pre-soaked fine lightweight aggregate for prevention of autogenous shrinkage cracking[J].Cement and Concrete Research,2008，38(6)：757-765.

[10] 季韬，陈彩艺，陈永波，等.陶粒预湿程度对轻骨料混凝土拉伸徐变的影响[J].建筑材料学报，2012，15(5)：690-696.

JI Tao,CHEN Caiyi,CHEN Yongbo,et al.Effect of ceramsite prewetting degree on tensile creep characteristics of lightweight aggregate concrete[J].Journal of Building Materials,2012，15(5)：690-696.(in Chinese)

[11] 孔丽娟，高礼雄，葛勇.轻骨料预湿程度对混合骨料混凝土抗冻性能影响[J].硅酸盐学报，2011，39(1)：35-40.

KONG Lijuan,GAO Lixiong,GE Yong.Effect of lightweight aggregate pre-wetting on frost-resistance of combined aggregate concrete[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2011，39(1)：35-40.(in Chinese)

[12] 毛继泽，齐辉，鲇田耕一.轻骨料含水率对混凝土吸水性及抗冻性的影响[J].建筑材料学报，2009,12(4)：473-477.

MAO Jize,QI Hui,AYUTA Koichi.Effects of water content in lightweight aggregate on water-absorbing property and freeze-thaw resistance of concrete[J].Journal of Building Materials,2009,12(4)：473-477.(in Chinese)

[13] LO T Y,CUI H Z,LI Z G.Influence of aggregate pre-wetting and fly ash on mechanical properties of lightweight concrete[J].Waste Management,2004,24(4):333-338.

[14] 郑秀华，张宝生.页岩陶粒预湿处理对轻集料混凝土的强度和抗冻性的影响[J].硅酸盐学报，2005,33(6)：758-762.

ZHENG Xiuhua,ZHANG Baosheng.Influence of pre-wetted shale ceramsite on strength and frost-resistance of lightweight aggregate concrete[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2005,33(6)：758-762.(in Chinese)

[15] 郑秀华，张宝生.预湿程度对页岩陶粒混凝土显微结构及强度的影响[J].材料工程，2005(10)：3-6,30.

ZHENG Xiuhua,ZHANG Baosheng.Effect of pre-wetting degree on microstructure and strength of shale ceramsite concrete[J].Journal of Materials Engineering,2005(10)：3-6,30.(in Chinese)

[16] KABAY N,AKÖZ F.Effect of prewetting methods on some fresh and hardened properties of concrete with pumice aggregate[J].Cement and Concrete Composites,2012,34(4):503-507.

[17] 朱岳明，刘有志，曹为民，等.混凝土湿度和干缩变形及应力特性的细观模型分析[J].水利学报，2006，37(10)：1163-1168.

ZHU Yueming,LIU Youzhi,CAO Weimin,et al.Analysis of concrete moisture dry shrinkage and stress based on mesoscopical model[J].Journal of Hydraulic Engineering,2006，37(10)：1163-1168.(in Chinese)