MPC混凝土制备及其力学性能试验研究

2020-08-13白伟亮

北京工业大学学报 2020年8期

谢剑，李明，白伟亮

(1.天津大学建筑工程学院，天津 300072；2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072；3.中国电子工程设计院有限公司，北京 100142；4.中电投工程研究检测评定中心有限公司，北京 100142)

磷酸镁水泥(magnesium phosphate cement，MPC)主要是由磷酸盐、重烧氧化镁、缓凝剂等材料按照一定比例组合而成的一种气硬性胶凝材料.区别于传统硅酸盐水泥，MPC的水合作用主要是磷酸盐与氧化镁之间的酸-碱中和反应，水化产物是一种类似于鸟粪石的水化凝胶体[1-2].MPC由于其早期强度高、体积稳定性好、黏结性强等优点，目前主要应用于工程的快速修复与加固、固化放射性核废料及有害金属离子等方面[3-6].然而MPC凝结时间过快导致材料可操作性差，使其应用范围十分有限.当前延长凝结时间的方法主要是依靠缓凝剂，目前常用的缓凝剂有硼砂、硼酸、六偏磷酸钠、三聚磷酸钠及一系列的复合缓凝剂等，这些缓凝剂的加入虽然有效延长了MPC的凝结时间，但对其早期强度发展有明显的削弱作用.由于MPC凝结时间不可控，利用MPC作为胶凝材料制备混凝土的应用研究还不是很多.刘新状等[7]研究了不同配合比的MPC混凝土，发现随着胶骨比的增加，MPC混凝土的强度先增长后降低.纪方[8]对MPC混凝土在高温下的力学性能展开研究，发现随着温度的升高MPC混凝土的力学性能有劣化趋势.陶琦等[9]对负温下的MPC混凝土的力学性能和抗冻性进行研究，发现其在低温下力学性能损失较小，抗冻性能优异.李九苏等[10]发现MPC混凝土耐水性较差，但耐硫酸盐、氯盐腐蚀性较好.余家欢等[11-12]发现将聚丙烯纤维掺加到MPC混凝土中，可有效提高其抗压抗折强度以及耐磨和抗冻等耐久性能，同时还研究了掺加无机外加剂以提高MPC混凝土的耐水性能，结果表明加入不同的磷酸盐、硅灰以及聚丙烯纤维均能不同程度提高MPC混凝土的耐水性能.白晓彤[13]制备了一种MPC混凝土专门用于立面修复，修复效果明显且耐久性优良.陈兵等[14]利用磷酸镁水泥和聚苯乙烯泡沫制备一种轻质混凝土材料，研究发现其可作为一种性能优良的保温隔热材料.通过对研究现状的总结可以发现，当前MPC混凝土的研究方向比较分散，各学者并未进行深入研究，处于研究起步阶段，MPC混凝土还未形成完整体系.但是MPC混凝土的优异性能，使其未来在建筑领域拥有广泛的应用前景，例如单春明等[15]研究表明将MPC混凝土用于装配式建筑预制构件接缝材料可很好地发挥MPC混凝土自身的优势.

为制备MPC混凝土，凝结时间的调控是关键因素，陈兵等[16-17]在MPC中加入偏高岭土对其进行改性研究，发现加入偏高岭土的MPC胶凝材料凝结时间延长，进一步增强了其早期强度和黏结强度，同时微观结构分析表明偏高岭土中的活性Al2O3与磷酸盐发生水化反应并形成AlPO4和AlH3(PO4)2·H2O等非晶态凝胶，这些物质进一步改善了MPC的力学性能.陈兵等[18-20]基于对MPC的研究，以其为胶凝材料研制出植物茎秆增强混凝土和泡沫MPC混凝土等绿色轻质MPC基材料，其导热系数低，可用于建筑保温材料.基于陈兵等的研究，本文利用活性偏高岭土和高性能空心玻璃微珠对MPC进行改性得到凝结时间可控且性能优良的改性MPC.

基于MPC的优良性能以及当前加固材料面临的加固施工周期长、与旧混凝土结构黏结效果差等问题，本文利用改性MPC制备不同骨料的MPC混凝土，测试棱柱体抗压强度，并采集其应力-应变关系，利用过镇海模型[21]对应力-应变关系进行描述，同时对比其与普通混凝土的力学性能差异，为MPC混凝土的结构加固应用提供指导.

1 试验设计

1.1 原材料

MPC混凝土主要由两部分组成：一部分是改性MPC胶凝材料，另一部分是组成混凝土的粗细骨料.

1)改性MPC

改性MPC主要由重烧氧化镁(MgO)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、活性偏高岭土(MK)、高性能空心玻璃微珠(MG)和缓凝剂按照一定比例组合而成.其中改性成分为MK和MG，试验用改性MPC胶凝材料凝结时间可达30 min以上，净浆流动度达100 mm以上，净浆抗折强度达到5 MPa以上，净浆抗压强度达到45 MPa以上.改性MPC组成成分及各组分比例如表1所示，混合均匀的改性MPC粉体如图1所示，呈白色粉体状.

表1 改性MPC材料各组分比例

2)骨料

本试验利用改性MPC胶凝材料制备3种不同密度等级的MPC混凝土，其中轻质粗细骨料分别选用宜昌光大陶粒厂生产的900级碎石型页岩陶粒和700～800级页岩陶砂，普通粗细骨料分别选用级配细石和河砂，骨料主要性能如表2所示.

表2 混凝土骨料性能

1.2 MPC混凝土制备

本文以改性MPC为胶凝材料制备3种不同表观密度的MPC混凝土，其中普通碎石MPC混凝土骨料采用普通碎石和河砂，砂轻MPC混凝土骨料采用页岩陶粒和河砂，全轻MPC混凝土骨料采用页岩陶粒和页岩陶砂.根据配合比常用参数选取骨胶比和砂率2个试验参数进行试配，MPC混凝土配合比如表3所示.按照每种配合比分别制作2组边长100 mm立方体试块，养护完成后分别测试7 d和28 d立方体抗压强度.

制备时首先将MPC各组分按比例混合均匀，之后加入细骨料再次混合均匀，加水迅速搅拌成浆体，加入粗骨料搅拌成混凝土，倒入试模浇筑成型，2 h后拆模进行自然养护.强度及表观密度测试结果如表3所示，首先7 d立方体抗压强度基本达到40 MPa左右，其次骨胶比及砂率对强度的影响规律不是十分明显.对比不同龄期强度情况，MPC混凝土具有早期强度高、强度发展快的特点.同时根据立方体表观密度计算结果可以得到，全轻MPC混凝土可达1 600级，砂轻MPC混凝土可达1 700级，普通碎石MPC混凝土可达2 000级.另外，MG的加入，降低了MPC的密度，轻质骨料未发生上浮现象，最终骨料在混凝土内均匀分布.

表3 MPC混凝土配合比及力学性能测试结果

1.3 单轴受压试件设计

单轴抗压试验采用棱柱体试件，尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，根据前期MPC混凝土试配结果，每种类别的MPC混凝土选取1组最优配合比制作棱柱体试件，每组制作3个平行试件，同时制作1组C40混凝土棱柱体作为对照组.C40混凝土骨料选用级配细石及河砂，编号C1～C3.共制作棱柱体试件4组用于试验，每组棱柱体试件配合比如表4所示.

表4 棱柱体试件配合比

棱柱体试件养护成型如图2所示，MPC混凝土试件浇筑成型脱模后养护7 d，C40混凝土试件养护28 d，达到规定龄期后分别进行单轴抗压试验.

1.4 单轴受压试验测试

本试验在电液伺服压力机下进行，采用等应变加载的方式.在试件中部100 mm纯压段相对布置2个WTB-100型工具式表面应变传感器，测量轴向压应变，在水平方向横向相对布置2个120-50AA混凝土应变片，测量横向拉应变.在试件与压力机间布置一个压力传感器对荷载值实时采集.试验加载装置如图3所示.

测试时分为预压调试阶段和正式试验阶段，预压调试阶段主要通过预压调节使棱柱体轴心受压；在正式试验阶段时加载速度采用10×10-6～20×10-6ε/s，利用静态应变采集仪对荷载、纯压段的竖向压应变、横向拉应变进行实时采集，之后经数据处理得到每种材料的应力-应变关系，并计算得到材料的弹性模量以及泊松比等力学性能指标.

2 试验结果及分析

2.1 试验过程及现象

C40混凝土棱柱体经预压调整保证轴心受压后进入正式加载阶段，试验在位移控制下进行，开始阶段荷载缓慢均匀增长，随着荷载的增加，当荷载接近峰值荷载时，试件中部开始出现裂缝，随着荷载的继续增加裂缝迅速开展，随后随着“砰”的一声，荷载值不再增长，随即开始下降，试验结束.

3种MPC混凝土试验现象基本一致，预压调节保证试件轴心受压后开始正式加载，试验初期荷载值随着位移的增加均匀增长，呈线性增长趋势.当接近峰值荷载时，棱柱体中部开始出现细微裂缝，紧接着荷载值不再增长，随着“砰”的一声，棱柱体试件呈炸裂状，荷载迅速下降.观察试件破坏后的状态可以发现，3种MPC混凝土破坏后呈现中部锥形破坏的特征，并且部分裂缝延伸至上下两端，破坏后的试件比较松散(如图4(b)～(d)).观察3种MPC混凝土界面破坏特征可以发现：普通碎石MPC混凝土破坏界面为水泥碎石之间界面黏结破坏，界面碎石未发现剪切破坏现象(如图5(a)所示)；砂轻MPC混凝土破坏界面为2类，即水泥与碎石之间界面黏结破坏和界面页岩陶粒剪切破坏(如图5(b)所示)；全轻MPC混凝土破坏界面均为界面页岩陶粒剪切破坏，大部分页岩陶粒被破坏界面切断，个别粒径较大的陶砂也被破坏面切断(如图5(c)所示).

2.2 应力- 应变关系及特征值

通过处理棱柱体单轴受压试验数据，得到4种混凝土的应力-应变关系，由于MPC混凝土脆性明显，破坏突然，能量释放迅速，所以，仅测得应力下降段的一部分.本文采用过镇海[21]本构模型对4种材料的上升段以及下降段趋势进行描述，该模型以量纲一化的应力和应变作为x轴和y轴，对上升和下降2段应力-应变关系分别进行描述，其分段数学表达式如下：

(1)

A=E0/Ep

(2)

式中：A为上升段参数；E0为混凝土初始弹性模量；Ep为峰值点处混凝土割线模量；a为表示下降段的陡峭程度的参数，即与下降段的刚度绝对值正相关；x为量纲一化处理之后的应变；y为量纲一化处理之后的应力.

将4组应力、应变数据进行处理，得到4种混凝土材料本构模型参数值(如表5所示)，可以发现几种混凝土材料上升段参数A值基本一致，但MPC混凝土的下降段参数a值较大，下降段呈现更加陡峭的特性，这与试验现象基本吻合.将4种材料的量纲一化的曲线分别乘以相应的峰值应力和峰值应变后绘制各自的应力-应变关系本构曲线，各曲线与应力、应变数据拟合良好.将4类材料的应力-应变关系理论曲线进行对比(如图6所示)，得出MPC混凝土上升段的曲线斜率明显小于普通混凝土，说明其弹性模量明显小于普通混凝土.观察下降段可以发现，MPC混凝土较普通混凝土斜率更大，应力下降速度更快.

表5 本构模型参数

曲线峰值应力、应变数据如表6所示.对比曲线的峰值应力可以发现，普通碎石及砂轻MPC混凝土较C40混凝土偏小，全轻MPC混凝土与C40混凝土基本一致，其中普通碎石MPC混凝土的峰值应力最小仅为26.73 MPa.对比曲线的峰值应变数据可以发现，C40混凝土峰值应变为2×10-3左右，但是普通碎石MPC混凝土的峰值应变基本上是C40混凝土的1.5倍，即3×10-3左右，砂轻和全轻MPC混凝土达到C40混凝土的1.8倍，即3.6×10-3左右.峰值应变的影响因素较多，在峰值应力基本一致的情况下，本文峰值应变主要与材料的弹性模量有关.

2.3 弹性模量及泊松比

弹性模量和泊松比是材料变形的2个主要性能指标.首先根据应力-应变关系数据计算4种材料的弹性模量，本文采用《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)[22]中关于弹性模量的计算方法，计算公式为

(3)

式中：Ec为混凝土弹性模量，MPa；Fa为应力为1/3轴心抗压强度时的荷载，N；F0为应力为0.5 MPa时的初始荷载，N；A为试件承压面积，mm2；L为测量标距，mm；Δn为从F0加荷至Fa试件两侧平均变形值，mm.

弹性模量计算结果如表6所示，由计算结果可以发现，首先MPC基材料的弹性模量明显小于硅酸盐水泥基材料，其次当使用陶粒陶砂作为混凝土骨料时，弹性模量进一步下降.导致MPC混凝土弹性模量偏小的原因是：第一轻质骨料的多孔结构使得其自身弹性模量显著低于普通碎石材料，另外，MPC材料由于水化反应速度过快，其内部多存在大量气孔结构.与此同时，弹性模量偏小将对构件刚度产生不利影响，因此，MPC混凝土的实际应用效果有待进一步考证.

表6 混凝土弹性模量及峰值应力、应变值

泊松比是反映材料横向变形性能的弹性系数，袁群等[23]曾在研究橡胶混凝土的应力-应变曲线试验中发现，混凝土材料的泊松比随着应力的增加呈上涨的趋势，但在应力较小的阶段，其泊松比基本为一个定值.然后，将横向应变与中部纵向应变的比值作为混凝土的泊松比.由于泊松比随应力呈上涨趋势，故分别计算1/3峰值应力和峰值应力时的泊松比，并进行对比分析(如表7所示).首先4种材料1/3峰值应力时的泊松比基本为0.19～0.22，处于常见混凝土弹性阶段泊松比范围.对比峰值应力时的泊松比可以发现，MPC混凝土的泊松比高于C40混凝土，并且随着轻质骨料的增多，其泊松比进一步增大.脆性材料泊松比变化的影响因素主要是内部裂缝的发展程度，由峰值应力时的泊松比数据可以得出MPC混凝土在达到峰值应力时其内部裂隙发展明显多于普通混凝土材料，同时也导致MPC混凝土材料的最终破坏现象更加剧烈，破坏后试件更加松散.