偏高岭土对高流动性钢纤维混凝土早期力学性能和细观结构的影响

2021-10-19于子豪张彤炜崔科旺

硅酸盐通报 2021年9期

于子豪，张彤炜，崔科旺

(1.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州 730000；2.兰州大学土木工程与力学学院，兰州 730000)

0 引言

由于风荷载、波浪荷载、地震荷载、疏浚荷载和冲击荷载的作用，桩基除了承受竖向力外，还经常受到侧向力的作用。在弯矩作用下，地基的稳定性主要取决于桩基弹性变形阶段的强度，以及桩基材料拉伸开裂后的残余强度。为了避免桩基的破坏以及原材料的消耗，以低碳经济的方式提高桩基设计强度和耐久性非常重要。混凝土行业每年生产约16亿t水泥，每生产1 t水泥约产生0.8 t二氧化碳，以往研究致力于在建筑材料中降低水泥用量。偏高岭土(MK)是一种典型的常用于水泥改性的高活性辅助胶凝材料，通过在500～800 ℃煅烧高岭土制得[1-2]，可以有效改善混凝土和易性、减少水泥用量和提高混凝土性能，在土木工程中得到广泛应用[2-5]。另外，钢纤维(SF)可以有效限制混凝土的开裂[6]。泵送混凝土不仅要满足设计强度和耐久性，还要满足流动性。高流动性混凝土的早期力学性能对控制灌注桩的缩径现象有重要影响。因此，本研究旨在探讨含MK及SF混凝土的早期流动性、强度、弹性模量及微观结构。

以往的研究表明，掺加MK降低了混凝土的孔隙率和自收缩率[5,7]，增加了水化反应产物的量[4,8]，提高了混凝土的耐久性[5,9]，并且MK能有效地促进火山灰反应的正向进行，还可以使水化产物向更稳定的成分转化[10-12]，但是MK的加入使混凝土的流动性大幅度降低[3,10,13]。Poon等[14-15]发现，MK取代率过高，会出现混凝土强度降低的现象。Akcay和Tasdemir[3]发现，掺加MK增加了混凝土的弹性模量。SF不仅提高了混凝土的抗压强度，同时也使混凝土的脆性破坏变为延性破坏，并在混凝土破坏后提供残余强度[16-19]。但SF掺入过量会降低混凝土的坍落度[20]。综上所述，虽然MK或SF对混凝土性能的影响受到广泛关注，但是，在保持混凝土高流动性的前提下，MK和SF对混凝土的早期力学性能和破坏形态的耦合作用及微观机理尚不清楚。

本文对养护7 d的MK-SF混凝土进行了抗压试验、劈裂试验以及裂缝形态观察、扫描电镜和XRD测试。在此基础上，阐明了MK和SF对混凝土的工作性能、力学性能、破坏形态的影响。最后，探讨了掺MK和SF影响混凝土早期性能的微观机理。

1 实验

1.1 原材料

本研究使用复合硅酸盐水泥(PC)，德国巴斯夫公司生产的偏高岭土(MK)，并用X射线荧光光谱(XRF)、扫描电镜(SEM)和氮气吸附法(Brunner-Emmet-Teller, BET)分别测定了其化学成分及质量比、颗粒形貌和比表面积，结果如表1所示。粗骨料主要为粒径大于1 mm的碎石，细骨料主要为石英砂，通过筛分试验和激光粒度仪得到骨料的粒径分布如图1所示。选用宽度2.5 mm、长度35 mm的铣销型钢纤维(SF)。原料的形态特征见表2，MK与SF的粒径信息由激光粒度仪测得。选用聚羧酸溶液作为高效减水剂(HRWRA)。

图1 骨料的累积粒径分布Fig.1 Cumulative particle size distribution of aggregates

表1 水泥和偏高岭土的物理性质和化学组成Table 1 Physical properties and chemical composition of cement and metakaolin

表2 试验中所用原材料Table 2 Raw materials used in the tests

1.2 试样制备

本试验遵循GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》。试验使用边长100 mm的立方体试样，测定其7 d抗压强度和抗拉强度。混凝土各组分及其配合比如表3所示，MK15-SF3表示MK占胶凝材料总质量的15%，SF占胶凝材料总质量的3%，其余试验组编号的含义与之相同。在制备混凝土浆体时，先将PC、MK、SF和骨料在干燥状态下充分混合，再加入HRWRA溶液和水继续充分搅拌均匀，并在拌制后15 min内装模、振捣成型。将其置于标准环境(温度(20±2) ℃，相对湿度≥95%)养护24 h后脱模，将脱模后的试样继续置于标准环境中养护6 d。

表3 MK-SF混凝土的配合比Table 3 Mix proportions of MK-SF concrete

1.3 试验方法

首先，根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，取制备好的浆体，进行坍落度试验。每组试验进行2次，若两组数据相差小于15%，结果取2次试验的平均值，否则重新进行该组试验。

然后，根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，进行7 d养护试样的抗压和抗拉强度试验，其中试样的抗拉强度采用劈裂试验结果间接表示。试样的抗压和抗拉强度采用3个平行试样的平均值，试样强度差要求小于15%。

在抗压强度试验结束后，收集抗压破坏后试样的碎块，碎块直径6 mm。用JSM-5600LV低真空扫描电子显微镜观察混凝土的微观形貌，并选点进行X射线能谱(EDS)分析。

另外，取抗压强度试验后试样的碎片磨成粉末，然后过40 μm筛，取过筛的粉末用X射线粉末衍射仪(XRD)进行扫描。扫描采用Cu靶辐射，电压为45 kV，电流为40 mA，步长为37.575 s，入射角2θ为5°～45°。

2 结果与讨论

2.1 坍落度

以往学者[5,7,21]已经分别对MK或SF对混凝土力学性能的影响做了研究，在此基础上，本试验研究了MK和SF两者共同改性下，混凝土坍落度的变化，结果如图2所示。当SF掺量为0%(质量分数，下同)时，混凝土的坍落度随MK掺量的增加而降低；当MK掺量为0%时，混凝土的坍落度随SF掺量的增加而降低；当MK掺量为15%时，混凝土的坍落度随SF掺量的增加开始变化不明显，在SF掺量3%时明显降低。

图2 不同MK-SF混凝土的坍落度Fig.2 Slump of different MK-SF concretes

以上结果表明，当仅使用MK或SF中的一种进行改性时，混凝土坍落度明显降低。但是，当MK含量较高时，SF与MK并没有表现出对坍落度降低的叠加作用，即SF对坍落度的影响不明显。此外，浆体的最低坍落度约为160 mm，满足泵送混凝土的基本要求。

2.2 抗压和抗拉强度

图3是MK-SF混凝土养护7 d后的抗压和抗拉强度试验结果。图3(a)为抗压试验结果，采用极限压应力代表抗压强度。如图3(a)所示：在SF掺量一定的情况下，抗压强度随MK掺量的增加而提高；在MK掺量一定的情况下，抗压强度随SF掺量的增加先提高，然后基本保持不变。以上结果说明SF掺量在0%～3%中存在最优掺量2%，当SF掺量为2%，MK掺量为15%时，MK-SF混凝土抗压强度最高为25.71 MPa。研究[22-23]表明，MK可以促进水泥水化反应并减少混凝土的内部缺陷，SF可以在混凝土受力产生变形时限制各组分的相对运动。所以当向混凝土中掺加MK与SF时抗压强度有所提高，与抗压强度试验结果相符。但是，当MK掺量为15%时，与SF掺量为0%的试样相比，掺加3%SF的试样抗压强度提升仅为2 MPa左右。结合2.1节坍落度的试验结果，添加MK可以显著降低混凝土的流动性。当混凝土的流动性降低时，在相同的搅拌条件下，钢纤维在混凝土浆体中更难分散均匀。钢纤维主要通过限制混凝土中各组分的相对移动来提高混凝土强度，当试样中的钢纤维分布不均匀时，其对混凝土中各组分的约束作用大大减弱，在这种情况下钢纤维对强度的提升非常有限。

图3(b)为抗拉试验结果，采用极限拉应力代表抗拉强度。从图3(b)中可以看出，当SF掺量一定时，MK-SF混凝土的抗拉强度随着MK掺量的增加而提高，但提高的程度随SF的增加而减小。当SF掺量为3%时，抗拉强度的提高不明显。当MK掺量为15%时，抗拉强度随SF掺量的增加而降低，SF掺量为0%时极限拉应力为2.74 MPa，SF掺量为3%时极限拉应力为2.19 MPa，下降约20%。结果表明，当单独掺加MK或SF时，二者都能提高混凝土的抗拉强度，而MK的提高效果更明显。当二者同时掺加时，提升效果不仅不会叠加，甚至会产生极限拉应力下降的结果。

图3 MK-SF混凝土的7 d抗压和抗拉强度Fig.3 Compressive and tensile strength of MK-SF concretes at 7 d

2.3 应力-应变曲线

图4(a)和图4(b)为MK-SF混凝土养护7 d后试样在受压过程中的应力-应变曲线。从图中可以看出，试样的强度规律与图3(a)分析的结果相同。当SF掺量为0%时，混凝土的压缩模量随MK掺量的增加而提高，但是掺加MK后，混凝土的残余强度变化不明显，说明MK混凝土与普通混凝土都发生脆性破坏。当MK掺量为0%时，混凝土的受压变形模量随SF掺量的增加基本维持不变，而残余强度随SF掺量的增加而提升。

图4 MK-SF混凝土在7 d抗压和抗拉试验中的应力-应变关系Fig.4 Stress-strain relationship during the tension processes of MK-SF concretes at 7 d

图4(c)和图4(d)为MK-SF混凝土养护7 d后试样在受拉过程中的应力-应变曲线。如图所示，试样的强度规律与图3(b)中分析的结果一致。混凝土的弹性模量分别随MK和SF掺量的增加而提高。如图4(c)所示，当SF的掺量为0%时，混凝土在劈裂抗拉试验中多表现为突然断裂的脆性破坏。混凝土受拉破坏后的残余强度随SF掺量的增加而增加，甚至当MK掺量为0%，SF掺量为3%时，在数值上残余强度高于抗拉强度。

结果表明，掺加MK可以明显提高混凝土的受压变形模量和弹性模量，掺加SF对弹性模量和受压变形模量的影响不显著。掺加SF可以使混凝土在裂缝发展阶段具有更高的残余强度，避免脆性破坏。

2.4 弹性模量

MK-SF混凝土的7 d弹性模量如图5所示，MK-SF混凝土的7 d弹性模量由抗拉应力-应变曲线中的初始点到屈服点的斜率定义。结果表明，在SF掺量为0%时，随着MK掺量的增加，弹性模量显著增大，如MK15-SF0的弹性模量比MK0-SF0提高了73%。当MK掺量为0%时，随着SF掺量的增加，弹性模量逐渐增大，如MK0-SF3比MK0-SF0提升了31 %。并且，当SF掺量一定时，掺加MK试样的弹性模量皆大于未掺加MK的弹性模量；但当MK掺量为15%时，掺加SF试样的弹性模量小于未掺加SF的弹性模量。因此，MK对早期弹性模量的提升起主导作用。

图5 MK-SF混凝土的7 d弹性模量Fig.5 Elastic modulus of MK-SF concretes at 7 d

2.5 破坏形态

图6(a)和图6(b)为试样在养护7 d后压缩状态下的破坏形态。从图中可以看出:当SF掺量为0%时，表现为混凝土受压破坏的传统模式；而当SF掺量为3%时，试样的破坏模式则在钢纤维的分布处发生了明显的改变，试样的断裂面与SF分布方向的夹角接近90°。结果表明，SF的掺加改变了混凝土中主要拉力的方向。在MK-SF混凝土中，SF在受压过程中可以控制裂缝的方向，从而改变最终破坏形态。

图6(c)和图6(d)为试样在养护7 d后拉伸状态下的破坏形态。当SF掺量为0%时，试样沿主要受力方向的连续主裂纹突然发生脆性破坏；而当SF掺量为3%时，试样的破坏除了沿主要受力方向之外还会沿与钢纤维分布垂直的方向进行，但试样在破坏后并不会发生突然的断裂，在混凝土失效后，由试样中的钢纤维继续提供约束，防止试样的突然断裂。这与图4(d)中残余强度的分析相符。

图6 试样在压缩和拉伸状态下的破坏形态Fig.6 Destruction form of specimen under compression and tension

2.6 微观形貌

之前的研究表明，SF不会对水泥的水化过程和生成物产生影响。所以本研究主要研究了MK对水泥的水化过程和水化产物以及骨料与浆体界面过渡区(interface transition zone, ITZ)的影响。图7(a)和图7(b)为混凝土在压缩破坏后浆体的SEM照片。如图所示，首先未掺MK的对照组试样与掺加MK的试验组试样相比浆体存在更多的裂缝缺陷，这些缺陷会影响混凝土的强度。其次，对照组的浆体中存在大量的氢氧化钙(CH)。再次，试验组生成了更多的水化硅酸钙(CSH)，而CH大量减少，并且有大量的钙矾石(AFt)生成。

图7 7 d混凝土浆体和ITZ断裂的SEM照片Fig.7 SEM images of paste and ITZ fracture of concrete at 7 d

图7(c)和图7(d)为混凝土在压缩试验中ITZ断裂的SEM照片。如图所示:对照组(MK掺量为0%)的ITZ断面非常光滑，且在断面两侧的区域产物以CH居多，CSH的数量较少；反观试验组(MK掺量为15%)的ITZ断面非常粗糙，并且断面两侧黏结有大量的颗粒状CSH凝胶产物和少部分的针状AFt晶体产物。

结合图3中MK的掺量对强度影响的分析，过多的CH会降低混凝土抗压强度，而掺加MK可以促进水泥水化反应的进行，并使产物中的CH向CSH和AFt转化，而CSH的强度更高且与骨料的黏结性更强，即ITZ的强度更高，所以混凝土的强度提高。掺加MK可以使水泥水化生成AFt，适量的AFt可以在整个水泥水化体系中起到很好地填充作用，从而减小了裂缝缺陷。所以如2.2节中所述，当SF掺量不变时，抗压和抗拉强度随着掺加MK掺量的增大而提高。

2.7 化学组成

图8为原材料MK和PC以及7 d龄期的MK15-SF0和MK0-SF0混凝土的XRD谱。从图中可以看出，在养护7 d后，MK0-SF0水泥水化反应并没有进行完全，此时水泥中的C3A和C3AF已经消耗完，而C3S和C2S仍然存在，掺加MK的试验组消耗的C3S和C2S明显要高于对照组，这也验证了前文所提的掺加MK可以促进水泥水化反应的结论。而且与对照组(MK掺量为0%)相比，试验组(MK掺量为15%)中CH的数量明显减少，AFm和AFt的总量明显增多，结合XRF的结果可知，MK粉末中主要为无定形态的活性硅酸盐、活性铝酸盐和活性硅铝酸盐，说明MK可以消耗水化产物中的CH生成AFm和AFt等更稳定的物质。而且试验组中的CaCO3减少验证了Antoni等[24]的结论：碳酸钙也可与MK中的活性铝酸盐和活性硅铝酸盐反应生成半碳铝酸盐和单碳铝酸盐，从而起到填充作用。因此，如2.2节中所述，掺加MK的试验组抗压和抗拉强度皆有不同程度提升。

图8 PC、MK以及7 d龄期的MK15-SF0和 MK0-SF0混凝土的XRD谱Fig.8 XRD patterns for PC, MK and concrete of MK15-SF0 and MK0-SF0 at 7 d

2.8 机理总结

上述结果的作用机理可以总结为以下几点：

首先，MK细粉的比表面积大，可以吸附更多的水，在水胶比不变的情况下掺加MK，黏度提高，显著降低了混凝土的流动性。SF掺入可提供横向阻力阻止浆料向四周扩散，而无序结构增加了SF与浆料之间的摩擦力。因此，如图2所示，添加MK和SF后，均降低了混凝土的流动性。且MK含量达到15%时，黏度主导了混合料的流动性，所以SF影响不明显。

其次，研究[7,9,25]表明，水泥在水化反应过程中产生大量不稳定的氢氧化钙，MK中含有大量的活性铝酸盐，在参与水化反应时将消耗浆体中不稳定的氢氧化钙，形成更稳定的水化铝酸钙、水化硅铝酸钙和水化硫铝酸钙(钙矾石)。同时，碳酸钙也可与MK中的活性铝酸盐和活性硅铝酸盐反应生成半碳铝酸盐和单碳铝酸盐[4]。这说明掺加MK后可以增加骨料与浆体间ITZ的强度。基于SEM照片，以上产物减少了孔隙和裂缝等缺陷，增强了颗粒间的结合，因此，如图3～5所示，掺加MK后混凝土的强度和弹性模量均有所提高。

最后，钢纤维在试样变形或开裂过程中限制了骨料和胶结物的相对滑移。然而，SF并没有与混凝土中的胶结组分发生反应，而是通过与ITZ的摩擦对浆体提供物理约束[16,18]。图9为掺加SF对混凝土受压和受拉的影响机理示意图。如图9(a)所示，不同组分之间的黏结力是由MK和PC的火山灰反应共同提供，从而控制压缩过程中的弹性变形。当试样出现塑性变形时，产生裂缝，而钢纤维改变了主拉应力的方向，并在此方向提供约束。在图9(b)中，未加SF的混凝土为脆性断裂，而钢纤维约束了表面分离，并贡献了开裂后的残余强度，而且SF改变了主裂纹和主拉力的方向。SF与浆体在ITZ处的黏结作用较弱，因此过多的SF降低了最大拉应力。由于MK主要影响水泥水化过程及产物，而SF改变了裂缝发展过程混凝土中拉力的方向，所以MK与SF的作用阶段并不相同。因此，出现图6所示的断裂模式的差异。