陶粒孔隙对混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性能的影响

杨健辉，方彬，高腾飞，余建雨

（1.河南理工大学 生态建筑与环境构建河南省工程实验室，河南 焦作 454000；2.深圳市明咨物联科技有限公司，河南 郑州 450001；3.河南省建设集团有限公司，河南 郑州 450002）

0 引言

以普通混凝土（normal weight concrete，NWC）为基础，采用页岩陶粒按等体积率取代部分普通粗骨料可制成少陶粒混凝土（hybrid aggregate concrete with less ceramsite，HACC）［1］，陶粒的吸、放水作用不仅可加强内养护功能，提高特征强度（包括抗压强度、轴心抗压强度和劈拉强度等），而且还可降低混凝土自重［2-4］。根据干表观密度划分方法《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ51-2002），其可能属于轻骨料混凝土（lightweight concrete，LWC，强度等级符号记为LC）或次轻混凝土（specified density concrete，SDC，强度等级符号记为SC）。又因陶粒属于轻质多孔介质结构材料，含有大量孔隙且非连通，如其内部孔隙率和空隙率实测值分别为51.3%和41.7%；水泥水化过程中形成有毛细孔隙，凝结硬化过程中形成有骨料与水泥石界面孔隙等，轻骨料混凝土或次轻混凝土中的多重孔隙构成方法可能会导致混凝土耐久性能下降。

相关宏观试验研究表明［5-8］，与普通混凝土相比，因陶粒的内养护功能，少陶粒混凝土不仅能有效改善混凝土早期由于温度应力引起的开裂，而且还可提高混凝土的抗氯离子渗透性能。为了从微-细观方面探讨陶粒孔隙结构对混凝土抗压强度、抗氯离子渗透的作用机理，本文以C40普通混凝土为基准，使用页岩陶粒并按10%，20%，30%体积分数取代普通粗骨料的方法形成3种次轻混凝土；再分别通过电镜扫描（scanning electron microscope，SEM）和气孔结构扫描仪分析陶粒和混凝土的气孔结构特征，探讨抗压强度和损伤以及抗氯离子渗透性能分别与孔隙结构特征和孔隙率的关系，从而为揭示多孔介质结构材料的物理力学性能影响机理及相关试验和工程实践提供参考依据。

1 试验准备

水泥为焦作产坚固牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥，满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）要求；粉煤灰为焦作产Ⅱ级粉煤灰，满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）要求；轻粗骨料为河南凌酷新材料科技有限公司生产的碎石型页岩陶粒（以下简称陶粒），该陶粒最大粒径15 mm，堆积密度610 kg/m3，真密度2187 kg/m3，表观密度1064 kg/m3，孔隙率51.3%，24 h吸水率4.2%，筒压强度3.5 MPa；普通粗、细骨料为焦作产石灰岩碎石和河砂；水为自来水；减水剂为调配的聚羧酸母液高效减水剂，减水率30%，掺量为胶凝材料（水泥和粉煤灰）质量的1.8%；水胶比W/B=0.4。试验以C40级泵送混凝土配合比设计为依据，如表1所示（由正交试验方法确定），其中陶粒体积分数Scc=0%时为基准组。

表1 SC40级少陶粒混凝土配合比与测试结果Tab.1 Mix proportions and test results of HACCs for SC40

气孔结构测试参照ASTMC457规定，试样为从100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试件中沿纵向切割厚10 mm的3块切片，依次用60，120，200目砂纸对表面进行打磨、抛光，然后用黑色宽头记号笔将试件表面涂黑，再用50 nm级细度碳酸钙粉末均匀擦拭表面以填充气孔，最后用绒布擦掉表面多余碳酸钙粉末，干燥后放入实验台进行扫描，分析孔径（da，mm）分布范围和孔径率（Kp，%，某一孔径范围孔隙数量占总孔隙数量的百分比），实验台为北京建研杰硕科技有限公司生产的建科牌CABR-457型气孔结构分析仪。

电镜扫描使用美国FEI公司生产的FEI Quanta 250 FEG-SEM场发射环境扫描电镜，将粒径5～8 mm的陶粒切开，进行扫描。

陶粒孔隙率测试参照天然饰面石材试验方法规定（GB/T 9966.3—2001），采用永康市铂欧五金制品有限公司生产的2500Y型粉碎机，先将陶粒研磨成粉末，然后根据陶粒的真密度ρt和表观密度ρa计算出孔隙率PSC。

抗压强度试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）规定，试样为100 mm×100 mm×100 mm的立方体，龄期分别为3，7，14，28 d；应力-应变曲线测试试件为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体，采用应变片测量应变，并取应力-应变曲线上σ=0.4fc（fc为轴心抗压强度，MPa）时对应的割线模量作为初始弹性模量，该模量用浙江竞远机械设备有限公司生产的WES-1000B液晶显示万能试验机测量。

氯离子渗透试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定（GB/T50082-2009），试件为φ100 mm×50 mm的圆柱体，测量60 V直流电作用下6 h电通量（Qe，C），使用仪器为北京耐久伟业科技有限公司生产的混凝土氯离子电通量测定仪和混凝土真空饱水机。

2 结果与分析

2.1 混凝土气孔结构测试结果与分析

不同取代率时，混凝土试样的气孔结构测试结果分别如表2和图1所示。

表2 少陶粒混凝土的平均气孔直径与孔径率测试结果Tab.2 Average diameter of air pores and K p in HACCs

由表2和图1可知，少陶粒混凝土中的气孔数量主要以直径20～100μm为主，几乎占一半以上；其次是100～200μm，占20%左右。随着陶粒取代率增加，陶粒释放水量随之增多，从而增强了内养护效果，最终使得孔径小于100μm的数量增加，孔径100～500μm的数量相应减少，但大于500μm的孔径数量稍有增大，推测主要是由陶粒自身原因造成的。

图1 少陶粒混凝土的气孔参数与陶粒取代率关系Fig.1 Relations between parameters of air pores and S sc in HACCs

3种取代率条件下，少陶粒混凝土的气孔平均直径均小于基准组的，但差距不大；同时，因内养护效果得到改善，水泥颗粒得到充分水化，从而使水泥砂浆中气孔的平均直径减小，但由此也造成连通气孔数量相对增多。平均气孔直径随陶粒取代率增大稍有增大，主要是由陶粒自身孔隙数量随陶粒增多造成的。这与陶粒SEM扫描结果相符，即随着放大倍数增大，可以看到内部气孔数量较外部少，平均孔径也较小；内部更为致密，气孔率较低且大孔径的气孔较少，并可观察到细密蜂窝状不连通孔。因此，陶粒的这些微观结构可强化混凝土中的吸水和返水作用及表面吸附水泥颗粒的能力，因充分内养护使得水化产物能有效填充陶粒孔隙，从而提高陶粒骨料自身强度、与砂浆界面的黏结强度和混凝土的基体强度［9］。

2.2 混凝土孔隙率

根据所测孔隙（气孔）弦长总和与扫描总弦长，计算混凝土孔隙率PC，

式中：Li为第i个气孔的弦长，mm；TL为导线总长，2400 mm。

SSC分别为10%，20%，30%时，根据陶粒孔隙率PSC计算出1×10-3m3混凝土试块中陶粒的孔隙体积VSC分别占试样体积V的0.024%，0.047%，0.071%。再根据式（1）计算，陶粒体积分数分别为0，10%，20%，30%时，混凝土孔隙率PC分别为0.57%，1.02%，1.94%，2.57%。

混凝土中的孔隙可分为骨料孔隙、界面孔隙和砂浆孔隙等，本试验方法测得的混凝土孔隙率为总孔隙率。由上述计算结果可知，混凝土孔隙率随陶粒体积分数增大逐渐增大，但小孔径范围的数量相对增加。与基准组相比，有效减少了骨料与水泥石之间孔隙的形成［10-11］，从而可有效堵截侵蚀介质进入混凝土的内部通道。

2.3 抗压强度与孔隙率关系

陶粒体积分数不同时，少陶粒混凝土的抗压强度与养护龄期（t，d）和混凝土孔隙率关系，分别如表3和图2所示。

表3 少陶粒混凝土在不同龄期时的抗压强度Tab.3 Compressive strengths of HACCs at different curing ages

由图2可知，少陶粒混凝土与基准组的抗压强度随龄期增长的变化规律相同，并与孔隙率呈现先增大后降低的二次函数变化关系。其中，SSC为10%时，各龄期的抗压强度均最大，分别较基准组提高了5.15%，4.91%，5.97%和7.89%；SSC分别为20%和30%时，较基准组分别下降了5.15%，2.81%，3.46%，4.41%和9.56%，11.23%，11.01%，12.30%。

图2 少陶粒混凝土抗压强度与龄期和孔隙率的关系Fig.2 Relations between f cu and age，porosity of HACC respectively

骨料强度、水泥石强度和界面区黏结强度是混凝土强度的主要影响因素，尽管陶粒筒压强度较低，但其吸水返水性能强化了内养护功能，并因此改善了孔隙结构特征和骨料界面特征，使得水泥石结构与陶粒嵌合度得到提高［12-13］。当陶粒体积分数太大时，陶粒自身成为薄弱区，即损伤面积增大，从而导致混凝土强度降低。

2.4 电通量与孔隙率关系

陶粒体积分数不同时，少陶粒混凝土在28 d时的6 h电通量（Qe，C）测试结果分别如表4和图3所示。

由表4和图3可知，SSC=10%时，抗压强度最大，但6 h电通量则随着SSC增大持续下降，其降低幅度分别为25.1%，31.9%，39.2%。

图3 少陶粒混凝土的6 h电通量和抗压强度关系Fig.3 Relations between Q e and f cu of HACCs

表4 少陶粒混凝土的6 h电通量Tab.4 Electric flux at 6 h of HACCs

由于孔径及其连通性是影响抗氯离子渗透的重要影响因素，且由表2可知，随着SSC增大，虽然平均孔径稍微增大，但小于100μm的孔径率也随之增大，达到68.97%，因而可有效堵截侵蚀介质进入混凝土内部通道［14］。

3 细-宏观损伤模型

少陶粒不仅改变了混凝土的比强度、孔隙结构和孔隙率，而且由于陶粒的筒压强度较低，在体积分数率较大时，其内养护效果并不能弥补自身缺陷，从而造成强度下降。为了探讨陶粒对混凝土孔隙结构力学性能影响，设混凝土试件的原始横截面积为A0，在一定荷载f作用下产生损伤后的瞬时横截面面积为A，此时截面上孔隙总面积为AP，真实面积为A，f，则有

将式（2）两边同时除以A，则有

亦即

式中：φ=A，f/A，为Качанов定义的连续因子；D=AP/A，为Работнов定义的损伤因子。

采用陶粒取代一部分碎石后，横截面上的孔隙面积包括陶粒自身孔隙面积和水泥石孔隙面积，即

式中：δ为陶粒内养护作用对水泥石孔隙面积的影响程度；AC为横截面上水泥石的孔隙面积；ASC为横截面上陶粒的孔隙面积。

按照Lemaiter应变等价原理，受损材料本构关系可以通过无损材料名义应力得到，即

式中，E0为初始弹性模量。

少陶粒混凝土的细观损伤模型即为

鉴于式（5）表征的细观参数需要通过实时受载工业CT等微-细观测试手段分析得到，目前尚未进行，但可通过宏观弹性模量作为损伤变量（式（10）～（11）），并结合式（6）和应力-应变曲线（图4（a））及其特征参数（表5）采用过镇海模型进行估算。对应力-应变曲线进行归一化处理，结果见式（8）～（9），图4。

图4 少陶粒混凝土的应力-应变曲线和损伤演化曲线Fig.4 Curves of stress-strain and damage evolution of HACCs

表5 少陶粒混凝土应力-应变曲线的特征参数Tab.5 Characteristic parameters of stress-strain curves for HACCs

上升段

下降段

式中：x=ε/ε0，y=σ/σ0；ε0为峰值应变；σ0为峰值应力；α为拟合参数，等于初始弹性模量和峰值割线模量之比，即α=E0/Ep。

上升段和下降段的拟合参数及相关系数如表6所示。

表6 应力-应变曲线拟合参数和相关系数Tab.6 Fitting values ofαin stress-strain curves

一般地，当σ≤0.4fc时，试件处于弹性状态，σ≈（0.8～0.9）fc时，混凝土内部裂纹已有较大程度扩展，但试件表面尚无肉眼可见裂缝［15］。此后，混凝土内部微裂缝扩展速度加快，超过峰值应力后，试件表面开始出现裂缝并逐渐增多，承载力快速下降。因此，可将σ=0.4fc作为损伤发展的临界点。若定义式（10）为残余弹性模量Dr，则式（11）为弹性模量表示的损伤变量D。

式中，Es为以坐标原点为起点的割线模量，GPa。

由图4可知，SSC不同时混凝土损伤演化曲线的发展趋势基本相同，变化规律与初始弹性模量大小变化规律一致。这是因为不同损伤程度时的割线模量虽然同样随初始弹性模量增大而相对增大，抵抗变形能力也相对增强，但变形条件相同时，残余模量减小，从而导致损伤变量相对增大。

4 结果与讨论

（1）陶粒在宏观上表现为可见孔隙结构，但随着电镜扫描倍数提高，可发现其内部孔径变小，且非连通数量增多，表现为致密状态；其对混凝土性能的影响，宏观上表现为吸、放水的内养护功能，使强度得到提高，细观上表现为气孔直径小于100μm的数量相对增加，大于100μm的数量相对减少。

（2）随着陶粒体积分数增大，混凝土平均气孔直径虽有增大（均小于基准组的，195.76μm），但增幅极小，仅为几微米；混凝土孔隙率也随之增大，但最大孔隙率也仅为2.57%（基准组的为0.57%）；抗压强度与孔隙率呈现先升高后降低的二次函数变化趋势，SSC=10%时达到最大值。

（3）随着SSC增大，6 h电通量持续减小，且相较于基准组降低幅度分别为25.1%，31.9%，39.2%，表明小于100μm的孔隙结构及非连通孔隙是提高抗氯离子渗透性能的主要影响因素。

（4）根据少陶粒混凝土孔隙结构特征，给出了细观损伤模型，但限于目前条件，相关细观参数尚无法给出；采用残余弹性模量作为损伤变量，其损伤演化曲线与弹性模量大小变化规律相同。

试验结果表明，采用少量陶粒并按等体积率取代部分碎石，不仅在一定程度上降低了混凝土自重、提高了比强度，也提高混凝土物理力学性能，同时，为使用全轻混凝土成本较高、泵送和施工困难的问题提供了解决途径。陶粒自身的高孔（空）隙率、孔隙内部的致密性及内部孔隙的非连通性，使混凝土在凝结硬化后能够充分发挥自养护作用，并因此减小混凝土内部孔隙的平均直径，改善孔隙结构分布特征，从而提高混凝土的耐久性能。