偏高岭土对陶粒混凝土抗冻性能和细观结构的影响*

2022-01-14于周平杨伟军

功能材料 2021年12期

于周平，杨伟军

(1.长沙理工大学土木工程学院，长沙 410076；2.绍兴文理学院元培学院，浙江绍兴 312000)

0 引言

随着现有结构的老化，混凝土的耐久性受到了极大关注。混凝土的抗冻性能对寒冷地区的结构尤为重要。露天混凝土在温度循环中因冻结和解冻而变质。随着温度降低，保持在毛细孔中的水结冰后体积膨胀。因此，混凝土在反复冷冻和解冻循环过程中迅速劣化。与普通混凝土相比，陶粒混凝土具有经济和技术优势，例如减轻结构自重，节省建造成本而被应用于大跨度结构、海上平台等结构中[1-2]。此外，由于陶粒多孔的特性而具备良好的保温隔热、隔音的性能，在建筑的节能减排方面具有积极的作用[3]。众所周知，陶粒混凝土的微观结构、孔隙率和渗透性与普通混凝土不同，其抗冻性能差异较大。因此，陶粒混凝土的抗冻性能是一个非常重要的课题。

孔隙率较高且强度较低的陶粒是影响陶粒混凝土强度和耐久性的重要因素，国内外学者对陶粒混凝土的抗冻性展开了大量的研究。孔丽娟等[4]研究了不同掺量的页岩陶粒替代碎石制备的混凝土，发现陶粒的掺入能够提高中水胶比的混凝土抗冻性能。刘军等[5]研究了不同预湿程度的陶粒制备的混凝土抗冻性。牛建刚[6]提出加压预湿的方式处理陶粒能够提高陶粒混凝土抗冻性。肖圣哲等[7]研究陶粒混凝土在不同温度条件下冻融循环后的动态抗压性能。史永建等[8]研究了水胶比对粉煤灰陶粒混凝土抗冻性的影响。李博[9]对粉煤灰陶粒混凝土在硫酸钠和氯化钠溶液中的抗冻性展开了试验研究。Youm等[10]研究发现硅灰对轻骨料混凝土抗冻性较好的改善作用。黄静等[11]对研究了塑钢纤维和聚丙烯纤维对陶粒混凝土的抗冻性影响，发现掺入纤维能改善其抗冻性。

综上所述，陶粒混凝土的抗冻性能方面的研究主要集中在陶粒的掺量、预湿方式、粉煤灰、硅灰等方面。在陶粒的粒径大小，级配及其他的矿物掺合料方面研究较少。近年来，偏高岭土(简称MK)由于资源丰富、价格低廉、高活性而受到了人们的青睐[12-13]。但是目前MK 的研究主要集中在普通混凝土的力学性能方面，抗冻性能的研究不多，但文献研究结果表明MK可以改善混凝土的抗冻性[14-16]。本文通过冻融循环试验研究陶粒陶粒粒径级配及MK的掺量等因素对陶粒混凝土抗冻性能的影响，为今后陶粒混凝土的研究及应用推广提供参考。

1 实验

1.1 原材料

(1)粗集料：粒径为0～19 mm连续级配的圆球型页岩陶粒。陶粒的基本性能如表1。天然碎石，堆积密度1 561 kg/m3，表观密度2 574 kg/m3。

表1 页岩陶粒基本性能

(2)细集料：天然河砂，堆积密度为1 645 kg/m3，细度模数2.6。

(3)水泥：P.O 42.5的普通硅酸盐水泥，密度为3 041 kg/m3。

(4)偏高岭土：平均粒径1.64～16.23 μm，比表面积16.2 m2/g，成分详见表2。用激光粒度分析仪进行激光粒度分析，确定MK和水泥的级配曲线，如图1所示。在平均粒径方面，MK颗粒小于水泥颗粒。由图2可知，MK颗粒被扫描电镜放大5 000倍的形貌是不规则的，有利于混凝土强度的提高。

图1 水泥和MK的级配曲线

图2 MK的SEM图像

表2 水泥、偏高岭土的化学成分(%)

(5)水：自来水。

1.2 配合比

混凝土的配合比见表3所示。

表3 混凝土的配合比

2 实验及其结果分析

2.1 抗压强度试验结果分析

由图3可知，陶粒混凝土的抗压强度随着MK掺量的增加而呈现先增后降的变化趋势，且MK对陶粒混凝土早期抗压强度的影响比较大。其中当MK的掺量0%～15%时对陶粒混凝土抗压强度有一定的增强作用，当掺量超过15%时会降低其抗压强度。掺量为10%时，陶粒混凝土抗压强度表现出较好的增强效果，其3、7、28天的抗压强度分别增加了18.6%，16.9%，15.0%。这主要是MK由于粒径小而在水化反应早期主要表现为填充效应及火山灰活性[17]。由图4可知，单粒径陶粒混凝土的抗压强度随着粒径的增大而降低。而连续级配的陶粒其混凝土抗压强度比中粒径和大粒径的陶粒混凝土强度高。这主要是单粒径陶粒粒径越大，孔隙越大；且陶粒粒径越大，陶粒本身的孔隙率越大，而强度越低，进而影响了陶粒混凝土的抗压强度。

图3 MK对陶粒混凝土的抗压强度的影响

图4 粒径对陶粒混凝土的抗压强度影响

2.2 冻融试验及其分析

依据GB/T50082—2009《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》制备边长100 mm×100 mm×100 mm的陶粒混凝土立方体试块采用“慢冻法”进行抗冻性能试验。对陶粒混凝土试块进行25次、50次和100次冻融循环后分析其质量和强度的变化。在每次冻融循环结束后，对试件的外观和质量进行检查。若发现试件如下情况则停止试验：(1)有通缝或深层裂缝；(2)试件的平均失重率超过5%。陶粒混凝土试件在50次冻融循环试验过程中表面结构基本完整无损坏，经过100次冻融循环后表面有较为明显损坏或细裂缝的现象。

由图5可知：(1)随着冻融次数增加，陶粒混凝土的质量和强度损失增大。(2)100次冻融后陶粒混凝土试块质量、强度损失的最大值分别为3.42%和21.80%。满足规范规定混凝土质量损失5%和强度损失分别25%的要求，说明陶粒混凝土的抗冻性能符合规范要求。(3)在25次、50次和100次冻融循环后，C5的质量和强度损失值均比LC1大，分别大27.4%，29.7%，24.4%；30.6%，16%，17%。因此说明陶粒混凝土的抗冻性能优于普通混凝土。主要是因为陶粒是一种渗透性很强的多孔性骨料，具有吸水和返水的特性[18]。在混凝土的制备过程中可以“密闭空气”，冻融循环的过程中能吸收一部分水。当水分的吸收达到一定量时又能够有效地阻止水分进一步吸收。陶粒孔隙中的剩余体积能为冷冻和解冻形成的水压提供了一个补偿空间从而缓冲陶粒混凝土冻融破坏[19]。

图5 陶粒混凝土与陶粒混凝土的抗冻性能对比图

2.3 陶粒的粒径对抗冻性能的影响

由图6可知，当相同的冻融循环次数时，陶粒混凝土质量和强度的损失随陶粒粒径的增大而增大。对于相同级配陶粒配制的混凝土而言，随着冻融循环的次数越多，质量和强度的损失越大，且质量损失比强度损失大。LC2、LC3、LC4在25次、50次和100次冻融循环后，粗集料粒径16～19 mm的陶粒混凝土比5～10 mm的陶粒混凝土的质量和强度损失值分别增大了25.5%，18.3%，22.0%；19.6%，13.2%，20.5%，说明陶粒粒径对陶粒混凝土的抗冻性影响较大。这主要是因为一方面是陶粒的粒径越小，陶粒内部的孔结构越少，缺陷越少，陶粒的筒压强度越大，吸水率低。由于陶粒的强度较低，陶粒混凝土的破坏始于陶粒。因此强度高、缺陷少、吸水率低的陶粒在一定程度上对陶粒混凝土的抗冻性能是有利的[20]。另一方面是试验中选择5～10、10～16、16～19 mm的单粒径级配的陶粒，粒径越大相应的陶粒混凝土的孔隙率越大，陶粒混凝土力学性能、抗冻性也相对差一些。

图6 陶粒粒径对陶粒混凝土的抗冻性能影响

2.4 偏高岭土对陶粒混凝土抗冻性能的影响

由图7可知，掺有MK的陶粒混凝土的质量损失和强度损失大致上呈先降后升的趋势；并且在MK掺量为10%左右达到最低点；随着冻融循环次数的增加，该趋势更为明确。掺有MK的陶粒混凝土的质量损失和强度损失基本上低于未掺MK的陶粒混凝土，其中MK掺量为10%、15%比0%的陶粒混凝土经过100次冻融循环后的质量损失和强度损失分别降低了37.3%和20.1%；28.7%，7.7%。而MK掺量为20%比0%的陶粒混凝土经过100次冻融循环后的质量损失和强度损失分别增加了8.7%和6.2%。由此说明MK在一定程度上可以改善陶粒混凝土的抗冻性能，掺量在10%左右的效果较好，掺量超过20%对改善陶粒混凝土的抗冻性能不利。由于偏高岭土是细小颗粒的粉末，一方面可以填充陶粒混凝土中的孔隙，提高陶粒混凝土的密实度；另一方面由于其火山灰活性可以与水泥水化后的产物氢氧化钙二次水化反应生产水化硅酸钙和钙矾石进一步填充孔隙，改善混凝土的微观结构[21]。但是掺量太多，由于偏高岭土的比表面积大，吸水成团，二次水化反应不充分而导致陶粒混凝土的密实度降低，毛细孔增多，降低了陶粒混凝土的抗冻性能[13]。

图7 MK掺量对陶粒混凝土的抗冻性能影响

2.5 XRD分析

X射线衍射测试有助于确定XRD图谱中衍射峰的相对强度。采用XRD技术对陶粒混凝土中水泥净浆粉末状试样进行成分分析，研究基体的微观结构。对不同MK含量的陶粒混凝土在0次和100次冻融后的试样进行XRD分析，以鉴定水化反应产物。从图8可以看出，3组不同掺量MK的水泥净浆的XRD谱的物相基本相同，冻融前后的XRD谱也大致相似，主要是SiO2、Ca(OH)2、Ettringite、C3S、C2S及CaCO36种物相的衍射峰[22]。Ca(OH)2、C3S和C2S的衍射峰强度随着MK掺量的增加呈现先降后增的趋势，相位角发生了小范围的变化。这主要是MK与水泥水化反应产生的Ca(OH)2发生了火山灰反应生成额外的C-S-H、C-A-H凝胶。当MK的掺量继续增加时，水泥用量减少，生成的Ca(OH)2量少，且其晶体由于空间有限而不能长得足够大从而导致火山灰反应效果不太理想。

图8 不同MK掺量的水泥净浆的XRD谱

2.6 微观形貌分析

一般来说，混凝土的微观结构很大程度上影响了其力学性能[23]。本次试验中，通过对含有MK的陶粒混凝土试样放大5 000倍、1 000倍和100倍获得SEM图像，分析陶粒混凝土的100次冻融循环后的微观结构。

由图9可知，陶粒混凝土试样的微观结构主要包括未水化的胶凝材料颗粒、水化产物、骨料、空隙以及微裂纹等[24]。由图9(a)可知，经过了100次冻融循环后的普通混凝土内部大量的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶、氢氧化钙(CH)晶体及少量针状的钙矾石(AFt)晶体，还观察宽度较大的裂缝，相互连通将内部微结构分成两部分。在图9(b)中发现相互连接C-S-H凝胶、少量的AFt晶体和较多的板片状的CH晶体及不贯通的微裂缝。由此SEM图呈现的结果与宏观试验的结论相符，即陶粒混凝土的抗冻性优于普通混凝土。图10(a)中具有丰富的相互重叠、相互连接C-S-H凝胶、C-A-H凝胶、少量的AFt晶体和未水化的颗粒、大尺寸的毛细孔隙，未观测到CH晶体。这说明含10%MK的陶粒混凝土试样的内部微结构是非常致密的。其主要是一方面随着MK含量的增加，火山灰反应加剧，它消耗了更多的CH晶体，产生更多的附加C-S-H凝胶和C-A-H凝胶填补孔隙。另一方面是未反应MK颗粒的微填充效应，有效地填充和细化大的毛细孔和孔隙。由于毛细孔在100次冻融循环过程中吸水而体积膨胀，导致其尺寸不断增大。从图10(b)中可以看到一些大的毛细孔、气孔、微裂纹及较多的MK颗粒。这主要是MK替代水泥的量较大，水泥水化产生的CH较少，不足以满足大量的MK二次反应的需求量，混凝土内部结构稀疏，不够致密。因此说明MK在一定程度上能够改善陶粒混凝土的抗冻性，其中在10%是MK改善陶粒混凝土抗冻性的最佳掺量。

图9 普通混凝土与陶粒混凝土冻融100次的SEM图

图10 不同MK掺量的混凝土冻融100次的SEM图

众所周知，界面过渡区是混凝土结构的薄弱环节。由图11(a)可知，部分界面过渡区较为疏松，且空隙较大，存在微裂缝。界面过渡区放大1000倍的图11(c)可以看出部分区域界面两侧的水泥基体与骨料脱开，不够致密。从图11(b)可以看出，MK掺量为10%时陶粒与水泥基体的界面过渡区贴合紧密，界线清晰，无裂缝。由图11(d)可知过渡区有非常致密C-S-H胶凝，且在陶粒的孔隙内有针絮状的AFt。这主要是MK中的二氧化硅、氧化铝与水泥水化产物CH生成C-S-H，减小了晶体的尺寸，改善孔径增强陶粒混凝土的密实度。此外，陶粒是多孔渗透性强的材料，水化产物渗透到骨料内提高了水泥浆和陶粒之间的粘结强度[25]。