构件用核壳型轻集料混凝土耐久性研究

尚丽诗，戴绍斌，周铉棠，吴思遥，杨航

（武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430070）

0 前 言

装配式建筑具有施工效率高、成本低、节能环保等优点。但使用普通混凝土制作装配式构件，其自重大，工作性能差，不仅会提高运输成本，也无法满足实际工程需求，因此装配式建筑对混凝土材料的性能要求会更高。轻集料混凝土具有自重轻、强度高、抗震性能强、保温性能优良和经济效益显著等优点[1-4]，满足了装配式建筑材料轻质高强的需求，但轻集料混凝土结构易受环境因素影响，导致其耐久性能不足。而耐久性是衡量混凝土构件寿命的重要指标，因此，解决轻集料混凝土的耐久性问题成为当务之急。杨健辉等[5]利用陶粒和陶砂部分取代碎石和河砂，制备LC30（C30 轻质混凝土）全轻页岩陶粒混凝土，研究不同替代率对混凝土强度和耐久性的影响，结果表明，在砂石替代率10%～20%时，混合轻质混凝土的力学性能和抗氯离子性能明显提高，但碳化深度变化不大。李鹏飞等[6]利用石灰石粉作为矿物掺合料代替轻集料混凝土中的粉煤灰，石灰石粉取代率小于50%时，混凝土的力学性能、抗碳化性能和抗硫酸盐侵蚀性能都有所提高。

在前期核壳型陶粒制备[7-8]的基础上，进一步研究该结构轻集料在LC30 中的应用性能，并与同等强度普通陶粒轻集料混凝土进行对比，重点分析耐久性。从而为构件用轻集料混凝土的设计提供参考。

1 试 验

1.1 原材料及配合比

水泥：华新股份有限公司的P·Ⅱ52.5 硅酸盐水泥（OPC）和唐山北极熊建材有限公司的42.5 级硫铝酸盐水泥（SAC），其化学成分见表1。

掺合料：武汉阳逻电厂粉煤灰公司的粉煤灰（FA），比表面积为450 m2/kg；武汉华轩高新技术有限公司的硅灰（SF），比表面积为25×103m2/kg，其SEM 照片见图1，化学成分见表1。

图1 掺合料的SEM 照片

表1 原材料的主要化学成分 %

粗集料：选用圆球型粉煤灰陶粒，粒径为5～8 mm。核壳型粗集料外壳材料配比在文献[7]基础上进行探究，硫铝酸盐水泥84%，普通硅酸盐水泥5%，粉煤灰5%，硅灰6%，将圆球型粉煤灰陶粒进行包壳处理后制备成核壳型轻集料[8]，制备工艺流程如图2 所示，外壳厚度较薄，仅为1～2 mm，表面吸附纳米级分散剂，核壳型陶粒见图3。粗集料的基本技术性能见表2。

图2 核壳型陶粒的制备工艺流程

图3 核壳型陶粒

表2 粗集料的基本技术性能

细集料：圆球型粉煤灰陶砂和武汉河砂，细度模数为3.7～3.1 mm。

短切纤维：聚乙烯醇（PVA）纤维，平均直径为0.04 mm，长度为8 mm。

减水剂：武汉华轩高新技术有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率≥30%，固含量40%，后文配比中减水剂掺量为总掺量，不进行固体含量折算。

试验共制备2 组混凝土，A 组为普通陶粒轻集料混凝土，B 组为核壳型陶粒轻集料混凝土。试验根据JGJ 51—2002《轻集料混凝土技术规程》采用绝对体积法进行配合比设计（即A、B 组各材料均选取相同体积），2 种轻集料混凝土的设计强度为LC30，PVA 纤维掺量为0.35%，减水剂掺量为0.15%，混凝土配合比见表3。

表3 轻集料混凝土的配合比 kg/m3

1.2 性能测试方法

为了更好对比2 种混凝土的耐久性，试件采用标准养护方法。混凝土抗压强度按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，立方体试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测定混凝土的抗渗性、抗冻性和抗碳化性。抗渗性试验采用顶面直径175 mm，底面直径185 mm，高150 mm 的圆台型试件，维持1 MPa 水压24 h 后将试块从中间沿直径方向劈开，测量渗水高度。抗冻性和抗碳化性测试采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

试件A 的3、7、28 d 抗压强度分别为18.29、23.83、33.98 MPa，试件B 的3、7、28 d 抗压强度分别为23.11、26.09、45.59 MPa，核壳型陶粒轻集料混凝土的抗压强度在各龄期都高于轻集料混凝土。养护龄期为3 d 时，核壳型陶粒轻集料混凝土就表现出较好的早期强度；28 d 时，核壳型陶粒轻集料混凝土的抗压强度增幅较大，相较于7 d 抗压强度提高了74.74%，普通陶粒轻集料混凝土的28 d 抗压强度相较于7 d 提高了42.59%，核壳型陶粒轻集料混凝土的28 d 抗压强度也明显优于普通陶粒轻集料混凝土，提高了34.17%。由此可以看出，使用核壳结构陶粒能在保证混凝土体积密度的同时，明显提高普通陶粒轻集料混凝土的抗压强度。这是因为在粗骨料陶粒表面包覆适当的硫铝酸盐水泥胶凝材料得到的核壳型轻集料增强了轻集料的承载能力，提高了普通陶粒轻集料混凝土的抗压强度。并且通过普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰作为外掺剂，在改善硫铝酸盐水泥凝结时间过快，后期强度倒缩等缺陷的同时，加强了内核材料与外壳材料的粘结程度，明显提高了核壳型陶粒轻集料的整体强度。

2.2 抗渗性能

抗渗试验发现，2 种轻集料混凝土都有水渗透，但都没渗到上表面，其中核壳型陶粒轻集料混凝土的渗水高度与普通陶粒轻集料混凝土相比较低。由观察可初步判定核壳型陶粒轻集料混凝土的抗渗性强于普通陶粒轻集料混凝土。

经抗渗试验测得试件A、B 的渗水高度分别为5.43、2.38 cm，以此比较2 种混凝土的抗渗性。相对渗透系数计算如式（1）所示。

式中：Dm─—平均渗透高度，cm；

H─—以水柱高度表示的水压力，cm；

m─—混凝土的吸水率；

Sk─—相对渗透系数，mm/s；

t─—恒压时间，h。

由式（1）计算得出试件A、B 的相对渗透系数分别为1.81×10-6、0.35×10-6mm/s，即普通陶粒轻集料混凝土的相对抗渗系数约为核壳型陶粒轻集料混凝土的5 倍。在抗渗试验过程中，需将试件从标准养护室中取出并晾干，发现核壳型陶粒轻集料混凝土的晾干时间最长，说明对轻集料进行包壳处理后其保水性更强。相对于干燥条件而言，核壳型陶粒轻集料的超强保水性可长时间保证混凝土内部湿度，既能促进水泥水化和掺合料的活性，还能防止因干燥导致混凝土成型过程中收缩产生裂缝，这是核壳型陶粒轻集料混凝土的抗渗性优于普通陶粒轻集料混凝土的原因之一。对轻集料进行包壳处理后，改善了圆球形粉煤灰表面光滑的特性，且核壳型轻集料表面吸附的分散剂能填充集料与水泥石接触面间的空隙，使得核壳型陶粒轻集料与水泥石间的界面区进一步得到改善，混凝土结构更加致密，抗渗性更强。

2.3 抗冻性能

分别对经过25 次、50 次和100 次冻融循环后的混凝土试块进行称量和抗压强度测试，并与未经过冻融循环试验的对照组进行对比。混凝土试件经过多次冻融循环后，其内部产生裂纹，表面开始剥落，因此会导致试件的质量和强度降低。图4 为2 种混凝土试块经过100 次冻融循环后的表面脱落情况。

图4 2 种混凝土冻融循环100 次后的剥落情况

从图4 可以看出，普通陶粒轻集料混凝土表面脱落呈现颗粒型凹槽状，而核壳型陶粒轻集料混凝土的表面只有细微的剥落现象，普通陶粒轻集料混凝土冻融循环后的剥落程度大于核壳型陶粒轻集料混凝土。

表4 为2 种混凝土N 次冻融循环后的质量损失率和强度损失率。

表4 冻融循环N 次后质量与强度损失率

由表4 可知，2 种陶粒轻集料混凝土经过100 次冻融循环后质量损失率均没有超过5%，且两者的质量损失率相差不大；2 种陶粒轻集料混凝土经过100 次冻融循环后强度损失率均没有超过25%，而两者的冻融循环前期强度损失率相差不大[9]，普通陶粒轻集料混凝土的强度损失率明显高于核壳型陶粒轻集料混凝土。

普通陶粒轻集料中部分孔隙能缓解因水结冰产生的膨胀应力，且普通陶粒轻集料的弹性模量较低，对膨胀应力有一定缓冲作用，因此，普通陶粒轻集料的孔隙结构一定程度上有利于混凝土的抗冻性。相较于普通轻集料而言，核壳型陶粒轻集料表面有一层保护壳，能有效隔离外部水分，使混凝土的抗渗性提高，同时壳层能提高普通陶粒轻集料的强度，能约束普通陶粒轻集料受到的膨胀应力，提升了普通陶粒轻集料的抗冻性，轻集料混凝土的强度损失率高于核壳型陶粒轻集料混凝土。因此，核壳型陶粒轻集料混凝土的抗冻性优于普通陶粒轻集料混凝土。

2.4 抗碳化性

2 种混凝土试件在标准养护条件下养护28 d 后进行碳化试验，用压力机将试块沿中轴线劈成两半，并用毛刷将断面清理干净，然后均匀喷洒浓度为1%的酚酞酒精溶液，观察断裂面颜色变化。按式（2）计算混凝土的平均碳化深度。

经过在碳化箱中养护一段时间后，普通陶粒轻集料混凝土有初步碳化现象，而核壳型陶粒轻集料混凝土碳化现象并不明显。2 种混凝土14 d 和28 d 碳化深度和碳化面积对比如表5 所示。

表5 2 种混凝土14 d 和28 d 的碳化情况

从表5 可以看出，在同一碳化条件下，普通陶粒轻集料混凝土的碳化程度明显大于核壳型陶粒轻集料混凝土。这是因为相较于普通陶粒轻集料而言，核壳型陶粒轻集料采用早强硫铝酸盐水泥为基体材料，掺入粉煤灰和硅灰，不仅提高了普通陶粒轻集料的强度，还能有效改善普通陶粒轻集料与水泥石之间界面过渡区。高铝酸盐水泥混凝土与普通硅酸盐水泥混凝土具有类似的碳化规律，即早强型水泥混凝土的抗碳化能力最强[10]，因此核壳型陶粒轻集料具有很好的抗碳化性，从而增强了混凝土的抗碳化性。核壳型陶粒轻集料表面粗糙，且吸附有活性纳米分散剂，能有效填充集料与水泥石界面间的孔隙，使其与水泥石间结合更加紧密，有效阻止CO2的扩散。

3 结 论

（1）对普通陶粒轻集料进行包壳处理后，能明显提高混凝土的抗压强度。核壳型陶粒轻集料混凝土的28 d 抗压强度相较于普通陶粒轻集料混凝土提高了34.17%。

（2）对普通陶粒轻集料进行包壳处理后，可有效提普通陶粒轻集料混凝土的抗渗性、抗冻性和抗碳化性。普通陶粒轻集料混凝土的相对抗渗系数是核壳型轻集料混凝的5 倍；经过100 次冻融循环后普通陶粒轻集料混凝土和核壳型陶粒轻集料混凝土的质量损失率分别为1.12%和1.07%，抗压强度损失率分别为5.14%和3.85%，均在合理范围内；28 d 碳化试验结果显示，核壳型陶粒轻集料混凝土碳化不明显。