利用膨胀珍珠岩制备超高性能轻及次轻骨料混凝土

2022-05-07耿旗辉侯东帅王鑫鹏

青岛理工大学学报 2022年2期

耿旗辉，侯东帅,2,*，王鑫鹏，武迪

(1.青岛理工大学土木工程学院，青岛 266525；2.山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛 266525)

混凝土密度的降低能减轻混凝土结构的自重，减少生产、运输和维护成本，提升混凝土结构的保温、隔热、耐火以及抗震性能。因此，轻骨料混凝土(Lightweight Aggregate Concrete，LWAC，干表观密度小于1950 kg/m3)和次轻骨料混凝土(Semi-Lightweight Aggregate Concrete，SLWAC，干表观密度小于2300 kg/m3)的研究和应用受到了广泛关注。然而，传统LWAC的性能(主要是抗压强度)难以满足超大跨度桥梁、超高层建筑、严苛环境工程对建材的高要求[1]。

大部分研究表明轻骨料的低强度[2]是限制高强LWAC和SLWAC开发的主要原因。通过优选高强轻骨料或构建“核-壳结构”能提高轻骨料的力学性能，进而提升LWAC和SLWAC的强度。然而，轻骨料的优选或预处理(“核-壳结构”设计)增加了施工成本，且优选或预处理后的轻骨料的力学性能仍远低于普通砂石骨料，限制了LWAC力学性能的进一步提升。BABU[3]和ROY[4]等的研究表明LWAC的性能不仅受轻骨料的力学性能影响，也与轻骨料粒径关系紧密，即轻骨料粒径越小，其对水泥基材料机械性能的负面影响越小。NGUYEN等[5]也得到了类似的结论，他认为轻骨料的粒径尺寸与孔径大小对水泥基材料的性能影响类似，其试验结果也表明将轻骨料的粒径由7～9 mm降低到4～6 mm，LWAC强度提升20%。MALACHANNE等[6]研究了骨料分散性的影响，其研究结果表明轻骨料分散性越高，轻骨料周围的应力越小，试块强度越高；然而，粒径更小的轻骨料并不适合制备传统的LWAC[7]。

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)是基于颗粒紧密堆积理论设计的具有超高强度、良好韧性(掺加钢纤维后)和优异耐久性的先进水泥基材料。传统UHPC通过剔除粗骨料，使用最大粒径为1 mm的骨料，为小粒径轻骨料的引入提供了条件。同时，UHPC水胶比较低(一般小于0.20)，新拌UHPC黏度高，降低了轻骨料的上浮风险[8-9]，利于轻骨料的均匀分散。因此，将轻骨料引入UHPC体系有望实现提高LWAC的力学性能。

综上所述，本研究以UHPC为基体，选用强度极低的膨胀珍珠岩(Expanded Perlite,EP)作为轻骨料来探究轻骨料粒径降低、分散性提高制备更好性能LWAC的可行性，利用CT-图像分析处理系统评价骨料的分散性，通过干表观密度和抗压强度、电通量、RCM以及抗冲击性能等测试评价UHPLWAC和UHPSLWAC的宏观性能，通过近场动力学模拟分析低强度轻骨料制备超高性能轻(次轻)骨料混凝土的机理。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

采用山东水泥集团有限公司生产的P.O 52.5型硅酸盐水泥，其性能指标符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)要求，比表面积为360 m2/kg；采用成都东南星生产的硅灰，比表面积为1800 m2/kg；实验所用骨料为粒径范围为0.075～0.6 mm的石英砂；为降低混凝土自重，使用最大粒径为0.6 mm的膨胀珍珠岩作为轻骨料替代石英砂制备轻(次轻)骨料混凝土，原材料的化学组分和粒径分布分别见表1和图1。膨胀珍珠岩、石英砂和陶粒等骨料的物理性能对比如表2所示。膨胀珍珠岩的物理性能远低于石英砂和常用轻骨料(陶粒)，使用聚羧酸系高效减水剂调整浆体工作性能，使各组试件新拌浆体的流动度维持在(160±10) mm；拌和水为青岛市自来水，符合国家标准；UHPC超高的强度带来了更高的脆性，为保证其韧性，研究掺加长13 mm、直径0.2 mm、抗拉强度2600 MPa的长直镀铜钢纤维。

表1 各原材料的化学组成 %

图1 原材料和骨料的粒径分布、优化曲线和目标曲线

表2 膨胀珍珠岩、石英砂和陶粒的物理性能对比

1.2 配合比设计

基于颗粒紧密堆积理论，利用Modified Andreasen and Andersen(MAA)模型设计UHPLWAC。首先利用式(1)计算目标曲线，其次根据王发洲[10]和YU等[12]的研究来确定各组分的约束条件(硅灰15%～25%；水泥30%～50%；膨胀珍珠岩>75%)，最后将该问题转化为带约束条件的二次规划问题，通过拉格朗日乘数法，构造拉格朗日函数，利用有效集法进行求解，得到满足约束条件的最优解。将解集转换为配合比，见表3。

表3 配合比、干表观密度和分布系数

(1)

式中：D为颗粒粒径，mm；P(D)为粒径小于D的颗粒累积分数，%；Dmax为UHPC原材料的最大粒径，mm；Dmin为UHPC原材料的最小粒径，mm；q为分配系数，本文取q=0.23[13]。

1.3 成型与养护

制备试件时，首先将胶凝材料和细骨料干拌均匀，再加入75%的水和减水剂，慢搅至形成浆体后，加入剩余的水和减水剂快搅1 min，最后均匀加入钢纤维并继续慢搅2 min。将制备好的浆体装入模具中成型。拆模后将试件在标准养护条件下养护至规定龄期进行测试。

1.4 试验方法

轻骨料混凝土的干表观密度测试依据《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJ/T 12—2019)进行；抗压强度试验按照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671—1999)进行；电通量和RCM试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行。参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13∶2009)制备直径为150 mm，厚度为(63±3) mm的圆饼形试件进行抗冲击试验，实验高度设计为5000 mm，选择5 kg的钢质冲击锤。分散性采用ZEISS Xradia 510 versa 3D X射线显微镜进行试件的图像采集并结合图像分析处理系统进行三维结构重构和分析(图2)，借鉴HUANG等的研究[14]，根据式(2)分别计算轻骨料或钢纤维的分布系数，利用分布系数评价两者的分散性。

图2 X-CT图像处理步骤

(2)

1.5 近场动力学模型构建

近场动力学(Peridynamics，PD)是由SILLING[15]提出的一种非局部理论，是研究均匀与非均匀材料和结构的大变形、损伤、断裂、冲击、穿透和失稳等不连续问题的有效手段[16]。使用近场动力学模拟来研究轻骨料粒径与混凝土破坏形式和抗压强度的关联机制(假设骨料均匀分布)。

在PD理论中，空间域R内任一物质点x与其近场范围δ内的任意其他物质点x′在某时刻t存在相互作用力f，如式(3)所示：

(3)

如图3所示，模型A是一个完全均质的UHPC结构，包括64 000个立方体水泥颗粒，每个水泥颗粒边长为1 mm；模型B将模型A中心区域内的水泥颗粒用一个直径5 mm的球形EP颗粒替代；而模型C是将模型A中的1000个水泥颗粒用边长1 nm的立方体EP颗粒代替，并且这些EP颗粒能够均匀地分布在模型中，3个模型的尺寸均为40 mm×40 mm×40 mm。其中，水泥颗粒和EP颗粒的杨氏模量分别设计为50和0.4 GPa，密度分别为3150和1140 kg/m3。此外，临界伸长率距s00=0.0005，分布系数α=0.25，近场范围δ取晶格常数的3倍，即1.5 mm[17]。

图3 近场动力学模拟过程

2 结果与讨论

2.1 均质性

轻骨料的分布对LWAC的力学性能具有重要影响，为此，本研究通过CT-图像分析处理系统，结合式(2)计算基体中骨料的分布系数。计算结果如表3所示，EP100试件的分布系数为0.9450。结果表明，EP能够在UHPC基体中均匀分布。

传统UHPC的脆性很大，在实际工程应用时往往会掺加钢纤维来提升其韧性，也被称为超高性能纤维增强混凝土(Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete，UHPFRC)。为此，本研究也对掺加EP的UHPFRC基体中钢纤维的分布情况进行了表征。EP100+试件的CT图像如图4所示，由图可知，掺加EP的UHPFRC试件中上部的2个区域钢纤维较下部2个区域的钢纤维数量明显减少。结合式(2)计算的EP100+基体中钢纤维的分布系数为0.8516，较基准组Ref.+降低了10.1%，与CT图像的结果吻合。由此可知EP的掺加会导致UHPFRC基体内的钢纤维出现沉降现象，导致其分布系数下降。

图4 EP100+中钢纤维沉降

2.2 干表观密度

各组试件的干表观密度测试结果如表3所示。EP的加入能够有效降低试件的干表观密度。其中，EP100试件的干表观密度为1800 kg/m3，较Ref.试件减轻了19.6%，按《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJ/T 12—2019)的规定属于轻骨料混凝土(干表观密度<1950 kg/m3)。对于掺加钢纤维的EP100+试件，其干表观密度为1989 kg/m3，较Ref.+试件减轻了17.9%，依据丁庆军[1]的研究，EP100+试件属于次轻骨料混凝土(干表观密度<2300 kg/m3)。

2.3 抗压强度

不同养护龄期的各试件抗压强度如图5所示。对于UHPC试件，掺加EP会显著降低早期(1 d)的抗压强度，其中，EP100试件的1 d抗压强度为25.0 MPa，基准组Ref.的1 d抗压强度为61.7 MPa。原因是早期水泥石强度较低，更易在荷载作用下同低强度的膨胀珍珠岩发生联合破坏。随着养护龄期的延长，各配比试件的强度均得到提升，其中，EP100试件的3，7和28 d抗压强度分别为57.3，78.6和121.9 MPa，较对照组分别下降了26.0%，11.7%和8.6%。

对于UHPFRC试件，各龄期的抗压强度均大于UHPC试件。EP的掺加较UHPFRC的抗压强度影响更大。其中，EP100+试件的1，3，7和28 d的抗压强度分别为28.7，72.3，108.6和140.9 MPa。相比于基准组Ref.+分别下降了61.7%，32.4%，14.2%和18.9%。掺加EP的UHPFRC后期养护龄期强度下降程度较UHPC严重，这主要与EP的掺加降低了UHPFRC基体的黏度，导致钢纤维的沉降有关[18]。这与章节2.1的研究结果相符。

2.4 电通量和RCM试验

7和28 d的RCM试验和电通量试验结果如表4所示。由表可知，EP的掺入对UHPC的7 d抗氯离子渗透性能有明显的负面影响。其中，EP100试件7 d氯离子浸入深度为3.85 mm，较对照组增加了1.95 mm；EP100试件的7 d电通量值为395 C，较基准组增加了约1倍。随着养护龄期的延长，各试件的抗氯离子渗透性能大幅提升。其中，Ref.和EP100试件的28 d氯离子浸入深度为0 mm，电通量结果分别为40和49 C，说明制备的UHPLWAC基本不存在氯离子渗透风险。

表4 UHPC和UHPLWAC在不同养护龄期的电通量和RCM试验结果

2.5 抗冲击试验

图6为EP100+试件与Ref.+试件冲击试验过程中出现初裂缝冲击次数与破坏冲击次数的数据对比。可见，对照组试件与实验组试件出现初裂缝的冲击次数相当。但试件最终破坏所需冲击次数出现较大差距，Ref.+试件冲击9～20次发生破坏，而EP100+试件需要冲击18～33次。另外，试件的破坏形态如图7所示，对于对照组试件，破坏主要分为4部分，出现了2条贯穿裂缝和3条小裂缝，在巨大的冲击荷载作用下传统的UHPC(Ref.+)仍表现出脆性行为。然而EP100+试件在破坏时呈现出多裂缝扩展破坏特征，尽管有骨料和纤维的拔出，但试件仍保持其良好的完整性。其原因可能是掺加EP的UHPC在承受冲击荷载时能够通过增加裂纹的扩展路径减少试件内部的应力集中现象，延缓微裂纹向宏观裂纹扩展，进而提高了试件的抗冲击性能。

图7 不同试件的抗冲击破坏形态

3 机理分析

为了分析掺加低强度EP制备的超高性能轻(次轻)骨料混凝土能够保持优异力学性能的作用机理，本文对构建的3个模型进行了拉伸试验模拟，模型A，B和C的拉伸破坏形式如图3所示。在拉伸荷载作用下模型B的裂纹始于中心区域的球形EP颗粒，并且表现出明显的应力集中现象，裂缝沿初始裂纹迅速扩展形成通缝，结构发生破坏；而模型C通过调节EP颗粒的粒径大小并使其均匀分布在UHPC基体中，构建了一种高度均质的UHPC结构，在拉伸破坏过程中，粒径较小且均匀分散的EP颗粒减少了结构内部的应力集中现象，表现出多裂缝扩展破坏特征。

模拟的应力-应变曲线如图8所示。模型B在较小的应力下发生破坏，呈现出较弱的力学性能；而模型C破坏所需应力与模型A相当，力学性能较模型B得到大幅提升。

图8 3个模型的应力-应变曲线

PD模拟结果解释了本文所制备的UHPLWAC和UHPSLWAC在掺加低强度的EP轻骨料后仍能保持优异力学性能的作用机理。使用均质性较高(兼具超高强度)的超高性能混凝土作为基体，引入低强度膨胀珍珠岩作为轻骨料，通过降低轻骨料粒径、提高轻骨料的分散性构建出分布系数为0.9450的均质性结构(UHPLWAC)。在承受荷载时，UHPLWAC结构内部首先会在EP轻骨料处产生裂缝，在荷载作用下裂缝会向其他轻骨料处扩展，由于EP轻骨料在基体内的粒径小且分布均匀，减少了受力过程中的应力集中现象，使得裂缝扩展的路径增加，而裂缝扩展的动力来自于外界荷载，多裂缝的扩展就需要更大的荷载，在宏观上就表现出力学性能的提升。