耿連恒，潘柏，常姍姍，尤志國

(華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院 河北 唐山063210)

引言

輕質(zhì)混凝土具有質(zhì)量輕、隔熱保溫性能好、耐火性能好、抗震性能好及綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果好等優(yōu)點(diǎn)。輕骨料混凝土在大跨橋梁、高層建筑等工程應(yīng)用中具有巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代混凝土的一個(gè)重要發(fā)展方向。我國對纖維輕質(zhì)混凝土進(jìn)行了一定研究：如學(xué)者陳瀟洋[1]向輕骨料混凝土中加入不同摻量、不同尺寸纖維，對其進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)證明了纖維可以增強(qiáng)輕骨料混凝土的抗拉性能；徐麗麗[2]通過試驗(yàn)證明了纖維可以改善輕骨料混凝土的脆性變形能力；趙天俊[3]、吳振華[4]通過試驗(yàn)得出了纖維可以增強(qiáng)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度等等。但其制備過程中突發(fā)問題較多，輕骨料上浮與纖維結(jié)團(tuán)是制備纖維輕骨料混凝土過程中不可避免的現(xiàn)象，二者嚴(yán)重影響混凝土的整體外觀、強(qiáng)度、耐久度，影響輕骨料混凝土的廣泛推廣。為了解決兩大關(guān)鍵問題以提高混凝土的性能，針對輕骨料上浮與陶瓷纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象進(jìn)行探討與研究，提出相應(yīng)解決方案，并應(yīng)用處理后的陶瓷纖維與輕骨料進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)與工作性能測試。

1制備

1.1 原材料與配比

采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，粗集料采用球形粉煤灰陶粒輕骨料，粒徑為10～20 mm，細(xì)集料采用中粗河砂，膠凝材料為：水泥、硅灰、粉煤灰。減水劑采用高效聚羧酸減水劑，纖維采用陶瓷纖維：長度為6 mm，直徑為3～6 μm。確定混凝土基體配合比如表1所示。水膠比為0.39、聚羧酸減水劑摻量為0.5%、含砂率為48%、粉煤灰與硅灰分別為膠凝材料的20%、10%。

表1 混凝土基體配合比原材料用量/(kg·m-3)

1.2 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)?zāi)康氖侵苽涓吡鲃?dòng)性纖維輕骨料混凝土，制作試塊類型：100 mm×100 mm×100 mm與100 mm×100 mm×400 mm。試驗(yàn)過程參照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51-2002、《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ/T221-2010、《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》CCES 02-2004、《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 38:2004。為了保證試驗(yàn)精準(zhǔn)度，試驗(yàn)前依照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 52-2006與《輕集料及其試驗(yàn)方法第2部》GB/T 17431.2-1998規(guī)范，將粉煤灰陶粒、砂子放置于干燥箱中烘干至恒重。攪拌順序：首先加入膠凝材料與纖維進(jìn)行干拌，硅灰、水泥、粉煤灰、纖維攪拌時(shí)長1 min，隨后放入烘干后的粉煤灰陶粒、砂子進(jìn)行攪拌，時(shí)長為1 min，最后加入水、減水劑攪拌2 min，攪拌完成后將混凝土拌合物進(jìn)行裝模養(yǎng)護(hù)。由于靜電力的作用陶瓷纖維在自然狀態(tài)下會(huì)有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象發(fā)生如圖1所示。為了查驗(yàn)陶瓷纖維在新拌混凝土內(nèi)部是否有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，進(jìn)行水泥膠砂試驗(yàn)，試驗(yàn)過程依照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》GB/T 17671-1999規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行3 d、28 d抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，陶瓷纖維摻量為水泥質(zhì)量的5%，得到結(jié)果見表2。

圖1 自然狀態(tài)下的陶瓷纖維

表2 陶瓷纖維膠砂強(qiáng)度值/MPa

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

(1)輕骨料上浮現(xiàn)象

當(dāng)混凝土在試模中靜置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)輕骨料上浮現(xiàn)象，養(yǎng)護(hù)并破碎查看陶粒分布情況，可以看出輕骨料分布不均勻，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，如圖2及圖3所示。

圖2 輕骨料上浮現(xiàn)象 圖3 陶粒分層現(xiàn)象

總結(jié)原因主要有兩點(diǎn)：a.輕骨料具有高吸水性能，使輕骨料在配置混凝土過程中極其不穩(wěn)定，其吸水直到飽和是一個(gè)漫長的過程，且每小時(shí)的吸水率并不相同，因此附加水并不會(huì)瞬間被吸收，致使骨料和漿體之間存在多余附加水，導(dǎo)致輕骨料上??；b.輕骨料的密度小于基體膠凝材料的密度, 受機(jī)械振搗的“攪融[5]作用”，輕骨料容易發(fā)生上浮現(xiàn)象。

(2)陶瓷纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象

利用陶瓷纖維進(jìn)行水泥膠砂試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)3 d并破碎查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)如圖4所示內(nèi)部具有明顯的陶瓷纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，其結(jié)團(tuán)原因是：陶瓷纖維的大長徑比、靜電作用產(chǎn)生的機(jī)械纏繞力容易發(fā)生結(jié)團(tuán)、分散不均勻現(xiàn)象[6]，其中含有的雜質(zhì)、渣團(tuán)為其結(jié)團(tuán)提供良好的介質(zhì)，同樣也是影響纖維結(jié)團(tuán)的重要因素[7]。表2數(shù)據(jù)表明：摻入水泥質(zhì)量5%陶瓷纖維試件養(yǎng)護(hù)3 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別為19.4 MPa、40.7 MPa，相比無摻加對比組抗壓強(qiáng)度分別降低了1.9 MPa與5.8 MPa。同樣陶瓷纖維試件組養(yǎng)護(hù)3 d、28 d的抗折強(qiáng)度分別為4.3 MPa與7.2 MPa，相比無摻加對比組降低了0.7 MPa、1.0 MPa。綜上所述：當(dāng)纖維出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象時(shí)，破壞了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不僅沒能改善混凝土性能，反而降低了混凝土強(qiáng)度。

圖4 陶瓷纖維在基體內(nèi)部結(jié)團(tuán)現(xiàn)象

2解決方案設(shè)計(jì)

2.1 輕骨料上浮

利用5組提前用水浸泡6 h、12 h、18 h、24 h、30 h的輕骨料，用干毛巾擦拭之后晾至表面干燥無明水[8]，分別進(jìn)行混凝土制備，最后利用學(xué)者劉立[9]等人的試驗(yàn)方法來檢測陶粒輕骨料的上浮、分層情況：即利用上、中、下三層模具裝滿輕骨料混凝土，振搗棒振搗之后放在振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)10 s，隨后靜置5 min分別用水沖去各層砂漿得到輕骨料烘干并稱重，使用每層的輕骨料質(zhì)量除以總質(zhì)量就可以反映出輕骨料的分層情況。

2.2 纖維結(jié)團(tuán)

纖維結(jié)團(tuán)問題在國內(nèi)外雖然沒有較完善的解決方案，但也有相關(guān)研究人員提出了多種有效的解決方法：包括機(jī)械攪拌法、施工工藝法[10]、超聲分散法、添加分散劑法[11]等。本次試驗(yàn)利用添加分散劑法：將常溫水與陶瓷纖維制備成濃度為0.02 g/ml的水溶液，隨后分別加入溶液質(zhì)量0.025%、0.05%、0.075%和0.1%聚丙烯酰胺(PAM)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為15 min，最后利用沖洗過濾的方法，烘干并稱重得出纖維分散率。

2.3 結(jié)果與分析

圖5、圖6分別為預(yù)濕處理時(shí)間與輕骨料分層率、聚丙烯酰胺(PAM)加入量與陶瓷纖維分散率的變化情況。圖7(a)為改善后無輕骨料上浮現(xiàn)象，圖7(b)、圖7(c)為陶瓷纖維分散情況。

圖5 輕骨料分層情況圖

圖6 陶瓷纖維分散情況

圖7 試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可以看出，未經(jīng)過預(yù)濕處理的陶粒出現(xiàn)嚴(yán)重分層現(xiàn)象，上層占比高達(dá)85.2%，嚴(yán)重影響混凝土整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，6 h、12 h、18 h由于陶粒吸水不足，整體密度小于水泥漿體密度，未能達(dá)到良好的分層效果，但隨時(shí)間的增長上浮現(xiàn)象開始逐漸改善。當(dāng)陶粒進(jìn)行24 h預(yù)濕處理后，發(fā)現(xiàn)上、中、下3層占比基本相同，未發(fā)生不均勻分層與上浮現(xiàn)象，可以看出浸泡30 h的陶粒與24 h每層占比基本保持一致，說明了當(dāng)陶粒在24 h時(shí)吸水已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，可以說明預(yù)濕處理也就是將陶粒進(jìn)行飽和吸水的方法，此方法有效阻止了輕骨料上浮現(xiàn)象。

由圖6可以看出，未加入聚丙烯酰胺(PAM)的陶瓷纖維分散率為1.1%，說明了只加水?dāng)嚢鑼μ沾衫w維并沒有分散的功能，如圖7(c)所示，由于陶瓷纖維的強(qiáng)親水性[12]，使纖維粘聚成一團(tuán)，無法再次使用。加入PAM之后有明顯的分散效果且與PAM加入量成正比，這是由于PAM會(huì)產(chǎn)生同種微小的電荷附著在纖維壁上，使之產(chǎn)生同種電荷的相互排斥力，促使纖維分散[13]。當(dāng)PAM加入量是溶液質(zhì)量的0.075%時(shí)曲線達(dá)到最高峰，此時(shí)分散效果最佳，如圖7(b)所示。但加入量達(dá)到0.1%時(shí)分散效果開始下降，這是因?yàn)镻AM加入量過多使陶瓷纖維溶液具有粘稠性，導(dǎo)致纖維之間產(chǎn)生粘聚效果，影響纖維分散。綜上所述，添加分散劑的方法可以有效促使纖維分散，PAM加入量是溶液質(zhì)量的0.075%時(shí)效果最佳。

3水泥膠砂試驗(yàn)

為了驗(yàn)證分散后的陶瓷纖維能否提高水泥膠砂試驗(yàn)強(qiáng)度，通過加入聚丙烯酰胺分散后的陶瓷纖維進(jìn)行3 d、28 d抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度測試，測試結(jié)果如表3所示。破碎后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象發(fā)生，并在其內(nèi)部發(fā)現(xiàn)陶瓷纖維呈蛛網(wǎng)狀如圖8所示。

表3 分散后5%陶瓷纖維膠砂強(qiáng)度值/MPa

圖8 破碎后基體試件

由表3可以看出，當(dāng)齡期為3 d時(shí)，分散后的陶瓷纖維膠砂抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度分別為21.9 MPa、5.8 MPa，相比未分散陶瓷纖維分別提高了13%與35%；當(dāng)齡期為28 d時(shí)，分散后的陶瓷纖維膠砂抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度分別為52.1 MPa、12.9 MPa，相比未分散陶瓷纖維分別提高了28%與79%。分析其原因：由于分散后纖維可以在水泥基體中起到橋接[14]作用，形成由內(nèi)到外致密均勻的多尺度復(fù)合材料，對水泥基體起到了增強(qiáng)、增韌的效果。破碎后陶瓷纖維在基體內(nèi)部呈現(xiàn)蛛網(wǎng)狀，說明了分散后的陶瓷纖維在機(jī)體內(nèi)部分布均勻，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了纖維與基體的粘結(jié)作用，大大提高了基體的韌性和變形能力。

4性能測試

利用預(yù)濕處理后的粉煤灰陶粒進(jìn)行混凝土工作性能試驗(yàn)(坍落擴(kuò)展度試驗(yàn))，分別測試對比普通輕骨料混凝土，未分散的陶瓷纖維輕骨料混凝土與添加聚丙烯酰胺(PAM)分散后的陶瓷纖維輕骨料混凝土的擴(kuò)展度。試驗(yàn)步驟依照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51-2002與《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》CCES 02-2004規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)照片及結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖10數(shù)據(jù)看出3種混凝土擴(kuò)展度依次減小，原因是：陶瓷纖維在混凝土內(nèi)部呈三維亂向分布，對骨料產(chǎn)生承托[15]作用，抑制混凝土向外擴(kuò)展，同時(shí)陶瓷纖維具有一定吸水性，導(dǎo)致維持拌合物和易性的自由水下降，也就降低了混凝土的擴(kuò)展度。而由于分散后的陶瓷纖維加入了聚丙烯酰胺，其自身粘稠性阻止混凝土向外擴(kuò)展。

圖9 擴(kuò)展度情況

圖10 擴(kuò)展度測試

為了滿足《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》CCES 02-2004自密實(shí)混凝土的目標(biāo)擴(kuò)展度標(biāo)準(zhǔn)，利用減水劑綜合分散劑的方式來保證纖維分散后混凝土的流動(dòng)均勻性，通過額外添加陶瓷纖維溶液質(zhì)量的1.57%、1.76%、1.96%、2.15%減水劑進(jìn)行擴(kuò)展度測試，其結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明：當(dāng)減水劑外加量為陶瓷纖維溶液質(zhì)量的1.96%時(shí)，與未加入聚丙烯酰胺陶瓷纖維輕骨料混凝土擴(kuò)展度基本相同，可以達(dá)到目標(biāo)擴(kuò)展度。

圖11 擴(kuò)展度測試結(jié)果

5結(jié)論

(1)粉煤灰陶粒經(jīng)過24 h預(yù)濕處理可以有效解決輕骨料上浮現(xiàn)象。

(2)陶瓷纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重地降低混凝土的力學(xué)性能。

(3)添加聚丙烯酰胺(PAM)對陶瓷纖維有分散作用，當(dāng)PAM加入量為溶液質(zhì)量的0.075%時(shí)纖維分散效果最佳。

(4)分散后的陶瓷纖維3 d、28 d膠砂抗壓強(qiáng)度相比未分散陶瓷纖維分別提高了13%、28%，抗折強(qiáng)度分別提高了35%、79%。

(5)額外添加陶瓷纖維溶液質(zhì)量的1.96%的減水劑可以保證分散后混凝土的流動(dòng)均勻性。