于周平，楊偉軍

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410076；2.紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引 言

隨著現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的老化，混凝土的耐久性受到了極大關(guān)注?；炷恋目箖鲂阅軐?duì)寒冷地區(qū)的結(jié)構(gòu)尤為重要。露天混凝土在溫度循環(huán)中因凍結(jié)和解凍而變質(zhì)。隨著溫度降低，保持在毛細(xì)孔中的水結(jié)冰后體積膨脹。因此，混凝土在反復(fù)冷凍和解凍循環(huán)過(guò)程中迅速劣化。與普通混凝土相比，陶?；炷辆哂薪?jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，例如減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)省建造成本而被應(yīng)用于大跨度結(jié)構(gòu)、海上平臺(tái)等結(jié)構(gòu)中[1-2]。此外，由于陶粒多孔的特性而具備良好的保溫隔熱、隔音的性能，在建筑的節(jié)能減排方面具有積極的作用[3]。眾所周知，陶?；炷恋奈⒂^結(jié)構(gòu)、孔隙率和滲透性與普通混凝土不同，其抗凍性能差異較大。因此，陶?；炷恋目箖鲂阅苁且粋€(gè)非常重要的課題。

孔隙率較高且強(qiáng)度較低的陶粒是影響陶?；炷翉?qiáng)度和耐久性的重要因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)陶?；炷恋目箖鲂哉归_(kāi)了大量的研究?？惥甑萚4]研究了不同摻量的頁(yè)巖陶粒替代碎石制備的混凝土，發(fā)現(xiàn)陶粒的摻入能夠提高中水膠比的混凝土抗凍性能。劉軍等[5]研究了不同預(yù)濕程度的陶粒制備的混凝土抗凍性。牛建剛[6]提出加壓預(yù)濕的方式處理陶粒能夠提高陶?；炷量箖鲂浴Ｐなフ艿萚7]研究陶?；炷猎诓煌瑴囟葪l件下凍融循環(huán)后的動(dòng)態(tài)抗壓性能。史永建等[8]研究了水膠比對(duì)粉煤灰陶?；炷量箖鲂缘挠绊?。李博[9]對(duì)粉煤灰陶?；炷猎诹蛩徕c和氯化鈉溶液中的抗凍性展開(kāi)了試驗(yàn)研究。Youm等[10]研究發(fā)現(xiàn)硅灰對(duì)輕骨料混凝土抗凍性較好的改善作用。黃靜等[11]對(duì)研究了塑鋼纖維和聚丙烯纖維對(duì)陶粒混凝土的抗凍性影響，發(fā)現(xiàn)摻入纖維能改善其抗凍性。

綜上所述，陶?；炷恋目箖鲂阅芊矫娴难芯恐饕性谔樟５膿搅?、預(yù)濕方式、粉煤灰、硅灰等方面。在陶粒的粒徑大小，級(jí)配及其他的礦物摻合料方面研究較少。近年來(lái)，偏高嶺土(簡(jiǎn)稱(chēng)MK)由于資源豐富、價(jià)格低廉、高活性而受到了人們的青睞[12-13]。但是目前MK 的研究主要集中在普通混凝土的力學(xué)性能方面，抗凍性能的研究不多，但文獻(xiàn)研究結(jié)果表明MK可以改善混凝土的抗凍性[14-16]。本文通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)研究陶粒陶粒粒徑級(jí)配及MK的摻量等因素對(duì)陶?；炷量箖鲂阅艿挠绊?，為今后陶?；炷恋难芯考皯?yīng)用推廣提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

(1)粗集料：粒徑為0～19 mm連續(xù)級(jí)配的圓球型頁(yè)巖陶粒。陶粒的基本性能如表1。天然碎石，堆積密度1 561 kg/m3，表觀密度2 574 kg/m3。

表1 頁(yè)巖陶粒基本性能

(2)細(xì)集料：天然河砂，堆積密度為1 645 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.6。

(3)水泥：P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥，密度為3 041 kg/m3。

(4)偏高嶺土：平均粒徑1.64～16.23 μm，比表面積16.2 m2/g，成分詳見(jiàn)表2。用激光粒度分析儀進(jìn)行激光粒度分析，確定MK和水泥的級(jí)配曲線，如圖1所示。在平均粒徑方面，MK顆粒小于水泥顆粒。由圖2可知，MK顆粒被掃描電鏡放大5 000倍的形貌是不規(guī)則的，有利于混凝土強(qiáng)度的提高。

圖1 水泥和MK的級(jí)配曲線

圖2 MK的SEM圖像

表2 水泥、偏高嶺土的化學(xué)成分(%)

(5)水：自來(lái)水。

1.2 配合比

混凝土的配合比見(jiàn)表3所示。

表3 混凝土的配合比

2 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3可知，陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度隨著MK摻量的增加而呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì)，且MK對(duì)陶?；炷猎缙诳箟簭?qiáng)度的影響比較大。其中當(dāng)MK的摻量0%～15%時(shí)對(duì)陶?；炷量箟簭?qiáng)度有一定的增強(qiáng)作用，當(dāng)摻量超過(guò)15%時(shí)會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度。摻量為10%時(shí)，陶?；炷量箟簭?qiáng)度表現(xiàn)出較好的增強(qiáng)效果，其3、7、28天的抗壓強(qiáng)度分別增加了18.6%，16.9%，15.0%。這主要是MK由于粒徑小而在水化反應(yīng)早期主要表現(xiàn)為填充效應(yīng)及火山灰活性[17]。由圖4可知，單粒徑陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度隨著粒徑的增大而降低。而連續(xù)級(jí)配的陶粒其混凝土抗壓強(qiáng)度比中粒徑和大粒徑的陶?；炷翉?qiáng)度高。這主要是單粒徑陶粒粒徑越大，孔隙越大；且陶粒粒徑越大，陶粒本身的孔隙率越大，而強(qiáng)度越低，進(jìn)而影響了陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度。

圖3 MK對(duì)陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度的影響

圖4 粒徑對(duì)陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度影響

2.2 凍融試驗(yàn)及其分析

依據(jù)GB/T50082—2009《混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》制備邊長(zhǎng)100 mm×100 mm×100 mm的陶?；炷亮⒎襟w試塊采用“慢凍法”進(jìn)行抗凍性能試驗(yàn)。對(duì)陶?；炷猎噳K進(jìn)行25次、50次和100次凍融循環(huán)后分析其質(zhì)量和強(qiáng)度的變化。在每次凍融循環(huán)結(jié)束后，對(duì)試件的外觀和質(zhì)量進(jìn)行檢查。若發(fā)現(xiàn)試件如下情況則停止試驗(yàn)：(1)有通縫或深層裂縫；(2)試件的平均失重率超過(guò)5%。陶?；炷猎嚰?0次凍融循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中表面結(jié)構(gòu)基本完整無(wú)損壞，經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)后表面有較為明顯損壞或細(xì)裂縫的現(xiàn)象。

由圖5可知：(1)隨著凍融次數(shù)增加，陶粒混凝土的質(zhì)量和強(qiáng)度損失增大。(2)100次凍融后陶?；炷猎噳K質(zhì)量、強(qiáng)度損失的最大值分別為3.42%和21.80%。滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定混凝土質(zhì)量損失5%和強(qiáng)度損失分別25%的要求，說(shuō)明陶粒混凝土的抗凍性能符合規(guī)范要求。(3)在25次、50次和100次凍融循環(huán)后，C5的質(zhì)量和強(qiáng)度損失值均比LC1大，分別大27.4%，29.7%，24.4%；30.6%，16%，17%。因此說(shuō)明陶?；炷恋目箖鲂阅軆?yōu)于普通混凝土。主要是因?yàn)樘樟Ｊ且环N滲透性很強(qiáng)的多孔性骨料，具有吸水和返水的特性[18]。在混凝土的制備過(guò)程中可以“密閉空氣”，凍融循環(huán)的過(guò)程中能吸收一部分水。當(dāng)水分的吸收達(dá)到一定量時(shí)又能夠有效地阻止水分進(jìn)一步吸收。陶?？紫吨械氖Ｓ囿w積能為冷凍和解凍形成的水壓提供了一個(gè)補(bǔ)償空間從而緩沖陶粒混凝土凍融破壞[19]。

圖5 陶?；炷僚c陶?；炷恋目箖鲂阅軐?duì)比圖

2.3 陶粒的粒徑對(duì)抗凍性能的影響

由圖6可知，當(dāng)相同的凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)，陶粒混凝土質(zhì)量和強(qiáng)度的損失隨陶粒粒徑的增大而增大。對(duì)于相同級(jí)配陶粒配制的混凝土而言，隨著凍融循環(huán)的次數(shù)越多，質(zhì)量和強(qiáng)度的損失越大，且質(zhì)量損失比強(qiáng)度損失大。LC2、LC3、LC4在25次、50次和100次凍融循環(huán)后，粗集料粒徑16～19 mm的陶?；炷帘?～10 mm的陶?；炷恋馁|(zhì)量和強(qiáng)度損失值分別增大了25.5%，18.3%，22.0%；19.6%，13.2%，20.5%，說(shuō)明陶粒粒徑對(duì)陶?；炷恋目箖鲂杂绊戄^大。這主要是因?yàn)橐环矫媸翘樟５牧皆叫?，陶粒?nèi)部的孔結(jié)構(gòu)越少，缺陷越少，陶粒的筒壓強(qiáng)度越大，吸水率低。由于陶粒的強(qiáng)度較低，陶?；炷恋钠茐氖加谔樟?。因此強(qiáng)度高、缺陷少、吸水率低的陶粒在一定程度上對(duì)陶粒混凝土的抗凍性能是有利的[20]。另一方面是試驗(yàn)中選擇5～10、10～16、16～19 mm的單粒徑級(jí)配的陶粒，粒徑越大相應(yīng)的陶粒混凝土的孔隙率越大，陶粒混凝土力學(xué)性能、抗凍性也相對(duì)差一些。

圖6 陶粒粒徑對(duì)陶?；炷恋目箖鲂阅苡绊?/p>

2.4 偏高嶺土對(duì)陶?；炷量箖鲂阅艿挠绊?/h3>

由圖7可知，摻有MK的陶?；炷恋馁|(zhì)量損失和強(qiáng)度損失大致上呈先降后升的趨勢(shì)；并且在MK摻量為10%左右達(dá)到最低點(diǎn)；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，該趨勢(shì)更為明確。摻有MK的陶?；炷恋馁|(zhì)量損失和強(qiáng)度損失基本上低于未摻MK的陶粒混凝土，其中MK摻量為10%、15%比0%的陶?；炷两?jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失分別降低了37.3%和20.1%；28.7%，7.7%。而MK摻量為20%比0%的陶?；炷两?jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失分別增加了8.7%和6.2%。由此說(shuō)明MK在一定程度上可以改善陶?；炷恋目箖鲂阅埽瑩搅吭?0%左右的效果較好，摻量超過(guò)20%對(duì)改善陶?；炷恋目箖鲂阅懿焕?。由于偏高嶺土是細(xì)小顆粒的粉末，一方面可以填充陶?；炷林械目紫?，提高陶粒混凝土的密實(shí)度；另一方面由于其火山灰活性可以與水泥水化后的產(chǎn)物氫氧化鈣二次水化反應(yīng)生產(chǎn)水化硅酸鈣和鈣礬石進(jìn)一步填充孔隙，改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)[21]。但是摻量太多，由于偏高嶺土的比表面積大，吸水成團(tuán)，二次水化反應(yīng)不充分而導(dǎo)致陶?；炷恋拿軐?shí)度降低，毛細(xì)孔增多，降低了陶?；炷恋目箖鲂阅躘13]。

圖7 MK摻量對(duì)陶?；炷恋目箖鲂阅苡绊?/p>

2.5 XRD分析

X射線衍射測(cè)試有助于確定XRD圖譜中衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度。采用XRD技術(shù)對(duì)陶?；炷林兴鄡魸{粉末狀試樣進(jìn)行成分分析，研究基體的微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)不同MK含量的陶?；炷猎?次和100次凍融后的試樣進(jìn)行XRD分析，以鑒定水化反應(yīng)產(chǎn)物。從圖8可以看出，3組不同摻量MK的水泥凈漿的XRD譜的物相基本相同，凍融前后的XRD譜也大致相似，主要是SiO2、Ca(OH)2、Ettringite、C3S、C2S及CaCO36種物相的衍射峰[22]。Ca(OH)2、C3S和C2S的衍射峰強(qiáng)度隨著MK摻量的增加呈現(xiàn)先降后增的趨勢(shì)，相位角發(fā)生了小范圍的變化。這主要是MK與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生了火山灰反應(yīng)生成額外的C-S-H、C-A-H凝膠。當(dāng)MK的摻量繼續(xù)增加時(shí)，水泥用量減少，生成的Ca(OH)2量少，且其晶體由于空間有限而不能長(zhǎng)得足夠大從而導(dǎo)致火山灰反應(yīng)效果不太理想。

圖8 不同MK摻量的水泥凈漿的XRD譜

2.6 微觀形貌分析

一般來(lái)說(shuō)，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)很大程度上影響了其力學(xué)性能[23]。本次試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)含有MK的陶粒混凝土試樣放大5 000倍、1 000倍和100倍獲得SEM圖像，分析陶粒混凝土的100次凍融循環(huán)后的微觀結(jié)構(gòu)。

由圖9可知，陶?；炷猎嚇拥奈⒂^結(jié)構(gòu)主要包括未水化的膠凝材料顆粒、水化產(chǎn)物、骨料、空隙以及微裂紋等[24]。由圖9(a)可知，經(jīng)過(guò)了100次凍融循環(huán)后的普通混凝土內(nèi)部大量的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠、氫氧化鈣(CH)晶體及少量針狀的鈣礬石(AFt)晶體，還觀察寬度較大的裂縫，相互連通將內(nèi)部微結(jié)構(gòu)分成兩部分。在圖9(b)中發(fā)現(xiàn)相互連接C-S-H凝膠、少量的AFt晶體和較多的板片狀的CH晶體及不貫通的微裂縫。由此SEM圖呈現(xiàn)的結(jié)果與宏觀試驗(yàn)的結(jié)論相符，即陶?；炷恋目箖鲂?xún)?yōu)于普通混凝土。圖10(a)中具有豐富的相互重疊、相互連接C-S-H凝膠、C-A-H凝膠、少量的AFt晶體和未水化的顆粒、大尺寸的毛細(xì)孔隙，未觀測(cè)到CH晶體。這說(shuō)明含10%MK的陶粒混凝土試樣的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)是非常致密的。其主要是一方面隨著MK含量的增加，火山灰反應(yīng)加劇，它消耗了更多的CH晶體，產(chǎn)生更多的附加C-S-H凝膠和C-A-H凝膠填補(bǔ)孔隙。另一方面是未反應(yīng)MK顆粒的微填充效應(yīng)，有效地填充和細(xì)化大的毛細(xì)孔和孔隙。由于毛細(xì)孔在100次凍融循環(huán)過(guò)程中吸水而體積膨脹，導(dǎo)致其尺寸不斷增大。從圖10(b)中可以看到一些大的毛細(xì)孔、氣孔、微裂紋及較多的MK顆粒。這主要是MK替代水泥的量較大，水泥水化產(chǎn)生的CH較少，不足以滿(mǎn)足大量的MK二次反應(yīng)的需求量，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)稀疏，不夠致密。因此說(shuō)明MK在一定程度上能夠改善陶粒混凝土的抗凍性，其中在10%是MK改善陶粒混凝土抗凍性的最佳摻量。

圖9 普通混凝土與陶粒混凝土凍融100次的SEM圖

圖10 不同MK摻量的混凝土凍融100次的SEM圖

眾所周知，界面過(guò)渡區(qū)是混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。由圖11(a)可知，部分界面過(guò)渡區(qū)較為疏松，且空隙較大，存在微裂縫。界面過(guò)渡區(qū)放大1000倍的圖11(c)可以看出部分區(qū)域界面兩側(cè)的水泥基體與骨料脫開(kāi)，不夠致密。從圖11(b)可以看出，MK摻量為10%時(shí)陶粒與水泥基體的界面過(guò)渡區(qū)貼合緊密，界線清晰，無(wú)裂縫。由圖11(d)可知過(guò)渡區(qū)有非常致密C-S-H膠凝，且在陶粒的孔隙內(nèi)有針絮狀的AFt。這主要是MK中的二氧化硅、氧化鋁與水泥水化產(chǎn)物CH生成C-S-H，減小了晶體的尺寸，改善孔徑增強(qiáng)陶粒混凝土的密實(shí)度。此外，陶粒是多孔滲透性強(qiáng)的材料，水化產(chǎn)物滲透到骨料內(nèi)提高了水泥漿和陶粒之間的粘結(jié)強(qiáng)度[25]。

圖11 不同MK摻量的陶?；炷羶鋈?00次界面結(jié)構(gòu)的SEM圖

3 結(jié) 論

(1)由于陶粒具有多孔的特性，存在補(bǔ)償空間從而緩沖陶?；炷羶鋈谄茐?，使得陶粒混凝土的抗凍性?xún)?yōu)于普通混凝土。

(2)陶粒混凝土的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且均低于規(guī)范限值，表現(xiàn)出良好的抗凍性能。

(3)粒徑較小的連續(xù)級(jí)配的陶粒配置而成的陶?；炷辆哂辛己玫目箖鲂阅堋?/p>

(4)偏高嶺土在一定程度上可以改善陶?；炷恋目箖鲂阅?。10%是偏高嶺土的最佳摻量，摻量超過(guò)20%時(shí)對(duì)陶?；炷量箖鲂阅懿焕?。