黃顯龍，田耀剛，石帥鋒，蔣 靜，郝肖雨，齊 琳，賈 侃

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710064；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450046)

0 引 言

隨著建筑物高層化和橋梁大跨度化的發(fā)展趨勢(shì)，普通混凝土自重大的弊端已經(jīng)顯現(xiàn)，逐漸無(wú)法滿足現(xiàn)代建筑的要求。同時(shí)樓層愈高、橋梁跨度愈大的混凝土結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下也會(huì)產(chǎn)生更大的動(dòng)力響應(yīng)，使其內(nèi)部原始微裂縫和缺陷迅速積累與擴(kuò)展，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)物的安全性和耐久性[1]。阻尼是將系統(tǒng)的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為其他形式能量的能力，它使系統(tǒng)在振動(dòng)過(guò)程中自由振動(dòng)幅值逐漸減小[2]。針對(duì)混凝土的阻尼能力較低的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量的研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中添加纖維[3]、橡膠顆粒[4]與聚合物乳液[5]均可有效改善其阻尼性能。但這些方法在改善混凝土阻尼性能的同時(shí)降低了其力學(xué)性能，并且對(duì)混凝土自重沒(méi)有明顯的降低作用。

輕骨料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、隔熱、抗震等優(yōu)點(diǎn)，可在保證混凝土強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減輕自重，因而也越來(lái)越多地作為一種增加樓層高度和橋梁跨度的手段[6]。輕骨料的種類(lèi)以及預(yù)處理方式會(huì)顯著影響輕骨料混凝土的性能。田耀剛等[2,7]研究了輕骨料類(lèi)型對(duì)混凝土阻尼性能的影響發(fā)現(xiàn)，用頁(yè)巖輕骨料制備混凝土的阻尼比低于用黏土輕骨料制備的混凝土，但具有更高的力學(xué)性能。Tao Ji[8]定量研究了不同程度預(yù)飽和水的輕骨料對(duì)輕骨料混凝土收縮性能的影響發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同的凈水灰比和總水灰比，輕骨料混凝土的收縮會(huì)隨輕骨料預(yù)飽和水程度的增加而減小。Cong Zhu等[9]研究了不同預(yù)飽和水輕骨料對(duì)輕骨料混凝土抗凍性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著輕骨料預(yù)飽和水程度的增加，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸降低；并且當(dāng)輕骨料加壓預(yù)飽和水接近飽和時(shí)，會(huì)大大降低混凝土抗凍融性能。然而，目前對(duì)聚合物處理輕骨料混凝土耐久性的相關(guān)研究還較少。

鑒于此，本文對(duì)比研究了經(jīng)過(guò)預(yù)飽和水、預(yù)飽和聚合物乳液和表面聚合物乳液包裹3種不同預(yù)處理的細(xì)輕骨料對(duì)混凝土阻尼性能、強(qiáng)度、收縮性能以及抗凍性能的影響，并利用SEM-EDS對(duì)3種預(yù)處理細(xì)輕骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試和分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥:P·O 42.5級(jí)水泥；粉煤灰：Ⅱ級(jí)灰；礦粉，上述3種材料主要化學(xué)組成和物理性能見(jiàn)表1。聚合物：苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液(苯丙乳液)，固含量為51%，pH值為8～9。減水劑:采用聚羧酸高效減水劑，減水率達(dá) 27.9%。

表1 水泥、粉煤灰和礦粉的主要化學(xué)組成和物理性能

粗骨料:5～25 mm連續(xù)級(jí)配，含泥量為0.20%，壓碎值為8.30%。細(xì)骨料(NS)：河砂，細(xì)度模數(shù)2.60，II區(qū)，含泥量為0.8%。細(xì)輕骨料：試驗(yàn)使用黏土陶砂與頁(yè)巖陶砂，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 頁(yè)巖陶砂與黏土陶砂的主要性能

1.2 輕骨料預(yù)處理方法

輕骨料預(yù)處理方法主要有以下3種：

(1)預(yù)飽和水輕骨料(PW)：常溫常壓下，在水中浸泡黏土陶砂2 h，取出瀝干至表面無(wú)明水。

(2)預(yù)飽和苯丙乳液輕骨料(PS)：常溫常壓下，在苯丙乳液中浸泡黏土陶砂2 h，取出后置于0.07 5 mm篩上20 min濾掉多余乳液，用無(wú)明水濕毛巾包裹擦拭，直至陶砂表面無(wú)多余苯丙乳液。

(3)表面苯丙乳液包裹輕骨料(ES)：將1/3陶砂質(zhì)量的苯丙乳液加入頁(yè)巖陶砂中，在120 ℃下不斷攪拌，使頁(yè)巖陶砂不易相互粘結(jié)且在陶砂表面形成均勻苯丙乳液薄膜，冷卻至室溫后將粘結(jié)陶砂輕搗分離以備用。

1.3 試驗(yàn)配合比及測(cè)試方法

1.3.1 試驗(yàn)配合比

為探究預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)混凝土收縮性能的影響，采用剔除混凝土中粗骨料的水泥砂漿試件進(jìn)行測(cè)試(配合比見(jiàn)表3)。前期試驗(yàn)結(jié)果顯示，細(xì)輕骨料替代天然細(xì)骨料體積比在30%以內(nèi)時(shí)，力學(xué)性能降低不明顯，因此固定替代率為30%。

表3 砂漿與混凝土試驗(yàn)配合比

1.3.2 力學(xué)與耐久性試驗(yàn)

參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)、《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》(JC/T603—2004)和《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082—2009)中快速凍融法分別進(jìn)行抗壓與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)和抗凍試驗(yàn)。

1.3.3 阻尼試驗(yàn)

本文采用懸臂梁沖擊作用下的自由振動(dòng)研究混凝土的阻尼比。將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的試件一端進(jìn)行固定，利用試驗(yàn)力錘對(duì)試件施加簡(jiǎn)諧振動(dòng)荷載，并使用INV3062T型阻尼比測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行分析，測(cè)試簡(jiǎn)圖如圖1所示。采用半功率帶寬法計(jì)算阻尼比，計(jì)算公式為：

圖1 阻尼測(cè)試簡(jiǎn)圖

式中，ξ為阻尼比，ω1和ω2為共振峰值0.707倍對(duì)應(yīng)頻率，Hz；ω0為共振頻率，Hz。每個(gè)試件重復(fù)進(jìn)行3次阻尼試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

1.3.4 微觀測(cè)試

抗壓試驗(yàn)完成后，選取大小合適的試樣進(jìn)行干燥噴金處理，采用日立S-4800 SEM觀察試樣微觀形貌。切割PS混凝土制備15 mm×15 mm×15 mm試件并進(jìn)行拋光和鍍金處理，采用SEM能譜(EDS)分析技術(shù)對(duì)試樣進(jìn)行元素分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)混凝土阻尼的影響

3種預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)混凝土阻尼性能的影響如圖2所示。由圖2可知，PW、PS和ES均可提高混凝土7和28 d的阻尼比，其效果表現(xiàn)為：PW

圖2 不同預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)混凝土阻尼的影響

2.2 不同預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

3種預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響如圖3所示。由圖3可知，PW的摻入使混凝土強(qiáng)度略有降低，PS和ES的摻入則使強(qiáng)度略有提高。骨料與水泥石間的界面過(guò)渡區(qū)是影響混凝土力學(xué)性能的決定性因素之一[12]。天然骨料界面過(guò)渡區(qū)的水灰比通常高于基體，導(dǎo)致CH富集，而粉煤灰可與CH發(fā)生二次水化反應(yīng)，提高界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度[13]。PW中的水不僅具有內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用還有助于后期粉煤灰二次水化反應(yīng)，進(jìn)而改善輕骨料與水泥石間界面過(guò)渡區(qū)性能[13-14]，抵消輕骨料摻入帶來(lái)的負(fù)面影響。PS與PW作用基本相似，且苯丙乳液可失水成膜附著在輕骨料的孔隙結(jié)構(gòu)中，避免聚合物與水泥石基體直接、大面積接觸，從而使混凝土強(qiáng)度沒(méi)有明顯下降[2,7]。苯丙乳液膜會(huì)降低水泥漿體與輕骨料之間的粘附力[11]，但未被膜覆蓋的ES孔隙具有“吸返水”作用，抑制CH富集的同時(shí)可優(yōu)化界面過(guò)渡區(qū)，使混凝土強(qiáng)度不會(huì)明顯下降。

2.3 不同預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)砂漿收縮的影響

3種預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)砂漿收縮的影響如圖4所示。由圖4可知，PW、PS和ES的摻入均能夠降低水泥砂漿的干縮率。不同預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)降低砂漿收縮的效果表現(xiàn)為：ES

圖4 不同預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)砂漿收縮的影響

2.4 不同預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)混凝土抗凍性能的影響

不同凍融循環(huán)次數(shù)下3種預(yù)處理細(xì)輕骨料混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率如圖5所示。由圖5可知，摻入PW、PS和ES的混凝土經(jīng)受凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈模量均提高，質(zhì)量損失率均降低。不同預(yù)處理細(xì)輕骨料抗凍性能的表現(xiàn)為：ES

圖5 不同預(yù)處理細(xì)輕骨料對(duì)混凝土抗凍性能的影響

3 不同預(yù)處理輕骨料混凝土的微觀性能

圖6為不同預(yù)處理輕骨料混凝土養(yǎng)護(hù)至28 d后的SEM圖。普通混凝土界面區(qū)具有較多的微裂紋和孔隙，輕骨料混凝土由于輕集料多孔特性使界面區(qū)組成與結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。由圖6(a)可知，PW通過(guò)水化產(chǎn)物與混凝土基體相連，看不到清晰邊界，且存在大量孔隙的粗糙表面可增強(qiáng)與水泥石的機(jī)械嚙合。提高放大倍率可發(fā)現(xiàn)界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)比較致密。由圖6(c)和(d)可知，ES與水泥石基體間邊界較為清晰，界面過(guò)渡區(qū)存在較多聚合物，結(jié)構(gòu)也比較致密。

由圖6(e)可知，水泥漿體可能會(huì)進(jìn)入PS開(kāi)口孔隙中凝結(jié)硬化，形成約束層阻尼結(jié)構(gòu)和機(jī)械嚙合結(jié)構(gòu)，如圖7(b)和(d)所示。這可提高骨料與水泥石間的界面粘結(jié)面積與界面摩擦力，加劇能量耗散。水泥水化產(chǎn)物在PS孔隙內(nèi)部擴(kuò)散時(shí)可能無(wú)法到達(dá)孔隙深處而形成內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，如圖7(d)所示。部分苯丙乳液可能會(huì)從開(kāi)口孔隙中流出并與輕骨料表面的水泥漿體形成網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)，如圖7(c)所示?？紫秲?nèi)的苯丙乳液失水后會(huì)形成一層膜并附著在輕骨料孔隙的一側(cè)，形成自由層阻尼結(jié)構(gòu)，如圖7(a)所示。這可以通過(guò)聚合物分子鏈段運(yùn)動(dòng)以及與輕骨料或水泥石摩擦等方式耗散振動(dòng)能。由圖6(f)可知，水化產(chǎn)物與苯丙乳液在界面過(guò)渡區(qū)相互穿插可形成互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，覆蓋基體表面的微裂紋和孔洞。

圖6 不同預(yù)處理細(xì)輕骨料混凝土28 d的SEM圖

為驗(yàn)證圖7所示模型的準(zhǔn)確性，對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d的PS混凝土進(jìn)行SEM-EDS測(cè)試，如圖8所示。輕骨料、苯丙乳液與水泥石分別為富Si、C與Ca相。對(duì)比圖8 SEM圖與Ca元素分布圖可知，水泥石和輕骨料兩相之間存在明顯的界面線并且輕骨料孔隙內(nèi)有大量Ca元素分布。這表明水泥漿體可以擴(kuò)散到輕骨料的開(kāi)口孔隙中并將水泥基體與輕骨料連接起來(lái)。由圖8 C元素分布圖可知，C元素大量分布于PS孔隙中，少量散布于水泥石上，表明PS開(kāi)口孔隙中的部分苯丙乳液會(huì)流至水泥漿體中形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。水化產(chǎn)物會(huì)擴(kuò)散到輕骨料開(kāi)口孔隙中并與內(nèi)部的聚合物相互穿插形成約束層阻尼結(jié)構(gòu)與機(jī)械嚙合結(jié)構(gòu)。隨著水泥水化進(jìn)行，水泥石結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)，水化產(chǎn)物不會(huì)繼續(xù)向孔隙內(nèi)部擴(kuò)散，在輕骨料孔隙內(nèi)部形成自由層阻尼結(jié)構(gòu)與內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。

圖7 預(yù)飽和苯丙乳液輕骨料作用機(jī)理

圖8 預(yù)飽和苯丙乳液輕骨料混凝土28 d的SEM-EDS圖

圖9為輕骨料孔隙SEM圖。圖9(a)與(b)分別為PS前后輕骨料孔隙SEM圖；圖9(c)與(d)分別為ES前后孔隙SEM圖。對(duì)比圖9(a)與(b)可知，輕骨料孔隙壁上附著一層苯丙乳液薄膜，進(jìn)一步證實(shí)了自由層阻尼結(jié)構(gòu)的存在，同時(shí)也證明了PS的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用。對(duì)比圖9(c)與(d)可知，ES表面有一層苯丙乳液膜覆蓋，但仍留有部分孔隙。圖8與9所示的元素分布與微觀結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了圖7提出的減振模型準(zhǔn)確性。

圖9 輕骨料孔隙SEM圖

4 結(jié) 論

(1)PW、PS與ES均可提高混凝土的阻尼性能并對(duì)強(qiáng)度無(wú)明顯影響，其中ES對(duì)阻尼提升效果最為明顯。PW與PS可發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，降低混凝土收縮，提高混凝土抗凍性能。

(2)微觀測(cè)試結(jié)果表明，PW與PS中部分開(kāi)口孔隙被水化產(chǎn)物填充，構(gòu)成機(jī)械嚙合結(jié)構(gòu)，界面過(guò)渡區(qū)較模糊。ES與水泥石基體間有清晰的邊界，界面過(guò)渡區(qū)存在較多聚合物，結(jié)構(gòu)也比較致密。

(3)建立了PS減振模型并利用EDS對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明水化產(chǎn)物會(huì)擴(kuò)散到PS開(kāi)口孔隙中，可與聚合物膜形成約束層阻尼結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)，但水化產(chǎn)物擴(kuò)散深度有限，在PS孔隙內(nèi)部則會(huì)形成自由層阻尼結(jié)構(gòu)。