膨润土对超高性能混凝土性能影响研究

文／吴赟 山东省产品质量检验研究院 山东济南 250000

随着现代基础设施的不断完善，混凝土作为重要的工程材料，其需求量也是日益增多，让学术界对其性能的要求也就越来越高[1]。在混凝土拌合之后，由于会受到塑性收缩、自收缩、干燥收缩以及各种收缩的影响，会导致其出现收缩开裂的问题，从而对混凝土的耐久性有不利影响。目前减少混凝土的收缩问题的方法有：掺入膨胀剂补偿收缩、掺入纤维、掺入减缩剂等。掺入膨胀剂的混凝土确实可以补偿收缩，但是在低水胶比混凝土中的收缩补偿效果不太好，无法充分反应。纤维可以在一定程度上减少收缩，但当纤维分布不均时，也不利于混凝土的耐久性。而减缩剂在混凝土的使用，能有效地减少混凝土的收缩，为混凝土收缩的减少提供了稳定的方法。

1.1 试剂与材料

超高性能混凝土采用普通硅酸盐水泥(52.5P·O)、硅灰、石灰粉和膨润土(bentonite,BT)作为胶凝材料，河砂(0～0.6mm、0.6mm～1.25mm) 作为细骨料和PC-10 聚羧酸系高性能减水剂作为减水剂(固体含量20%)。这些粉体的粒径分布分析如图1 所示。此外，还采用了长度为13mm、直径为0.2mm 的直钢纤维。

图1 各原材料的粒径分布

膨润土是以蒙脱石为主要成分的黄白色片状粘土。蒙脱石由两层硅氧四面体和一层氧化铝八面体组成，属于2:1层状硅酸盐。八面体和四面体结构中的Al3+和Si4+可以被低价阳离子取代，使蒙脱石晶体层带负电荷。Na+、Ca2+等阳离子被吸附到层间以平衡蒙脱石表面的负电荷。蒙脱石晶格中阳离子交换的结构特征决定了蒙脱石具有良好的阳离子交换、溶胀、吸附和触变性等性能。

1.2 试验配合比

依据《水运工程混凝土施工规范》中的规定合理设计水工混凝土配合比[3]。采用膨润土等量替代基准配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，对0%、3%膨润土掺量且水胶比0.36 基准组，通过适当增大或减小用水量把水胶比调整成0.30、0.40，通过控制减水剂掺量将拌合物坍落度调整到180～220mm 范围内。

1.3 试验方法

1.3.1 流动度

本实验以（GB/T2419-2005）《水泥胶砂流动度测定方法》为标准对UHPC 的流动度进行测试。首先，将搅拌后的UHPC 浆体倒入上、下孔直径分别为70mm 和100mm，高度为60mm 的截锥圆模具中，将多余浆体刮去直至与模具上表面齐平。然后以缓慢又均匀的速度将模具垂直向上提起，让浆体完全流出，待UHPC 浆体流动停止后，测量最长直径及其垂直直径并取两者的平均值为流动度。

1.3.2 塑性收缩实验

混凝土塑性收缩实验采用平板开裂法，实验装置、试件尺寸以及实验步骤按照SL/T352-2020《水工混凝土实验规程》进行。实验时，将成型好的试样放在20±2℃，相对湿度60±5%的室内，在风速5±0.5m/s 的风扇吹拂下，24h 后，测量和记录裂缝的数量、长度以及宽度。计算单位面积上的总开裂面积，以此数据作为指标。

1.3.3 力学性能

本实验以（GB/T17671-1999）《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》为标准，对UHPC 的力学性能进行测试。UHPC 试块在48h 蒸汽养护（养护条件，温度与湿度）后对其抗折强度和抗压强度进行测试，每个配合比重复测试三次，然后取其平均值为结果。所用力学性能测试的仪器为无锡市的锡东建材设备厂所生产的压力试验机（JES-2000A）。

1.3.4 劈裂抗拉强度实验

混凝土的劈裂抗拉强度混凝土抗压强度实验参照SL/T352-2020《水工混凝土实验规程》进行，试件尺寸为150mm×150mm×150mm，养护条件同上。分别测其3d、7d、28d、60d 的劈裂抗拉强度。

2.1 微观结构分析

采用膨润土等量替代基准配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，经水化28d 后利用扫描电镜观察其内部结构。结果发现，未掺膨润土组存在大量相互搭接的纤维状水化硅酸钙凝胶，内部孔隙较多；
掺3%膨润土时，内部孔隙明显减少，这是由于膨润土吸水膨胀后堵塞内部孔隙，混凝土孔隙率明显下降；
掺7%膨润土时，部分纤维状结晶相互分散且被包裹，这是因为过多的膨润土吸附了大量水分，阻碍了水泥水化，使得内部C-S-H 凝胶量减少，结构密实度以及C-S-H 的搭接程度下降，水工混凝土抗氯离子渗透性和抗气体渗透性变差。由于膨润土的离子交换性能及其对水化产物的包裹作用可以有效地延缓氯离子扩散，相较于抗气体渗透性其抗氯离子渗透性更优。

2.2 流动度

不同膨润土掺杂含量的UHPC 流动度的结果可以看出，随着膨润土的掺入，新拌UHPC 浆体的流动度不断下降。本实验中，未掺入膨润土的UHPC 浆体（标准组）的流动度最高，为261mm。在加入2.5%、5.0%和7.5%的膨润土后，流动度呈现大幅度的下降，相比于标准组分别了下降了10.3%、32.0%和54.0%。当膨润土掺入量为10.0%时，此时新拌UHPC 浆体几乎没有流动性，浆体的黏聚性较高。上述现象可以从膨润土作用机制解释。一方面，膨润土具有较大的比表面积和层状的微观结构，通常通过吸附水分子来降低其表面能，这导致了分散水泥的自由水减少，因此，新拌UHPC 浆体的流动度下降。另一方面，膨润土因为其特殊结构可以将聚羧酸减水剂吸附在表面。研究了钠基蒙脱石对水泥流动性的影响及机理，结果表明，钠基蒙脱石的水泥替代质量分数为3%时，其对减水剂吸附量是水泥材料的2.16 倍，为18.33mg/g。

2.3 HPC 弹性模量受温度的影响

通常弹性模量作为研究高性能混凝土动态力学特性的一种表征参量，高性能混凝土的应力和应变可以通过式（1）和式（2）计算得到，混凝土的弹性模量E 是由实际测到的应力-应变曲线中对应切线率可以表述为和σ=0.4fTC对应的应变的比值[2]。由表1 中的数据可知，不同强度等级的高性能混凝土的弹性模量E 在不同冲击速度作用下，受温度升高的变化影响很明显，即使温度继续升高，但是弹性模量下降的速度会越来越慢，最后趋于一致。

小结：等级越高的高性能混凝土在受高温作用时整体结构的稳定性能越差，劣化程度越大；
不同强度等级的高性能混凝土的弹性模量E 在不同冲击速度作用下，受温度升高的变化影响很明显；
随着温度的升高，弹性模量反而明显下降，但是下降的幅度越来越小。

2.4 抗折强度

为研究钢纤维掺量对超高性能混凝土抗折强度的影响，针对钢纤维掺量分别为0%,1%,2%,3%及4%的超高性能混凝土抗折强度变化情况进行对比分析，随着钢纤维掺量的增大，超高性能混凝土的抗折强度呈先增后减的变化趋势，说明钢纤维的掺入对混凝土的抗压强度具有增强作用，但掺量不宜过大。未掺入钢纤维的超高性能混凝土抗折强度为22.7MPa，在分别掺入1%,2%,3%和4%钢纤维后，超高性能混凝土抗折强度分别增至23.8MPa、38.1MPa、46.3MPa 和36.2MPa，可以看出在掺入1%纤维后，混凝土的抗折强度增幅较小，而纤维掺量由2%增至3%阶段增幅效果最为显著，但纤维掺量超过3%后的增幅效果有所下降，说明纤维掺量超过3%对于改善混凝土抗折强度效果不大，由此说明钢纤维的最佳掺量为3%，而过量掺入钢纤维反而会降低混凝土的抗折强度。

2.5 温度对动态抗压强度的影响

高温SHPB 试验的影响因素很多，为了保证试验效果的准确性，本文在相同条件下HPC 动态抗压强度平均值作为试验中的强度。温度小于250℃，子弹冲击气压为0.3MPa、0.5MPa 时，HPC 动态峰值在不同强度等级中对应的动态峰值随着温度的升高而增大，变化程度强烈；
当温度为350℃时，动态峰值应力和常温下的动态峰值几乎一样；
当温度大于350℃，对应的动态峰值和温度反而呈现出负相关关系，通过动态峰值应力和温度变化的关系可知，在一定温度范围内HPC 试件动态峰值应力随着温度的升高而增大，当过了这个温度临界值，动态峰值应力就会随着温度的上升而下降。当子弹的冲击气压提升为0.7MPa、1.1MPa 时，温度小于250℃时，温HPC 动态峰值应力受温度变化的影响并不明显，当温度大于250℃时，试件动态峰值的应力随着温度的升高反而不断下降，两者的变化情况并不明显，几乎一致。究其主要原因是0.7MPa 的子弹冲击气压是HPC 试件常温下SHPB 试验中破坏临界的冲击气压值。由此可知，高性能混凝土动态抗压强度和温度的关系同应变率和温度的影响关系呈现相反效应。

2.6 工作性能

为研究钢纤维掺量对超高性能混凝土工作性能的影响，针对钢纤维掺量分别为0%、1%、2%、3%及4%。随着钢纤维掺量的增大，超高性能混凝土的扩展度呈不断减小的变化趋势，说明钢纤维的掺入会降低混凝土的工作性能，主要原因是纤维的掺入增大了水泥浆体间的摩擦力，从而导致混凝土的流动性下降。当钢纤维掺量由0%增至1%时，混凝土的扩展度由684mm 减至637mm，下降了近47mm，减小幅度相对较大；
而钢纤维掺量由1%增至3%时，混凝土的扩展度由637mm 减至609mm，总体仅下降28mm，减小幅度较小；
但钢纤维掺量由3%增至4%时，混凝土的扩展度由609mm 减至572mm，下降了近37mm，减小幅度显著增大。由此说明，钢纤维的掺入会导致超高性能混凝土的扩展度下降，但适量钢纤维的掺入不会对其工作性能产生太大影响，建议钢纤维掺量不超过3%。

2.7 含气量对混凝土气泡间距系数的影响

随着含气量的增加，混凝土的气泡间距系数先减小后增加。当含气量增加至5.4%时，气泡间距系数减小至146.682μm；
当含气量继续增大到7.4%时，混凝土的气泡间距系数反而增加，增加到191.236μm。这是由于引气剂主要引入10μm～1mm 的气泡，引气剂掺量的增加导致含气量的增加，则新拌混凝土中的气泡数量增加，气泡间距系数减小。当含气量过高时，所引入混凝土中的气泡过多，小气泡容易聚齐在一起形成大气泡，导致大气泡数量占总气泡数量的比例增加，气泡间距系数反而增大。

2.8 减缩剂对混凝土干缩的影响

试样的干燥收缩发展的趋势基本相同，在前14d，干燥收缩迅速发展，14d 之后趋势趋于平缓。Mt 多羟基化合物能够有效地降低混凝土的干燥收缩。效果最好的是当掺量为0.5%的时候，和空白组相比，其1d、3d、7d、21d、28d、35d、42d、49d、56d 的干燥收缩分别降低了46%、32%、30%、23%、26%、27%、27%、26%、28%、26%。随着龄期的增加，下降的幅度也随之降低。干燥收缩是混凝土在停止养护后，处于不饱和的湿空气内，内部的毛细孔和凝胶孔的吸附水蒸发而引起的收缩。而减缩剂可以降低孔隙溶液的表面张力，根据拉普拉斯公式可知，随着孔隙溶液表面张力的降低，当混凝土毛细孔和凝胶孔蒸发吸附水而引起的负压也随之减小，从起到降低混凝土干燥收缩的效果。

2.9 颗粒级配对混凝土力学性能的影响

从当前的实际情况分析，很多研究人员通过试验利用机制砂配制混凝土，较之相同条件下应用河砂效果更好，混凝土强度合格。郭丹等人通过研究发现，随着机制砂1.18mm 以上颗粒的不断增加，配制出来的胶砂的强度也不断增加，当1.18mm 以上的颗粒含量超过40%时，其胶砂的稠度和强度均大幅提升，所拌制的混凝土在强度方面也有较好的表现。因此，在配制高强度等级的混凝土时，应该选用偏粗的机制砂级配，以此获得更好的混凝土强度。在配合比参数设计相同的情况下，采用相同的原材料，仅仅只是在机制砂的颗粒级配方面进行变化，都会对混凝土的力学性能造成较大的影响。因此，混凝土中的组成结构级混凝土的密实性才是影响混凝土强度的关键因素。从绝大多数中高强混凝土进行力学实验后破碎面的破碎特征中能看出，细集料破坏基本都是在抗压过程中发生了断裂破坏。而1.18mm 是一个关键的分界线，1.18mm 筛档以下的微骨料主要是与水泥一同形成水泥石，对混凝土的受力作用贡献很小。C80 混凝土属于高强度混凝土，整体中所含的粉体材料较多，与一般的中低强度混凝土相比，需要更多较粗的颗粒形成微骨架。在配制时需要控制机制砂中1.18mm 以上颗粒含量，最好1.18mm 筛孔筛余量在40-50%，以确保其拥有更好的力学性能。

（1）随着膨润土的掺入，新拌UHPC 浆体的流动度呈现下降趋势，当膨润土掺入量为10.0%时，此时新鲜UHPC 浆体几乎没有流动性，浆体的黏聚性较高。

（2）当膨润土含量为5.0%以下时，UHPC 基体的抗压强度约为120MPa；
随着膨润土含量的增加，UHPC基体的抗折强度变化不大仍旧保持在13MPa～14MPa范围内。

（3）随着膨润土掺入量的逐步增加，UHPFRC 的抗折强度分别提高了9.0%、17.6%、18.5%和6.1%。此外，当膨润土掺入量为2.5%和5.0%时，两者抗压强度在160MPa 左右波动，仍旧具有优异的力学性能。

（4）掺入膨润土的UHPFRC 的钢纤维使用效率始终大于未掺入膨润土的UHPFRC。此外，随着膨润土掺量的增加，UHPFRC 的钢纤维的使用效率呈现先增加后下降的趋势。

（5）水工混凝土的电通量与气体渗透系数呈显著正相关性，掺入适量的膨润土可在一定程度上降低水工混凝土孔隙。

高性能轻质混凝土具有轻质高强、保温隔热、节能环保、高耐久性等优势，在未来的装配式结构、建筑节能、特殊环境下的结构加固、恒载限制的结构工程中的应用具有巨大的开发前景。本文从力学性能、导热性能和耐久性方面阐述了轻质混凝土的增强工艺和主要参数，得出可采用多种增强工艺协同的方法使普通轻质混凝土增强，优化性能参数，提升制备工艺。总结分析了高性能轻质混凝土应用现状和前景，高性能轻质混凝土的性能优势为建筑工程、高速铁路和桥梁工程的安全高质量建设提供了更好的条件。本文提出的高性能轻质混凝土性能增强方法及性能参数，可为轻质混凝土材料的优化和工程应用提供参考。

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