减振集料对高强混凝土的收缩性能影响*

田耀刚,朱 琳，王帅飞，杨婷婷，贾 侃，李炜光

(1. 长安大学 材料科学与工程学院， 西安 710064; 2. 长安大学 信息工程学院，西安 710064;3. 西南石油大学 土木工程与建筑学院， 成都 610500)



减振集料对高强混凝土的收缩性能影响*

田耀刚1,朱 琳2，王帅飞1，杨婷婷3，贾 侃1，李炜光1

(1. 长安大学 材料科学与工程学院， 西安 710064; 2. 长安大学 信息工程学院，西安 710064;3. 西南石油大学 土木工程与建筑学院， 成都 610500)

基于轻集料多孔可吸附性，采用常压与负压浸泡两种方法将不同阻尼材料(水和聚合物乳液)导入多孔轻集料中制备出减振集料并用于配制高强混凝土，在分析减振集料等体积取代普通集料对混凝土强度和阻尼功能影响的基础上，重点研究其引入对混凝土内部湿度与收缩性能影响，并结合SEM与MIP分析其微观结构。结果表明：掺加适量减振集料可显著提高混凝土阻尼功能而不明显降低其强度，减振集料可发挥内养护作用并明显改善混凝土收缩性能，延长膨胀剂作用时间，优化水泥石孔隙结构。

减振集料；阻尼功能；高强混凝土；收缩

0 引 言

广泛应用于大跨桥梁与轨道交通等基础设施中的高强混凝土长期承受高速大流量交通重载、风荷载或水浪荷载激励引发的强振动作用，由于混凝土减振性能差，其内部原始微裂缝和缺陷在外部振动长期作用下会产生扩展与损伤积累，严重影响结构物的安全性和使用寿命[1-3]。近年来，国内外学者在改善混凝土减振性方面开展了一些研究，发现通过掺入聚合物乳液、橡胶粉或其它高阻尼材料，以及集料表面弱化等技术可明显提高混凝土减振性，但同时其力学性能存在不同程度降低[4-9]。

收缩是水泥混凝土材料的固有时效特性，也是导致混凝土结构物开裂、性能劣化的主要因素之一。收缩裂缝在外界激励荷载作用下会加速扩展，进一步加速混凝土性能劣化，甚至导致结构失效。采用低水胶比、高胶凝材料制备的高强混凝土更易出现早期收缩开裂。虽然目前已有大量关于混凝土收缩性能的研究[10-13]，然而针对减振混凝土收缩性能的研究较少。我国交通基础设施建设不断加快，高速、重载、大流量交通特点明显，开展适于振动环境条件下混凝土收缩性能的研究具有重要意义。本文基于多孔集料的可吸附性与聚合物材料的高阻尼特征，采用不同的导入技术制备出减振集料并用于制备高强混凝土，研究减振集料分别对未掺和掺加膨胀剂的高强混凝土收缩性能影响，为长期处于振动环境条件下基础设施的混凝土设计与制备提供参考。

1 原材料与实验

1.1 原材料

水泥(C)：P.O42.5级水泥，表观密度3.15 g/cm3；粉煤灰(FA)：Ⅱ级灰，需水量比95%。水泥与粉煤灰的化学组成和物理性能见表1。膨胀剂：粉状UEA膨胀剂。

表1 原材料的化学组成和物理性能

Table 1 Chemical composition and physical properties of raw materials

LabelWt/%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Lossspecific-surfacearea/m2·kg-1Cement21.475.804.0459.643.242.082.44360FA45.3833.535.293.162.810.435.30380

普通集料：粒径5～25 mm，连续级配，含泥量为0.20%，压碎值为8.30%。细集料：河砂，细度模数2.80，Ⅱ区。

减振集料：采用常压或负压浸泡方式将聚合物乳液和水导入轻集料制备而成，轻集料基本性能见表2。减振集料制备方法为：(1) 常压条件下将轻集料放入水中浸泡30 min，表面沥干待用，用LW标识；(2) 将轻集料置于真空容器内抽真空至0.08 MPa，导入聚合物乳液并保持真空值不变10 min，表面沥干待用，用LP标识。

表2 轻集料的主要性能

聚合物乳液：苯丙乳液(P)，固含量49%，pH值为7～9。

1.2 实验测试方法

1.2.1 阻尼功能与强度测试

阻尼功能采用B&K 公司Pulse labshop测试分析系统，试件尺寸为10 cm×10 cm×40 cm，成型后标准条件养护至28 d龄期进行测试。试件用弹性尼龙绳悬挂在稳固基座上，采用力锤敲击激振，传感器固定与力锤激励位置在试件侧面中心位置，如图1所示。阻尼比(ζ)采用半功率带宽法计算[14]，计算公式为

ζ=(f1-f2)/(2×f0)

式中，f0为共振频率，Hz；f1和f2为共振峰值0.707倍对应频率，Hz。每个试样测试3次，结果取平均值。抗压强度依据GB/T50081-2002测试。

图1 阻尼测试示意图

图2 湿度测试试件

1.2.2 收缩测试

收缩实验采用10 cm×10 cm×30 cm试样，每组3个试件，1 d后拆模并在温度(20±2) ℃，相对湿度(60±5)%条件下养护，至规定龄期使用外径千分尺测定试件，精度0.01 mm。

1.2.3 内部湿度测试

使用带杆式探头湿度传感器测量混凝土内部湿度值，成型15 cm×15 cm×15 cm试件并预留测试孔，孔深8cm，如图2。在温度(20±2) ℃，相对湿度(60±5)%条件下养护，试件表面密封以防止水分蒸发。至规定龄期将湿度传感器插入混凝土预留孔中，待显示数据稳定后记录。

1.2.4 微观测试

将直径为5～10 mm减振集料、普通集料和水泥净浆按混凝土配合比例拌合并成型，24 h脱模后在标准条件下养护，至规定龄期后劈开试样，挑出水泥石与轻集料和普通集料粘结的试样并终止水化。采用SEM与MIP进行微观形貌和孔隙结构分析。

1.3 实验配合比

混凝土净水胶比0.31(不包含减振集料吸附水分)，减水剂掺量为胶凝材料总量1.0%，河砂690 kg/m3，未掺加减振集料的基准混凝土普通集料用量为1 050 kg/m3，减振集料按不同比例等体积取代普通集料，实验配合比如表3所示。

表3 混凝土实验配合比

2 实验结果与分析

2.1 减振集料种类对混凝土强度、阻尼及收缩性能的影响

掺入不同种类减振集料对混凝土强度、阻尼及收缩性能影响及其与同强度等级普通混凝土和聚合物改性混凝土的性能对比见图3所示。

由图3结果可知，与普通混凝土相比，掺入两种减振集料均可明显改善混凝土阻尼性能而不明显降低其抗压强度，其中LP减振集料对混凝土阻尼性能改善更明显；直接加入聚合物虽可显著提高混凝土阻尼性能但其强度降低明显；掺加减振集料与改性聚合物均可降低混凝土收缩，其中减振集料减缩效果更明显，减振集料LP比LW减缩效果稍好。

混凝土收缩主要由胶凝材料水化反应消耗体系水分以及混凝土内部毛细孔水分逸失形成的压力所致。在胶凝材料组成、净水胶比与养护条件相同时，混凝土宏观体积变形量主要取决于其内部毛细孔内水分变化。采用常压饱水与负压吸附聚合物乳液处理制备的减振集料，其内部吸附有大量水分，可发挥内养护作用，在水泥混凝土凝结硬化过程中可不断释放所吸附水分、减少混凝土内部毛细孔内水分逸失，从而降低由此引发的混凝土宏观体积变形。这一结论可由图4所示的相应混凝土内部相对湿度测试结果得到进一步证实。由图4所示结果可知，同龄期各组混凝土内部相对湿度大小依次为：掺LP减振集料混凝土(PDC1)>掺LW减振集料与聚合物改性混凝土(GDC)>掺LW减振集料混凝土(WDC)>普通集料混凝土(NC0)。

图3 集料种类对混凝土性能影响

Fig 3 Effect of different aggregate on properties of concrete

图4 集料种类对混凝土内部相对湿度影响

Fig 4 Effect of different aggregate on internal RH of concrete

2.2 减振集料掺量对混凝土收缩性能影响

图5为仅变化减振集料掺量对混凝土收缩性能的影响结果。由结果可知，减振集料掺量对混凝土收缩性能影响明显。减振集料掺量不超过45%时，增大其掺量可进一步降低混凝土的收缩，超出这一范围，增大减振集料掺量则会出现混凝土收缩增大的现象。这主要是因为普通集料结构致密、弹性模量高，对水泥石的收缩变形有限制作用；经处理的减振集料含有大量水分，可发挥内养护作用，降低水泥水化对毛细孔水的消耗，进而减小混凝土收缩。减振集料掺量越大，发挥内养护作用时间越长，混凝土的收缩就越小。然而，减振集料为多孔结构，其弹性模量低。在粗集料用量不变的条件下，增大减振集料会降低普通集料用量，削弱高弹性模量普通集料对混凝土收缩的限制作用，从而表现出当减振集料用量超出一定范围后继续增大掺量会导致混凝土收缩变大。

图5 减振集料掺量对混凝土收缩影响

Fig 5 Effect of dosage of damping aggregate on shrinkage of concrete

2.3 减振集料对掺加膨胀剂混凝土收缩性能影响

减振集料对掺加膨胀剂混凝土收缩性能影响结果如图6。由结果可知，掺加膨胀剂可使混凝土在早龄期产生一定膨胀变形，随着龄期延长其膨胀量逐渐降低；掺入减振集料对混凝土膨胀变形持续时间影响显著，基准普通混凝土早期产生一定膨胀后短期内便开始出现收缩现象，而掺加LP和LW减振集料混凝土膨胀变形持续时间显著延长且其收缩趋势明显降低。这是由于在水胶比相同的条件下，减振集料吸附的大量水分可为水泥和膨胀剂水化反应提供水分，同时降低对混凝土毛细孔中水分消耗，从而延长膨胀剂作用时间并降低混凝土收缩；这一效应与减振集料吸附水分相关，所以掺加膨胀剂混凝土收缩与其内部相对湿度表现出相同规律。

图6 减振集料对掺加膨胀剂混凝土收缩影响

Fig 6 Effect of damping aggregate on shrinkage of concrete with expansive agent

3 减振集料混凝土的微观性能

3.1 SEM

混凝土中集料与水泥石间的界面过渡区是影响其宏观性能的重要因素。普通集料为结构致密的亲水性材料，混凝土搅拌成型与凝结过程中易在普通集料表面形成水分富集区，导致普通集料与水泥石间界面过渡区水胶比增大、硬化结构疏松，如图7所示。减振集料的多孔结构具有吸附并存储液体能力，其对液体吸附量随时间延长而增加，可在混凝土成型与凝结过程中吸附周围的水分并在后期水化硬化过程中补给水化用水，使减振集料与水泥石间界面过渡区水胶比降低、硬化结构密实，如图8所示。

图7 与普通集料粘结水泥石界面SEM

Fig 7 SEM of cement paste bonded with normal aggregate

图8 与减振集料粘结水泥石界面SEM

Fig 8 SEM of cement paste bonded with damping aggregate

减振集料吸附有大量水或聚合物，可提高混凝土内部水含量，增大其阻尼功能[15]；吸附于多孔集料中的聚合物乳液可在水泥水化过程中失水成膜，如图9所示。聚合物本身为高阻尼材料，成膜于集料孔隙中的聚合物可在振动作用下通过其分子链段运动以及与多孔集料孔壁摩擦等方式耗散振动能，同时消除聚合物与水泥石大面积直接接触对混凝土强度的不利影响。此外，多孔减振集料表面粗糙且存在大量沟槽，可显著增加减振集料与水泥石的接触和摩擦面积，提高其强度与阻尼功能。因此，掺加减振集料可显著提高混凝土阻尼功能而不致其强度明显降低。

图9 减振集料孔隙内聚合物膜SEM

3.2 MIP

实验研究了减振集料对混凝土孔隙结构的影响，试件采用普通集料或减振集料与水泥净浆按比例拌合，编号为NM、WDM、PDM1和GDM，分别与NC0、WDC、PDC1和GDC混凝土对应。到28 d龄期，从距离集料表面5mm以内选取水泥石样进行孔结构分析并与减振集料(LWA)对比，结果见表4。

表4 孔结构实验结果

由表4结果可知，与普通集料试样NM相比，掺加减振集料试样的平均孔径和孔隙率均有所降低。这是由于减振集料的内养护作用可使水泥能更充分地水化，新生成的水化产物能填充水泥石中的毛细孔，降低大孔所占比例，增大小孔数量并减小平均孔径和孔隙率。

已有的研究表明[16]，吸附于多孔集料的水分可以通过传输降低水泥石收缩。依据毛细原理，溶液总是从大孔径向小孔径毛细孔转移。由表4结果可知，减振集料的平均孔径和孔隙率远大于水泥石。因此，在掺减振集料混凝土中，减振集料中水分可不断向水泥石的毛细孔中传输，补偿水泥凝结硬化过程中的水分消耗，有效延缓水泥石毛细孔中相对湿度的降低，减小毛细孔应力，宏观上表现为混凝土内部湿度的缓慢降低和收缩减小。采用负压处理的LP减振集料吸附水分大于常压浸泡处理LW减振集料，改性聚合物可均匀分散到水泥石中，提高混凝土密实性，降低水分向外界逸失，所以用聚合物改性并掺加LW减振集料混凝土的内部湿度介于仅掺加LP或LW减振集料混凝土之间。对于基准普通混凝土而言，由于在水泥水化硬化过程中缺乏有效的水分补给，不得不消耗水泥毛细孔中水分，表现出同龄期混凝土内部湿度快速降低和收缩增大。见图3(b)和图4所示结果。

4 结 论

(1) 掺入适量减振集料可显著提高混凝土的阻尼功能而不明显降低其强度，采用聚合物对混凝土进行改性虽可显著提高其阻尼功能但会明显降低其强度。

(2) 掺加减振集料可降低混凝土的收缩，提高混凝土内部相对湿度；在一定范围内，混凝土收缩随减振集料掺量增加而降低，超出这一范围，提高减振集料掺量增大混凝土收缩。

(3) 掺入减振集料可有效延长膨胀剂的膨胀作用时间，显著降低混凝土收缩并改善集料与水泥石界面粘结性能，降低水泥石的孔隙率。

[1] Mülker-Kaustell，Karoumi R. Application of the continuous wavelet transform on the free vibrations of a steel-concrete composite railway bridge [J]. Engineering Structures, 2011, 33(33): 911-919.

[2] Dilena M，Morassi A，Perin M. Dynamic identification of a reinforced concrete damaged bridge [J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2011, 25(8):2990-3009.

[3] Wen Jie, Wang Yuanfeng. The influence of damping change on dynamic response of concrete-filled steel tubular arch bridges [A].The proceedings of the 4th international conference on advances in steel structures[C]//Shanghai: Elsevier Science Ltd, 2005:1675-1680.

[4] Pan T，Melgar C，Robinson T. Damping capacity of styrene-butadiene latex admixed concrete: a micromechanical study [J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2012, 24(9):1237-1244.

[5] Wong W G, Ping Fang, Pan J K. Polymer effects on the vibration damping behavior of cement [J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2003, 15(6):554-556.

[6] Zheng L, Sharon Huo X, Yuan Y. Experimental investigation on dynamic properties of rubberized concrete [J]. Construction and Building Materials, 2008, 22(5):939-47.

[7] Jinping O, Tiejun L, Jilong L. Dynamic and seismic property experiments of high damping concrete and its frame models [J]. Journal of Wuhan University of Technology (Material Science), 2008, 23(1):1-6.

[8] Ou J P, Liu T J, Li J H. Analysis of the damping behavior and microstructure of cement matrix with silane-treated silica fume [J]. Journal of Wuhan University of technology(Material Science), 2006, 21(2):1-5.

[9] Xu L F, Xiao H L, Chung D D L. Improving the vibration damping capacity of cement [J]. Journal of Materials Science,1998, 33(14):3601-3605.

[10] Collepardi M，Borsoi A，Collepardi S. Effects of shrinkage reducing admixture in shrinkage compensating concrete under non-wet curing conditions [J]. Cement and Concrete Composites, 2005, 27(6): 704-708.

[11] Holt E. Contribution of mixture design to chemical and autogenous shrinkage of concrete at early ages [J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(3): 464-472.

[12] Ding Qingjun, Tian Yaogang, Hu Shuguang. Autogenous shrinkage of high strength lightweight aggregate concrete [J]. Journal of Wuhan University of Technology (Material Science), 2005(4): 123-125.

[13] Castro J，Keiser L，Golias M. Absorption and desorption properties of fine lightweight aggregate for application to internally cured concrete mixtures [J]. Cement and Concrete Composites, 2011, 33(10): 1001-1008.

[14] Papagiannopoulos G A，Hatzigeorgiou G D. On the use of the half-power bandwidth method to estimate damping in building structures [J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2011, 31 (7):1075-1079.

[15] Swamy N，Rigby G. Dynamic properties of hardened paste, mortar and concrete [J]. Materials and Structures, 1971, 4(1):13-40.

[16] Bentur A，Igarashi S I，Kovler K. Prevention of autogenous shrinkage in high-strength concrete by internal curing using wet lightweight aggregates [J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31 (11):1587-1591.

The effect of damping aggregate on the shrinkage of high strength concrete

TIAN Yaogang1，ZHU Lin2， WANG Shuaifei1, YANG Tingting3，JIA Kan1, LI Weiguang1

(1. School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064,China;2. School of Information Engineering, Chang’an University, Xi’an710064，China;3. School of Civil Engineering and Architecture, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Based on absorbability of porous lightweight aggregate, the damping aggregate was prepared by modified light aggregate with water and polymer emulsion under ordinary pressure and negative pressure. This paper studied the influence of damping aggregate on strength and damping capacity of concrete with equal volume replacement for coarse aggregate, and its effect on the internal RH and shrinkage of high strength concrete. The microstructure of concrete was analyzed by SEM and MIP. The results showed that the proper dosage of damping aggregate can significantly increase the damping capacity of concrete without obvious strength reduction, the damping aggregate can play the internal curing role to reduce the shrinkage of concrete，prolong the effect of expansive agent，and optimize the pore structure of cement paste.

damping aggregate; damping capacity; high strength concrete; shrinkage

1001-9731(2016)11-11013-05

国家自然科学基金资助项目(51208046)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(310831161013)；交通运输部建设科技资助项目(2013318J09230)；陕西省交通运输厅科研资助项目(2013610102000318)

2015-10-27

2015-12-28 通讯作者：田耀刚，E-mail: tianguang78@126.com

田耀刚 (1978-)，男，陕西富平人，副教授，工学博士，主要从事高性能水泥基复合材料研究工作。

U414

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.003