用环氧树脂预处理的陶粒制备轻质高强混凝土的试验研究

朱莉云 吴 智 蒋 涛 蒋 丰 赖 敏

（湖南工学院 材料科学与工程学院）

随着现代建筑高楼层化和大跨度化发展，普通混凝土因自重大，作为建筑材料使用时将受到限制。而在强度等级相同的条件下，轻质混凝土可以降低20%～40%的自重。混凝土只要减少自重，就可以减少钢筋混凝土的配筋率与工程造价[1]。因此轻质高强混凝土成为现代混凝土的发展趋势。而作为轻质高强混凝土的主要粗骨料——陶粒，因强度低、质脆、多孔、吸水率大、存在较多的裂纹，难以配制和易性好、强度高的轻质混凝土，限制了陶粒混凝土往高强度发展。目前，已有学者使用陶粒制备出LC60以上的轻质高强度混凝土，但主要依靠高掺量胶凝材料，利用浆体提升强度，陶粒主要起填充和降低表观密度的方式获得轻质高强目的[2]。这种高掺量粉体的方式不仅增加了成本，也增加了混凝土体积的不稳定性。也有文献[3-5]研究了陶粒的预处理方式，但都是基于低强度轻质陶粒混凝土来研究和探讨。本实验主要使用E51环氧树脂浸渍包裹陶粒，通过对陶粒进行预处理，修复陶粒多孔和多裂纹的缺陷，从根本上解决限制陶粒混凝土高强度发展的根源。

1 实验

1.1 试验材料

⑴水泥：湖南金山水泥有限公司生产的P.O42.5水泥，表观密度3000㎏/m3。

⑵矿物参合料：I级粉煤灰，表观密度2230㎏/m3；高品质硅灰，表观密度2200㎏/m3；S95级磨细矿渣粉，表观密度2900㎏/m3。物理性能均符合GB/T51003-2014《矿物掺合料应用技术规范》要求。

⑶细集料：页岩陶砂，表观密度1500㎏/m3，堆积密度580㎏/m3，细度模数3.0，二区中砂，细度适中，级配合理。

⑷粗集料：碎石型页岩陶粒，其相关物理性能见表1。

表1 陶粒物理性能

⑸减水剂：聚羧酸减水剂，市售，减水率：28%，固含量：40%，掺入量 0.2%～0.5%。

⑹环氧树脂体系：环氧树脂：E-51型环氧树脂；固化剂：三乙烯四胺固化剂；稀释剂：活性环氧树脂稀释剂D-669。树脂体系比例为：环氧树脂:固化剂:D-669=100:10:10。

1.2 实验方法

1.2.1 陶粒的处理

本实验的陶粒处理方法有以下几种：

⑴干陶粒（A1）：陶粒不做任何处理。

⑵环氧树脂浸渍陶粒（B1）：将干燥的陶粒浸渍到环氧树脂胶液中，缓慢搅拌5min，使树脂胶液能充分进入到陶粒内部孔隙，均匀包裹陶粒表面。然后将陶粒放到筛子上并手动摇筛，直到陶粒表面无明显挂浆为止；常温固化1d。环氧树脂包裹陶粒表面的树脂膜厚度平均为25μm。树脂包裹陶粒效果如图1和图2所示。

图1 未处理的干燥陶粒

图2 环氧树脂包裹的陶粒

⑶环氧树脂包裹的陶粒表面粗糙度处理（C1）：将已固化的环氧树脂/陶粒与5～6mm卵石一起放入振筛机，振动30min，提高陶粒的表面粗糙度。

1.2.2 实验方案

本试验将配制强度等级为C60的轻质高强陶粒混凝土。参考JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》和JGJ/T281-2012《高强混凝土应用技术规程》，并结合实验和经验确定胶凝材料用量530㎏/m3，水胶比0.28，砂率38%，最终得到配合比如表2。

表2 LC60轻质高强混凝土基准配合比 （㎏/m3）

按配合比称取用量后，依次将矿物掺合料和水泥、陶砂搅拌均匀后，加水和减水剂继续搅拌均匀，最后加入陶粒，搅拌完成后注模成型，在标准条件下养护至规定龄期。

2 结果与讨论

2.1 表面处理对陶粒性能的影响

陶粒孔隙和裂纹多，吸水率较大，会降低混凝土拌合物的流动性，从而影响其工作性能。同时，粗骨料裂纹多，强度就会低，而轻骨料的强度决定着混凝土的力学性能，也是保证混凝土耐久性的前提。

环氧树脂强度高，收缩率小，与各种材料的粘接能力强，且固化后的环氧树脂耐酸碱、耐溶剂，非常适合用于修复陶粒孔隙和裂纹，以提高陶粒的强度。但环氧树脂粘度较大，常温下难以浸渍到陶粒孔隙内部。本实验在环氧树脂中加入10%活性稀释剂D-669，降低粘度，以提高树脂的流动性。低粘度的环氧树脂胶液可以很好地填充到陶粒内部孔隙和裂纹，并在陶粒的表面包裹一层树脂，达到修复内部缺陷和表面防水的目的。

2.1.1 表面处理对陶粒吸水性能的影响

根据GB/T 17431.2-2010《轻集料及其试验方法》，对陶粒进行吸水率测试。将陶粒倒进盛水的容器内，如果有陶粒漂浮在水上，应压入水中，分别浸泡1h、24h后取出，用拧干的湿毛巾将陶粒擦拭至饱和面干的状态，称重后计算吸水率。不同表面处理方式对陶粒吸水率的影响结果如表3所示。

表3 不同处理方式的陶粒吸水率 （%）

从表3可以得知，在相应的1h和24h浸泡时间，经过环氧树脂浸渍处理的陶粒B1和C1，其吸水率均比未做任何处理的干陶粒低得多，其中，B1陶粒的吸水率最低，1h和24h吸水率分别仅为1.4%和1.8%。经过表面粗糙度处理的环氧树脂/陶粒C1，吸水率比B1陶粒要稍大些。主要原因是在摇筛打磨时，少量表面的树脂层被破坏，水分进入陶粒内部，增大了吸水率。但是1h和24h的吸水率依然是很低的。因此可以得出，陶粒表面包裹的环氧树脂，可以阻断水分进入陶粒内部的通道，降低了陶粒的吸水率。

2.1.2 表面处理对陶粒筒压强度的影响

根据GB/T 17431.2-2010《轻集料及其试验方法》对陶粒进行筒压强度测试。筛取10～20mm公称粒级陶粒（其中10～15mm公称粒级的陶粒体积含量占60%）按标准要求装入承压筒中，把承压筒放到压力机板上，以400N/s的速度匀速施加载荷，当冲压模压入深度为20mm时，记下压力值并计算筒压强度。不同表面处理方式对陶粒筒压强度的影响结果如表4所示。

从表4可知，经过B1和C1方式处理的陶粒，比未处理的陶粒，其筒压强度提高较为明显。环氧树脂自身的粘接能力和强度，可以作为一种修复材料，填充陶粒内部孔隙，包裹陶粒表面，以提高陶粒的强度。其中B1陶粒的筒压强度提高效果最好，比未处理的陶粒提高了23.9%。而C1陶粒比B1陶粒筒压强度低些，其原因依然可能是在摇筛打磨时，部分陶粒表面树脂层被破坏，减弱了其修复能力。

表4 不同处理方式的陶粒筒压强度 （MPa）

2.2 陶粒表面处理对混凝土工作性能的影响

工作性能良好的混凝土拌合物，易于施工，能获得质量均匀、成型密实的浇筑构件。拌合物的工作性包括流动性、粘聚性、保水性。不同表面处理方式的陶粒制备的混凝土拌合物工作性能见表5。

表5 不同处理方式的陶粒混凝土拌合物的工作性能

通过试验发现：相同配合比条件下，未经处理的陶粒制备的混凝土，坍落度为120mm，工作性能较好；环氧树脂浸渍的B1陶粒表面光滑，砂浆包裹不住陶粒，虽然拌合物流动性好，坍落度达到195mm，但是稳定性差，易产生离析，骨料与浆体分离，粘聚性不好。经表面粗糙度处理的C1陶粒制备的混凝土拌合物，工作性能最好。因为陶粒表面缺陷少，在拌合物中易于流动，同时表面的粗糙度，使其能与砂浆更好的包裹，砂浆能带动骨料一起流动。

2.3 陶粒混凝土抗压强度的影响

由表6和图3可知，养护时间为3d和7d龄期时，B1陶粒制备的混凝土强度与未处理的A1陶粒混凝土相比，强度值变化不大。早期强度主要由硬化的水泥石决定，因此强度差距不明显。而28d龄期的混凝土强度主要由良好的砂浆与粗骨料界面、粗骨料强度提供。B1陶粒表面光滑，与砂浆的粘接强度低，骨料-水泥石界面将会是其最薄弱的环节。当粗骨料本身强度不是很高时，在压力作用下，界面薄弱区的裂纹将很快穿越粗骨料，导致强度降低。因此B1陶粒比未处理的陶粒制备的混凝土，强度降低了13.5%。而对B1陶粒表面增加粗糙度处理得到的C1陶粒，其制备的混凝土强度提高明显。3d、7d、28d抗压强度分别比未处理的陶粒混凝土提高了12.3%、19.5%、19.3%。环氧树脂能够修复陶粒的多孔和裂纹的缺陷，提高陶粒本身的强度；同时对树脂包裹的陶粒表面打磨，提高其表面粗糙度，从而增加陶粒和砂浆的物理机械咬合力；并且陶粒的树脂表面层也可以阻止界面裂纹的进一步扩展。因此经过环氧树脂浸渍包裹，并进行表面粗糙度处理的陶粒能够明显提高混凝土的抗压强度。

表6 不同处理方式的陶粒混凝土抗压强度 （MPa）

图3 陶粒不同处理方式对陶粒混凝土抗压强度的影响

图4 和图5分别为A1和C1陶粒制备的混凝土试块在28d龄期后，受压时的破坏形态。从图中可以明显看出，A1陶粒混凝土受压后，试块直接形成断裂面，从断面上可以看出，破坏形式主要是粗骨料陶粒断裂。此时骨料的强度直接决定了其混凝土强度。而C1陶粒制备的混凝土，没有明显的断面，只有明显的砂浆裂纹扩展，用外力掰开试块破碎处，发现试块内部的陶粒几乎没有断裂。由此说明，C1陶粒混凝土试块的骨料强度是高于水泥石强度的，这对配制高强度混凝土是非常有意义的。

图4 A1陶粒混凝土试件抗压破坏形态

图5 C1陶粒混凝土试件抗压破坏形态

3 结论

陶粒孔隙和裂纹多，自身强度低，作为粗骨料制备轻质高强混凝土时，会因为陶粒骨料的强度低于水泥石的强度，混凝土受压时，裂纹扩展会穿越粗骨料，首先产生骨料破坏。因此骨料强度是陶粒混凝土强度的决定因素。本试验主要用低粘度的环氧树脂浸渍包裹陶粒，并对固化后的环氧树脂/陶粒表面进行增加粗糙度处理，得出以下结论：

⑴陶粒经过E-51环氧树脂浸渍处理后，吸水率降低，筒压强度有所提高。其中B1处理方式的陶粒，1h吸水率1.4%，24h吸水率1.8%；筒压强度比未处理的陶粒提高了23.9%。C1处理方式的陶粒，1h吸水率1.8%，24h吸水率2.4%；筒压强度比未处理的陶粒提高了19.6%。说明环氧树脂修复陶粒的处理方式是可行的。

⑵环氧树脂浸渍处理的陶粒表面光滑，与砂浆的粘结力小，混凝土拌合物流动性大，但是易导致砂浆和陶粒分离，影响拌合物的工作性能。而提高环氧树脂/陶粒表面的粗糙度后，与砂浆的粘结力大，砂浆能带动骨料一起流动，不易分层离析。因此，经过C1处理的混凝土拌合物工作性能最好。

⑶C1陶粒作为粗骨料能提高混凝土的强度，3d、7d、28d 抗压强度分别提高了 12.3%、19.5%、19.3%。而B1处理的陶粒，表面光滑，与砂浆的粘结强度低，界面成为最薄弱的环节，28d龄期的抗压强度反而比未处理的陶粒混凝土强度低。