预处理细轻骨料对混凝土阻尼与耐久性的影响*

黄显龙，田耀刚，石帅锋，蒋 静，郝肖雨，齐 琳，贾 侃

(1.长安大学 材料科学与工程学院，西安 710064；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450046)

0 引 言

随着建筑物高层化和桥梁大跨度化的发展趋势，普通混凝土自重大的弊端已经显现，逐渐无法满足现代建筑的要求。同时楼层愈高、桥梁跨度愈大的混凝土结构在动荷载作用下也会产生更大的动力响应，使其内部原始微裂缝和缺陷迅速积累与扩展，严重影响结构物的安全性和耐久性[1]。阻尼是将系统的振动能量转换为其他形式能量的能力，它使系统在振动过程中自由振动幅值逐渐减小[2]。针对混凝土的阻尼能力较低的问题，国内外学者进行大量的研究发现，在混凝土中添加纤维[3]、橡胶颗粒[4]与聚合物乳液[5]均可有效改善其阻尼性能。但这些方法在改善混凝土阻尼性能的同时降低了其力学性能，并且对混凝土自重没有明显的降低作用。

轻骨料具有轻质高强、隔热、抗震等优点，可在保证混凝土强度的基础上减轻自重，因而也越来越多地作为一种增加楼层高度和桥梁跨度的手段[6]。轻骨料的种类以及预处理方式会显著影响轻骨料混凝土的性能。田耀刚等[2,7]研究了轻骨料类型对混凝土阻尼性能的影响发现，用页岩轻骨料制备混凝土的阻尼比低于用黏土轻骨料制备的混凝土，但具有更高的力学性能。Tao Ji[8]定量研究了不同程度预饱和水的轻骨料对轻骨料混凝土收缩性能的影响发现，对于相同的净水灰比和总水灰比，轻骨料混凝土的收缩会随轻骨料预饱和水程度的增加而减小。Cong Zhu等[9]研究了不同预饱和水轻骨料对轻骨料混凝土抗冻性能的影响，发现随着轻骨料预饱和水程度的增加，混凝土相对动弹性模量逐渐降低；并且当轻骨料加压预饱和水接近饱和时，会大大降低混凝土抗冻融性能。然而，目前对聚合物处理轻骨料混凝土耐久性的相关研究还较少。

鉴于此，本文对比研究了经过预饱和水、预饱和聚合物乳液和表面聚合物乳液包裹3种不同预处理的细轻骨料对混凝土阻尼性能、强度、收缩性能以及抗冻性能的影响，并利用SEM-EDS对3种预处理细轻骨料混凝土的微观结构进行了测试和分析。

1 实 验

1.1 原材料

水泥:P·O 42.5级水泥；粉煤灰：Ⅱ级灰；矿粉，上述3种材料主要化学组成和物理性能见表1。聚合物：苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液(苯丙乳液)，固含量为51%，pH值为8～9。减水剂:采用聚羧酸高效减水剂，减水率达 27.9%。

表1 水泥、粉煤灰和矿粉的主要化学组成和物理性能

粗骨料:5～25 mm连续级配，含泥量为0.20%，压碎值为8.30%。细骨料(NS)：河砂，细度模数2.60，II区，含泥量为0.8%。细轻骨料：试验使用黏土陶砂与页岩陶砂，主要性能指标见表2。

表2 页岩陶砂与黏土陶砂的主要性能

1.2 轻骨料预处理方法

轻骨料预处理方法主要有以下3种：

(1)预饱和水轻骨料(PW)：常温常压下，在水中浸泡黏土陶砂2 h，取出沥干至表面无明水。

(2)预饱和苯丙乳液轻骨料(PS)：常温常压下，在苯丙乳液中浸泡黏土陶砂2 h，取出后置于0.07 5 mm筛上20 min滤掉多余乳液，用无明水湿毛巾包裹擦拭，直至陶砂表面无多余苯丙乳液。

(3)表面苯丙乳液包裹轻骨料(ES)：将1/3陶砂质量的苯丙乳液加入页岩陶砂中，在120 ℃下不断搅拌，使页岩陶砂不易相互粘结且在陶砂表面形成均匀苯丙乳液薄膜，冷却至室温后将粘结陶砂轻捣分离以备用。

1.3 试验配合比及测试方法

1.3.1 试验配合比

为探究预处理细轻骨料对混凝土收缩性能的影响，采用剔除混凝土中粗骨料的水泥砂浆试件进行测试(配合比见表3)。前期试验结果显示，细轻骨料替代天然细骨料体积比在30%以内时，力学性能降低不明显，因此固定替代率为30%。

表3 砂浆与混凝土试验配合比

1.3.2 力学与耐久性试验

参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)、《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T603—2004)和《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》(GB/T50082—2009)中快速冻融法分别进行抗压与抗折强度试验、收缩试验和抗冻试验。

1.3.3 阻尼试验

本文采用悬臂梁冲击作用下的自由振动研究混凝土的阻尼比。将养护至规定龄期的试件一端进行固定，利用试验力锤对试件施加简谐振动荷载，并使用INV3062T型阻尼比测试分析系统对振动进行分析，测试简图如图1所示。采用半功率带宽法计算阻尼比，计算公式为：

图1 阻尼测试简图

式中，ξ为阻尼比，ω1和ω2为共振峰值0.707倍对应频率，Hz；ω0为共振频率，Hz。每个试件重复进行3次阻尼试验，结果取平均值。

1.3.4 微观测试

抗压试验完成后，选取大小合适的试样进行干燥喷金处理，采用日立S-4800 SEM观察试样微观形貌。切割PS混凝土制备15 mm×15 mm×15 mm试件并进行抛光和镀金处理，采用SEM能谱(EDS)分析技术对试样进行元素分析。

2 结果与讨论

2.1 不同预处理细轻骨料对混凝土阻尼的影响

3种预处理细轻骨料对混凝土阻尼性能的影响如图2所示。由图2可知，PW、PS和ES均可提高混凝土7和28 d的阻尼比，其效果表现为：PW

图2 不同预处理细轻骨料对混凝土阻尼的影响

2.2 不同预处理细轻骨料对混凝土强度的影响

3种预处理细轻骨料对混凝土强度的影响如图3所示。由图3可知，PW的掺入使混凝土强度略有降低，PS和ES的掺入则使强度略有提高。骨料与水泥石间的界面过渡区是影响混凝土力学性能的决定性因素之一[12]。天然骨料界面过渡区的水灰比通常高于基体，导致CH富集，而粉煤灰可与CH发生二次水化反应，提高界面过渡区强度[13]。PW中的水不仅具有内养护作用还有助于后期粉煤灰二次水化反应，进而改善轻骨料与水泥石间界面过渡区性能[13-14]，抵消轻骨料掺入带来的负面影响。PS与PW作用基本相似，且苯丙乳液可失水成膜附着在轻骨料的孔隙结构中，避免聚合物与水泥石基体直接、大面积接触，从而使混凝土强度没有明显下降[2,7]。苯丙乳液膜会降低水泥浆体与轻骨料之间的粘附力[11]，但未被膜覆盖的ES孔隙具有“吸返水”作用，抑制CH富集的同时可优化界面过渡区，使混凝土强度不会明显下降。

2.3 不同预处理细轻骨料对砂浆收缩的影响

3种预处理细轻骨料对砂浆收缩的影响如图4所示。由图4可知，PW、PS和ES的掺入均能够降低水泥砂浆的干缩率。不同预处理细轻骨料对降低砂浆收缩的效果表现为：ES

图4 不同预处理细轻骨料对砂浆收缩的影响

2.4 不同预处理细轻骨料对混凝土抗冻性能的影响

不同冻融循环次数下3种预处理细轻骨料混凝土的相对动弹模量和质量损失率如图5所示。由图5可知，掺入PW、PS和ES的混凝土经受冻融循环后，相对动弹模量均提高，质量损失率均降低。不同预处理细轻骨料抗冻性能的表现为：ES

图5 不同预处理细轻骨料对混凝土抗冻性能的影响

3 不同预处理轻骨料混凝土的微观性能

图6为不同预处理轻骨料混凝土养护至28 d后的SEM图。普通混凝土界面区具有较多的微裂纹和孔隙，轻骨料混凝土由于轻集料多孔特性使界面区组成与结构发生了明显变化。由图6(a)可知，PW通过水化产物与混凝土基体相连，看不到清晰边界，且存在大量孔隙的粗糙表面可增强与水泥石的机械啮合。提高放大倍率可发现界面过渡区结构比较致密。由图6(c)和(d)可知，ES与水泥石基体间边界较为清晰，界面过渡区存在较多聚合物，结构也比较致密。

由图6(e)可知，水泥浆体可能会进入PS开口孔隙中凝结硬化，形成约束层阻尼结构和机械啮合结构，如图7(b)和(d)所示。这可提高骨料与水泥石间的界面粘结面积与界面摩擦力，加剧能量耗散。水泥水化产物在PS孔隙内部扩散时可能无法到达孔隙深处而形成内部孔隙结构，如图7(d)所示。部分苯丙乳液可能会从开口孔隙中流出并与轻骨料表面的水泥浆体形成网络互穿结构，如图7(c)所示。孔隙内的苯丙乳液失水后会形成一层膜并附着在轻骨料孔隙的一侧，形成自由层阻尼结构，如图7(a)所示。这可以通过聚合物分子链段运动以及与轻骨料或水泥石摩擦等方式耗散振动能。由图6(f)可知，水化产物与苯丙乳液在界面过渡区相互穿插可形成互穿网状结构，覆盖基体表面的微裂纹和孔洞。

图6 不同预处理细轻骨料混凝土28 d的SEM图

为验证图7所示模型的准确性，对养护28 d的PS混凝土进行SEM-EDS测试，如图8所示。轻骨料、苯丙乳液与水泥石分别为富Si、C与Ca相。对比图8 SEM图与Ca元素分布图可知，水泥石和轻骨料两相之间存在明显的界面线并且轻骨料孔隙内有大量Ca元素分布。这表明水泥浆体可以扩散到轻骨料的开口孔隙中并将水泥基体与轻骨料连接起来。由图8 C元素分布图可知，C元素大量分布于PS孔隙中，少量散布于水泥石上，表明PS开口孔隙中的部分苯丙乳液会流至水泥浆体中形成互穿网络结构。水化产物会扩散到轻骨料开口孔隙中并与内部的聚合物相互穿插形成约束层阻尼结构与机械啮合结构。随着水泥水化进行，水泥石结构逐渐密实，水化产物不会继续向孔隙内部扩散，在轻骨料孔隙内部形成自由层阻尼结构与内部孔隙结构。

图7 预饱和苯丙乳液轻骨料作用机理

图8 预饱和苯丙乳液轻骨料混凝土28 d的SEM-EDS图

图9为轻骨料孔隙SEM图。图9(a)与(b)分别为PS前后轻骨料孔隙SEM图；图9(c)与(d)分别为ES前后孔隙SEM图。对比图9(a)与(b)可知，轻骨料孔隙壁上附着一层苯丙乳液薄膜，进一步证实了自由层阻尼结构的存在，同时也证明了PS的内养护作用。对比图9(c)与(d)可知，ES表面有一层苯丙乳液膜覆盖，但仍留有部分孔隙。图8与9所示的元素分布与微观结构验证了图7提出的减振模型准确性。

图9 轻骨料孔隙SEM图

4 结 论

(1)PW、PS与ES均可提高混凝土的阻尼性能并对强度无明显影响，其中ES对阻尼提升效果最为明显。PW与PS可发挥内养护作用，降低混凝土收缩，提高混凝土抗冻性能。

(2)微观测试结果表明，PW与PS中部分开口孔隙被水化产物填充，构成机械啮合结构，界面过渡区较模糊。ES与水泥石基体间有清晰的边界，界面过渡区存在较多聚合物，结构也比较致密。

(3)建立了PS减振模型并利用EDS对其进行验证。结果表明水化产物会扩散到PS开口孔隙中，可与聚合物膜形成约束层阻尼结构与网络互穿结构，但水化产物扩散深度有限，在PS孔隙内部则会形成自由层阻尼结构。