孔隙特征对机制砂自密实轻骨料混凝土强度的影响规律

张淑云， 陈秘， 周杰， 王恩， 杨旭龙

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院， 西安 710054; 2.中电建生态环境集团有限公司， 宝安 518102)

混凝土是工程建设中运用最为广泛的建筑材料，砂是制备混凝土的必须原材料之一。在工程建设日趋庞大，天然砂资源日趋匮乏的今天，机制砂越来越多地被用到混凝土中[1]。蒋正武等[2]研究表明，可以采用机制砂配制出力学性能及工作性能满足要求的机制砂自密实混凝土，且配合比参数与采用河砂有明显差异。周聪聪等[3]研究了机制砂自密实混凝土工作性能的影响因素。洪靖等[4]研究了机制砂高强自密实混凝土的长期力学性能。季锡贤等[5]研究了C50机制砂自密实混凝土的配合比设计关键技术、浇筑施工、养护要点。现有研究主要还停留在机制砂自密实混凝土的配合比设计、工作性能以及宏观力学性能研究方面。

自密实轻骨料混凝土(self-compacting light-aggregate concrete, SCLC)是在自密实混凝土(self-compacting concrete, SCC)的基础上，用轻骨料替代普通碎石骨料得到的一种高性能混凝土，它兼具二者的优势，无需振捣即可以自动成型，可以降低噪声对环境的污染，有效减轻结构自重，降低建筑物的震害，具有较好的保温隔热性能、抗冻性能及耐久性能[6]。目前已有许多学者对自密实轻骨料混凝土的各项性能做了相关研究，董建苗等[7]对SCLC的配合比设计进行了研究；王玉梅等[8]对SCLC的工作性能及力学性能进行了研究。已有研究主要集中在SCLC宏观性能的研究方面。

在SCLC的基础上，采用机制砂(manufactured sand,MS)作为细骨料制备出机制砂自密实轻骨料混凝土(MS-SCLC)，测量其养护时间为3、7、14、28 d的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度，利用核磁共振测量其微观孔隙特征，研究了MS-SCLC力学性能与养护龄期之间的关系，以及微观孔隙特征与其力学性能之间的关系。

1 原材料及试验方法

1.1 试验材料及配合比

水泥：采用海螺牌水泥厂的表观密度为3 000 kg/m3的P·O42.5水泥，各项指标均符合GB 175—2007/XG1—2009《通用硅酸盐水泥》中的相关规定。

粉煤灰：采用黑龙江省双达粉煤灰厂生产的Ⅰ级粉煤灰，各项指标均符合《用于水泥及混凝土中的粉煤灰》GB 1596—2005的规定。

硅灰：采用大连瑞安建筑材料有限公司生产的高活性硅灰。

机制砂：采用产自陕西汉中的机制砂，该砂表观密度为2 728 kg/m3；堆积密度为1 585 kg/m3，石粉(粒径小于0.075 mm颗粒)含量为3.6%，细度模数为2.92，压碎指标为8.3%，亚甲蓝值为4.4 g/kg，颗粒级配如表1所示。

表1 机制砂筛分结果Table 1 Screening results of manufactured sand

轻骨料：轻骨料采用产自中国宜昌的700级高强膨胀页岩陶粒，颗粒大小为5～16 mm的连续级配，表观密度为700 kg/m3，堆积密度为1 180 kg/m3，筒压强度为5.5 MPa，24 h吸水率为4.13%，颗粒级配如表2所示。

表2 轻骨料筛分结果Table 2 Screening results of light aggregate

本文中在设计机制砂自密实轻骨料混凝土配合比时参考《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ 51—2002)、《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T 283—2012和《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)，考虑轻骨料吸水返水特性和机制砂高性能混凝土配制的特点，采用固定砂石体积法和改进的全计算方法统一结合的方法[9]，设计了三种强度等级的机制砂自密实轻骨料混凝土(MS-SCLC30、MS-SCLC40、MS-SCLC50)。三个强度的配合比砂用量系数均为0.41，轻骨料用量系数均为0.52，水胶比分别为0.42、0.37、0.3。具体配合比如表3所示。

表3 不同强度机制砂自密实轻骨料混凝土配合比Table 3 Mix ratio of self-compacting lightweight aggregate concrete with manufactured sand of different strength

1.2 试验方法

本文中制作100 mm×100 mm×100 mm的机制砂自密实轻骨料混凝土立方体试块，在模具中养护48 h后脱模，紧接着在温度为(20±2) ℃，相对湿度95%以上的环境下养护至规定龄期，分别测定其养护时间为3、7、14、28 d的立方体抗压强度，劈裂抗拉强度。通过钻芯取样从养护时间为3、7、14、28 d的机制砂自密实轻骨料混凝土立方体试块中心取直径50 mm、高度100 mm的圆柱体试样，经过4 h真空及24 h饱水处理后，利用核磁共振技术测定其内部的孔隙特征。

2 试验结果及分析

2.1 抗压强度

图1为MS-SCLC立方体试件劈裂抗拉试验破坏形态，图2为MS-SCLC立方体试件抗压试验破坏形态。从图1可以看到，MS-SCLC劈裂破坏的裂缝不同于采用碎石骨料的混凝土，采用碎石作为骨料的混凝土劈裂破坏的裂缝通常有明显的锯齿形，而MS-SCLC的裂缝基本为一条沿着中轴线的直线，并没有明显的锯齿状。从图2可以看到，MS-SCLC受压破坏的破坏形式也与采用碎石骨料的混凝土有所不同。对于采用碎石骨料的混凝土，由于碎石本身的弹性模量与强度较高，相对来说，过渡界面与砂浆部分成为混凝土中较为薄弱的部分，在受压时碎石不会破坏，所有的破坏都来自砂浆区域与过渡界面；而在MS-SCLC中，轻骨料本身的强度是低于砂浆部分的，因此在受压破坏时，骨料较砂浆部分更为薄弱，在受力过程中，骨料会先遭到破坏，这也是图1中劈裂试验时试件产生的裂缝几乎为直线的原因。综合上述分析，MS-SCLC的强度主要取决于砂浆部分的强度。

图1 劈裂抗拉破坏形态Fig.1 Splitting tensile failure mode

图2 立方体抗压破坏形态Fig.2 Cube compressive failure mode

图3为不同强度MS-SCLC立方体抗压强度和抗拉强度随龄期的变化图。由图3(a)可以看到，各强度MS-SCLC立方体抗压强度随龄期的变化规律大致相同，但在不同强度之间，各个养护时间段，仍存在细微差别。随着养护时间的增长，各强度MS-SCLC的立方体抗压强度增长速率均有所减小，但减小的幅度不相同，MS-SCLC30>MS-SCLC40>MS-SCLC50，这一规律在养护时间为14 ～28 d时表现尤为明显。造成这种情况的原因，是混凝土养护7 d之前，其内部的水化反应剧烈，随着养护时间的增长，混凝土中所剩余的胶凝材料在不断减少，水化反应程度相对减弱，因此强度上升速率变得缓慢，从配合比可以看出，MS-SCLC50到MS-SCLC30胶凝材料的量本身是减少的，因此，随着养护龄期的增加，MS-SCLC30强度上升速率减小幅度最大，MS-SCLC40次之，MS-SCLC50下降最少。从图3(b)可以看到，MS-SCLC劈裂抗拉强度的上升速率也随着养护龄期的增长而减小，规律同立方体抗压强度变化规律相同。

图3 各龄期机制砂自密实轻骨料混凝土劈裂强度Fig.3 Strength of MS-SCLC at various ages

2.2 孔隙度

本文中采用核磁共振技术测量了各强度MS-SCLC在不同养护龄期时的孔隙结构，不同强度的MS-SCLC在养护时间为3、7、14、28 d时的孔隙度如表4所示。由表4可以看出，无论是哪个强度的MS-SCLC，随着养护龄期的增长，其孔隙度都是减小的，这是由于随着养护龄期的增长，胶凝材料的水化反应加剧，所形成水化产物的量增多，这些产物将会填充混凝土中的原有孔隙，使的孔隙度下降。养护时间相同时，强度越高孔隙度越小，分析其原因，是由于随着强度升高，水灰比减小，胶凝材料用量增加，胶凝材料水化得到的产物较多，MS-SCLC中被填充的孔隙也就更多，因此造成强度越高，MS-SCLC的孔隙度越小的现象。

表4 各龄期下不同强度机制砂自密实轻骨料混凝土孔隙度Table 4 Porosity of MS-SCLC of different strengths at different ages

在混凝土横向弛豫时间谱(T2谱)中，存在一个界限值，即T2截止，当T2>T2截止时，对应孔隙中的水为自由流体，当T2

图4 各龄期下不同强度机制砂自密实轻骨料混凝土流体饱和度Fig.4 Fluid saturation of MS-SCLC of different strengths at various ages

2.3 T2谱

核磁共振测试技术测量的是试件中流体的核磁共振信号，采用CPMG[10]序列测定混凝土横向弛豫时间T2，由横向弛豫时间的分布可以得到混凝土内部孔隙的特征。在多孔结构中，孔径越大，孔中水的弛豫时间越长，孔径越小，弛豫时间越短，并且峰面积也与所对应的孔隙的多少有关[11]。图5为不同强度MS-SCLC在养护时间为3、7、14、28 d时的弛豫时间分布曲线(T2谱)。

图5 各龄期下不同强度机制砂自密实轻骨料混凝土T2谱分布曲线Fig.5 NMR T2 spectrum distribution curve of MS-SCLC at different ages

由T2谱可以看出，所有的曲线均有四个峰，均为第一特征峰的信号幅值最大，说明机制砂自密实轻骨料混凝土的内部孔隙主要以小孔隙为主。MS-SCLC30、MS-SCLC40、MS-SCLC50养护时间为3 d时的弛豫时间范围分别为0.344 896～4 659.526 ms、0.344 896～7 575.25 ms、0.197 917～4 055.461 ms，养护时间为28 d时的弛豫时间分别为0.184 642～1 431.459 ms、0.243 744～4 347.013 ms、0.160 705～1 762.914 ms，由此可以看出，随着养护时间的增长，MS-SCLC的T2曲线向左偏移，随着养护龄期的增加，T2曲线的4个特峰中，第一特征峰的变化幅度最大，说明，在养护的过程中小孔隙的变化量最大。对比3 d和28 d的曲线，可以看出随龄期的增长，各孔径的孔隙都在减少，且孔径越小，减少幅度越大，但最终试件中的孔隙还是以小孔隙为主。

2.4 孔径分布

由混凝土的横向弛豫时间分布，可以得到其内部孔隙的孔径分布，公式为

(1)

式(1)中：S为孔隙表面积，cm2；V为孔隙体积，cm3；ρ2为横向表面弛豫强度，μm/s，因样品不同而有不同的取值，根据文献[12]混凝土的ρ2取值为3～10 μm/s，本文中取ρ2=5 μm/s[13]，孔隙近似于球体，因此，S/V=3/r，r为孔隙半径。由此得到孔径分布曲线如图6所示。

图6 各龄期下不同强度机制砂自密实轻骨料混凝土孔隙半径分布曲线Fig.6 Distribution curve of pore radius of MS-SCLC with different strengths at different ages

从图6可以看出，各强度MS-SCLC在不同养护时间时的孔径分布图均为第一特征峰高度最高，面积最大，依次向右面积越来越小。说明无论在哪个养护龄期，内部孔隙都是以小孔隙为主，同T2谱得到的规律一致，且孔径越大，占比越少。对比不同龄期机制砂自密实轻骨料混凝土孔径分布曲线，可以看到，曲线第一峰的大小随龄期的增长呈先减小后增大的趋势，说明混凝土中小孔隙的占比随龄期先减少后增多，说明在养护过程中，混凝土中先是小孔隙向中大孔隙转化，后随着龄期的增长，再由中大孔隙向小孔隙转化，使得混凝土密实度越来越好，强度越来越高。

混凝土中出现概率最大的孔径称为最可几孔径，最可几孔径出现的位置对混凝土强度及耐久性都有一定影响，各强度MS-SCLC在不同养护龄期时的最可几孔径如表5所示。从表中可以看出，最可几孔的尺寸随着强度的升高而减小，随着养护龄期的增长，最可几孔尺寸呈波动趋势，对比3 d与28 d的最可几孔尺寸，可以看到随着龄期的增长，最可几孔的尺寸整体上呈减小趋势。最可几孔径的减小，会使得混凝土的强度有所提升，这里得到的结论与前文T2谱与孔径分布曲线得到的结论相一致。

表5 各强度机制砂自密实轻骨料混凝土不同龄期时的最可几孔尺寸Table 5 The most probable hole size of MS-SCLC of different strengths at different ages

3 抗压强度与孔隙特征之间的关系

3.1 机制砂自密实轻骨料混凝土孔级分布

根据吴中伟[14]院士对孔隙级别的划分，孔隙半径小于0.02 μm的为无害孔，孔隙半径在0.02～0.05 μm的为少害孔，孔隙半径在0.05～0.2 μm的为有害孔，孔隙半径大于0.2 μm的为多害孔。MS-SCLC的各类孔径占比如图7所示。

图7 各龄期下不同强度机制砂自密实轻骨料混凝土的孔径类型分布Fig.7 Pore size distribution of MS-SCLC with different strengths at different ages

从图7中可以看出，所有混凝土孔隙中，占比最大的是无害孔，多害孔次之，少害孔和有害孔含量较少且相差不大。随着养护龄期的增长，无害孔的占比呈先减小后增加的趋势，从3 d到28 d，MS-SCLC30无害孔占比增加了13.39%，MS-SCLC40无害孔占比增加了7.64%，MS-SCLC50无害孔占比增加了1.58%。多害孔的占比呈先增大后减小的趋势，从3 d到28 d，MS-SCLC30多害孔占比降低了18.81%，MS-SCLC40多害孔占比降低了5.11%，MS-SCLC50多害孔占比降低了2.09%。对比下来，可以看出MS-SCLC50孔级分布相对较好，MS-SCLC30孔级分布相对最差，对混凝土性能影响较大的孔级为有害孔与多害孔级，占比越大对混凝土性能越不利。

3.2 28 d抗压强度与各影响因素的灰熵关联分析

灰色系统理论由邓聚龙[15]教授提出，是在小样本、贫信息的条件下，在随机的因素序列中找到其中关联性的一种分析方法。已有学者的研究证明了此方法的有效性[16]。本文中取机制砂自密实轻骨料混凝土28 d抗压强度为参考列，各级孔占比、自由流体饱和度、束缚流体饱和度以及孔隙度为比较列，采用灰关联熵的分析方法[17]对比各孔隙特征参数对机制砂自密实轻骨料混凝土抗压强度的影响。表6为各强度影响因素与28 d抗压强度值，灰关联熵计算结果如表7所示，可以看出，所取各影响因素对机制砂自密实轻骨料混凝土强度的影响都很大，灰熵关联度均大于0.9。相比之下，与28 d抗压强度关联度最大的是有害孔占比，并不是占比最多的无害孔，也不是孔径最大的多害孔；关联度最小的是孔隙度，束缚流体饱和度与自由流体饱和度与28 d抗压强度之间的关联度相近。

表6 各影响因素与28 d抗压强度Table 6 Influencing factors and 28 days compressive strength

表7 机制砂自密实轻骨料混凝土各序列关联度Table 7 Correlation degree of each sequence of MS-SCLC

4 结论

(1)MS-SCLC受力时的破坏形态与普通自密实混凝土大不相同，MS-SCLC受力时，首先遭到破坏的是骨料，其次是砂浆部分，因此MS-SCLC的强度主要取决于砂浆部分的强度。不同强度的MS-SCLC在养护过程中，强度发展规律略有不同，大体上都是随着养护时间的增加，强度发展速率逐渐减小，但对比不同强度的MS-SCLC，可以看出随强度的升高，14 d之前的强度发展速率相对更小，14～28 d的强度发展速率相对更大。

(2)随着养护龄期的增长，MS-SCLC中束缚流体饱和度与自由流体饱和度大小成上下波动的变化形式，但自由流体饱和度始终小于束缚流体饱和度，说明MS-SCLC中的孔隙主要以小孔隙为主。

(3)通过T2谱和孔径分布曲线可以看出，随养护龄期的增长，各孔径的孔隙含量都在减小，且第一特征峰的变化幅度最大，说明孔隙总体含量随龄期增长而减小，且小孔隙的含量减少最多。从孔级分布来看，MS-SCLC中无害孔的占比最多，其次为多害孔，少害孔与有害孔的含量相差不大。随龄期增长，无害孔占比增大，混凝土强度增大。

(4)与MS-SCLC 28 d抗压强度关联最大的因素是有害孔的占比，之后依次是无害孔占比，束缚流体饱和度、自由流体饱和度、多害孔占比、少害孔占比以及孔隙度。无害孔占比越大，有害孔占比越小，强度越高；束缚流体饱和度越大，自由流体饱和度越小，强度越高。内部孔隙结构对MS-SCLS强度有着非常大的影响，在进行MS-SCLC配合比设计时，应多考虑对孔径分布影响大的因素，尽量使孔径分布趋于更优。