外掺膨润土对混凝土抗压强度的影响

刘 睿，陈志宽，叶 晖，邓 苗

(中国人民解放军95979部队教研部，山东 泰安 271207)

1 引言

据研究表明，在混凝土中掺加天然矿物或纤维材料等辅助材料具有不可替代的作用[1, 2]。如将适量且一定细度的天然火山灰掺入混凝土中，对提高混凝土结构的致密性以及抵抗有害物质，如氯离子扩散有较好的效果[3～6]。膨润土是一种天然的火山灰，主要由蒙脱土组成。根据阳离子种类组成不同，可分为钠基膨润土和钙基膨润土。已有研究表明：用钠基膨润土代替水泥的效果比钙基膨润土好[7～9]。我国膨润土资源蕴藏非常丰富，使用膨润土替代部分水泥将有助于减少温室气体排放[10～12]。因此，有必要研究掺膨润土后混凝土试件的基本力学性能，以期为工程实践应用提供科学依据。

已有学者开展了外掺膨润土对砂浆和混凝土性能的影响研究。结果表明，膨润土可以改善胶凝材料的孔隙结构，从而提高结构的耐久性[13, 14]。此外，还有学者研究了膨润土砂的浆抗硫酸侵蚀性能[15]。蒋林华等[16]探究了水胶比与不同膨润土掺量对水泥砂浆弹性模量的影响。MEMON等[17]对混凝土中膨润土的掺量进行了研究，结果表明以膨润土部分代替水泥为建筑材料的方法可行，但并未建议最优掺量。MIRZA等[18]建议了膨润土掺入量应控制在25%以下，以保证混凝土的强度。KACI等[19]还研究了膨润土对新拌砂浆的影响。试验结果表明，膨润土可有效改善新拌砂浆的微观结构。上述研究多围绕掺膨润土的抗渗性能研究，由于混凝土组成材料的离散性，不同强度或使用要求下，膨润土的最佳掺量将有所区别，针对掺膨润土的混凝土抗压性能和最优掺量仍需进一步研究。

本文旨在评价膨润土部分替代水泥的可行性。首先，介绍了材料基本参数和试件制备方法。在此基础上，开展了相关试验并进行了讨论，分析了膨润土掺量和水灰比2个因素对混凝土抗压强度的影响，最后从微观角度揭示了膨润土对混凝土水化反应的影响。本研究可为膨润土在混凝土结构中的应用提供参考。

2 试验设计

2.1 材料

本文采用长沙新星水泥厂生产的P·O 32.5普通硅酸盐水泥，细骨料为天然河砂，细度模量为2.3；粗骨料采用天然石灰石，最大粒径为19mm，密度为2680 kg/m3；采用萘系减水剂，减水率为20%；混凝土试件强度按C30设计。本试验采用钠基膨润土作为水泥替代材料。试验所用的钠基膨润土从南京蓝科环保净水材料厂获得，样品通过200目筛网筛分。膨润土的化学成分组成如表1所示。

表1 膨润土的成分

2.2 试件制备

本试验使用2种不同水灰比(即W/C=0.36或0.55)分别制备了5组不同的立方体混凝土试件，每组3个试件，共30个试件。试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，如图1所示。试件编号为LN-BX。其中，LN(N取值为1或2)分别表示水灰比为0.36或0.55，BX表示已被膨润土取代的水泥量，以百分比表示。如L1B5表示该试件的水灰比为0.55，膨润土替代水泥的质量比为5%。混凝土抗压强度试件配合比如表2所示。所有混凝土试件均保存于养护箱中，养护环境实验室温度21±1 ℃，相对湿度95%，养护至试验日。分别在第7、14、28 d后对混凝土立方体进行抗压强度试验。

图1 标准养护条件下的试件

表2 抗压强度试验混凝土试件配合比

3 结果与讨论

3.1 混凝土抗压试验现象

图2为试件抗压试验破坏时的照片。10组试件在加载过程中的破坏规律相似，由于液压机的压板与混凝土试件受压面形成了摩擦，因此试件破坏有较明显的“环箍效应”。由于混凝土是脆性材料，在试件受压过程中伴有响声出现，当达到极限强度破坏时，响声较明显。

图2 抗压试验试件破坏

3.2 混凝土抗压强度与龄期的关系

混凝土立方体抗压强度依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)进行测定[20]。图3为各试件在不同龄期下的抗压强度分布。由图3可知，随养护时间增长，混凝土试件抗压强度不断增加。当水灰比一定时，对于任意掺量膨润土的混凝土试件，每组混凝土试件的抗压强度随龄期增长而增加。以L1B5组试件为例，其在7 d的抗压强度为23.06 MPa，而在14 d与28 d的抗压强度分别为28.3 MPa与30.5 MPa，对比增长了22.7%与32.3%。此外，在养护龄期至14 d后，各组试件的抗压强度随养护时间增加呈现增速缓慢的现象，这主要是由于混凝土的水化反应在此阶段已处于基本完成状态。

图3 不同水灰比与不同龄期下试件的抗压强度

3.3 混凝土抗压强度与膨润土掺量关系

图4给出了不同W/C和养护龄期下，试件抗压强度随膨润土取代量变化的关系曲线。由图4可知，当W/C为0.36时，除L1B15试件在7d龄期时的抗压强度略高于未掺膨润土的标准试件(L1B0)外，其他试件(即L1B5、L1B10与L1B20)在各养护龄期时的抗压强度均低于标准试件L1B0(图4(a))。此外，当W/C为0.55时，各组掺有膨润土的试件(即L2B5、L2B10、L2B15与L2B20)在各养护龄期时测得的抗压强度均低于标准试件L2B0(图4(b))。出现上述现象主要为：膨润土等量取代了混凝土中部分水泥，导致参与水化反应的水泥量减少，水化过程中生成的水化产物C-S-H凝胶(即水化硅酸钙)的含量相应减小。水化产物C-S-H凝胶是粘结混凝土中粗细骨料主要物质，因此掺有膨润土的试件内部骨料粘结度与标准混凝土试件相比要低，导致其抗压强度降低。另一方面，对于28 d龄期试件，随膨润土掺量增加，试件抗压强度均呈现先增后减的趋势，膨润土掺量为10%的L1B10或L2B10试件抗压强度均高于其他试件。这表明在膨润土掺量为5%～15%时，可能存在一个最优掺量使得掺膨润土试件的抗压强度与标准试件差距不明显。因此，本试验建议的最优膨润土掺量为10%。

图4 不同龄期试件抗压强度随膨润土取代量变化规律

3.4 混凝土抗压强度与水灰比关系

图5表征了混凝土试件的抗压强度与W/C的关系。由图5可知，不论膨润土掺量的占比如何取值，混凝土试件的抗压强度均随W/C的增加而降低，W/C=0.55试件的抗压强度低于W/C=0.36试件。如对于5%膨润土掺量试件，在14 d的养护龄期时，W/C=0.36试件的抗压强度为28.3 MPa，而W/C=0.55试件的抗压强度为19.8 MPa，降幅为30%(图5(b))。这主要是因为在W/C=0.55(此时水灰比较高)条件下，试件内部混凝土的水化产物不能将骨料完整的粘结起来，导致混凝土内部结构密实度差。此外，W/C=0.55的试件水分蒸发后生成的孔洞更多，进一步影响了试件的抗压强度。由图5可知，当W/C为0.36时，掺膨润土的试件与标准试件(L1B0)相比，抗压强度的损失量均小于10%，而当W/C为0.55时，掺膨润土的试件与标准试件(L2B0)相比，抗压强度的损失量均大于25%。这表明W/C对试件抗压强度的影响大于膨润土取代量的影响。

图5 混凝土抗压强度随水灰比变化规律

3.5 SEM微观分析

采用扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy，SEM)对试件进行微观分析，以W/C为0.36的试件为例进行说明。图6为试件L1B0至L1B20的水化过程显微照片。由图6可知，不含膨润土的标准试件L1B0水化反应比较完全，水化产物中的水合硅酸钙(C-S-H)与氢氧化钙(CH)交织，氢氧化钙存在富集现象，且可观察到微量针状钙矾石(Aft)分布(图6(a))。试件L1B5的水化反应结果与标准试件L1B0类似，但试件L1B5的水化产物表面更致密，C-S-H凝胶基本以网状结构为主，仅有少量针状Aft分布(图6(b))。与试件L1B0与L1B5相比，试件L1B10的水化反应相对完全，含有较少的水化颗粒，表面较为均匀，水化产物CH含量显著降低(图6(c))。这主要是由于膨润土参与水化反应消耗了部分CH，使得结构更为密实。L1B15试样表面呈现出C-S-H与CH交错，中间夹有一定量的AFt现象(图6(d))。膨润土含量最高的L1B20试件水化反应完全，表面较为均匀致密，未见到孔隙与裂缝，可观察到少量CH均匀分布(图6(e))。上述SEM结果表明，膨润土的加入可以消耗水泥水化反应生成的CH，进一步降低CH的含量，并且膨润土可使结构更为均匀致密。

图6 试件水化产物的SEM

4 结论

本文对于掺膨润土的混凝土试件进行了抗压试验研究和SEM扫描电镜微观分析，揭示了掺膨润土试件的受压失效模式，讨论了试件抗压强度与养护龄期、膨润土掺量及水灰比的关系，表征了膨润土对混凝土水化反应的影响，主要结论如下：

(1)试件的抗压强度随养护时间增长而增强，不同膨润土掺量的试件其抗压强度增长速率不同，试件养护至14d后，抗压强度的增速随养护时间增长呈现减缓趋势。

(2) 掺入的膨润土等量取代了混凝土中部分水泥，导致参与水化反应的水泥量减少，掺膨润土试件在各养护龄期下的抗压强度均低于标准混凝土试件。

(3) 试件的抗压强度均随水灰比的增加而降低，水灰比对试件的抗压强度影响大于膨润土掺量的影响。本文建议的膨润土最优掺量为10%。

(4) 膨润土在混凝土水化反应后期，与水化产物氢氧化钙(CH)反应，从而消耗了大量氢氧化钙(CH)，并生成了的水合硅酸钙(C-S-H)凝胶，从而降低了混凝土的孔隙率，使得混凝土的内部结构更为致密。

本文仅开展了掺膨润土混凝土试件的抗压强度研究，然而膨润土的主要作用是提升混凝土的抗氯离子渗透能力，以后将围绕掺膨润土对混凝土试件抗氯离子渗透性能的影响规律展开深入地研究。