劉哲，李玉平，譚勇波，王偉，胡小波（.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙　4008；.中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南長沙　40004）

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1300～1800密度等級(jí)的板巖陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度和工作性能研究

劉哲1，2，李玉平1，譚勇波2，王偉1，胡小波2
（1.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410082；2.中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南長沙410004）

摘要：采用絕對體積法設(shè)計(jì)了1300～1800密度等級(jí)的板巖陶?；炷恋呐浜媳取ｋS著粉煤灰摻量和砂率的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度有所提高，坍落度增大；但當(dāng)砂率超過43%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和坍落度反而會(huì)有所降低?？杉尤際PMC和CMC改善拌和物的勻質(zhì)性，可得坍落度和擴(kuò)展度分別為264mm和595mm，且經(jīng)時(shí)坍落度和擴(kuò)展度降低速度緩慢，有利于混凝土的泵送施工。

關(guān)鍵詞：板巖陶?；炷粒慌浜媳?；砂率；抗壓強(qiáng)度；勻質(zhì)性

陶粒混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗震及保溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，隨著建筑的高層化和高效節(jié)能的發(fā)展要求，合理用于民用、工業(yè)建筑和其它構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)自重能大大減輕，地基荷載能有效減少，材料用量和運(yùn)輸量能大大減小，建筑使用能耗能有效降低，具有優(yōu)良的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[1-3]。陶?；炷辆哂袃?yōu)良的特性，其研究和應(yīng)用發(fā)展很快。在我國發(fā)展和推廣板巖陶?；炷?，符合關(guān)于節(jié)能建材和綠色建材的要求。

陶?；炷劣捎谔樟１旧肀碛^密度小，同時(shí)在混凝土中加入發(fā)泡劑等方法使混凝土密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通混凝土，且保溫性能好，較多用作保溫輕集料混凝土，但是混凝土強(qiáng)度較低。為了擴(kuò)大板巖陶粒在混凝土中的應(yīng)用范圍，保證混凝土的強(qiáng)度，降低混凝土自重，同時(shí)考慮建筑物的節(jié)能效果來進(jìn)行結(jié)構(gòu)保溫輕集料混凝土的研究很有價(jià)值。

本文采用板巖陶粒進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)以達(dá)到工程要求：混凝土密度等級(jí)為1300～1800kg/m3，抗壓強(qiáng)度不低于15MPa，坍落度大于120mm，勻質(zhì)性好。試驗(yàn)配合比依照J(rèn)GJ51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》配合比計(jì)算方法中的松散體積法進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)對配合比中各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，研究高性能輕集料混凝土中各組分和參數(shù)對混凝土性能的影響。國外對于各密度等級(jí)的輕骨料混凝土的應(yīng)用情況進(jìn)行了大量的研究，挪威和日本學(xué)者就各密度等級(jí)與28 d強(qiáng)度及應(yīng)用進(jìn)行了探討[4-5]。段軍等[6]對1000～1400級(jí)結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土的密度與強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行了大量的研究。不同砂率對板巖陶?；炷? d、28 d強(qiáng)度和工作性能的影響研究具有工程價(jià)值，同時(shí)配制過程中出現(xiàn)的骨料上浮問題對于工程質(zhì)量有很大的影響，應(yīng)當(dāng)合理解決。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1主要原材料

（1）水泥：湖南寧鄉(xiāng)南方水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，體積安定性合格，性能指標(biāo)見表1。

表1　水泥的性能指標(biāo)

（2）板巖陶粒：湖南益陽豐巖公司產(chǎn)，其主要性能見表2。

表2　陶粒的基本物理性能指標(biāo)

陶粒的吸水率決定配合比中的附加用水量，而總用水量是凈用水量和附加用水量之和。在配制混凝土?xí)r，混凝土骨料表面必須被水充分潤濕，所以陶粒的吸水率對混凝土拌和物的工作性能即坍落度和擴(kuò)展度有影響。另外，吸水率隨時(shí)間的變化也決定了板巖陶粒不同時(shí)間的表觀密度，而陶粒的表觀密度與拌和物中漿體的密度差是影響骨料是否上浮的一個(gè)因素。

（3）砂：湘江河砂，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.80。

（4）粉煤灰：湖南岳陽首度建材產(chǎn)，Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度2.48 g/cm3，燒失量6.0%，需水比量95%，含水量0.5%，SO3含量2.5%，細(xì)度25%。

（5）外加劑：萘系減水劑，粉體。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1板巖陶粒混凝土試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)JGJ51—2002的配制方法，板巖陶粒混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)包括：試配強(qiáng)度、水泥的品種及強(qiáng)度、水泥用量、水灰比、堆積密度、顆粒級(jí)配、砂率及粗細(xì)骨料總體積等。設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇是板巖陶?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。若參數(shù)選擇合適，可以配制出符合設(shè)計(jì)性能要求的混凝土，同時(shí)可以降低成本。試驗(yàn)配合比見表3。

表3　板巖陶?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)

1.2.2勻質(zhì)性改善

采用羧甲基纖維素（CMC）和羥丙基甲基纖維素（HPMC）作為增稠劑，對1800密度等級(jí)混凝土進(jìn)行改性，以期改善勻質(zhì)性。CMC和HPMC可以降低水化放熱（抑制水泥早期水化速度，從而減慢放熱速率，降低放熱峰值），削弱混凝土內(nèi)部熱量過度集中，造成內(nèi)外溫差過大導(dǎo)致裂縫發(fā)生的傾向，提高硬化混凝土的28 d強(qiáng)度。A-1組和A-2組采用CMC，B-1組和B-2組采用HPMC。試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)見表4。

表4　試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度

混凝土的基本力學(xué)性能主要測試立方體7 d、28 d抗壓強(qiáng)度。工作性能主要進(jìn)行流動(dòng)性、粘聚性和保水性測試。其中流動(dòng)性主要測試混凝土拌和物在初始、20min、40min不同時(shí)間的坍落度和擴(kuò)展度。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5　混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度

由表5可見，除第1組外，所配制各等級(jí)混凝土強(qiáng)度均達(dá)到CL15級(jí)，工作性能也較好。對比表6，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ51—2002在工程實(shí)際中對輕集料混凝土的用途分類，可以根據(jù)需要選擇合適的配合比。

表6　輕集料混凝土各等級(jí)對應(yīng)強(qiáng)度和用途

各組試驗(yàn)中，初始、20min、40min坍落度和擴(kuò)展度依次減小，這主要有2方面的原因，一是化學(xué)原因，水泥水化會(huì)消耗拌和水中一部分，形成CSH凝膠及AFt、AFm、CH晶體等，使?jié){體密度和稠度增加，坍落度和擴(kuò)展度減??；二是物理原因，隨著時(shí)間延長，陶粒通過孔洞微泵作用仍然不斷吸收水分，陶粒濕密度增加，水泥石中水分減少，進(jìn)而坍落度、擴(kuò)展度隨之減小。

由表5可見，當(dāng)粉煤灰摻量小于22.2%時(shí)，隨著粉煤灰摻量逐漸增加，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度相對增大，這是由于粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)所致。粉煤灰的礦物組成物粒度細(xì)、表面光滑、質(zhì)地致密，在拌和物中起到微滾珠的作用，與高效減水劑減水效果協(xié)同作用下，大大提高了混凝土的流動(dòng)性，改善了混凝土的施工性能。另外，粉煤灰的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥顆粒中，阻止了水泥顆粒的粘聚，改善了混凝土的粘聚性和可泵性。

從表5還可以看出，體積砂率從25%增加到43%，板巖陶?；炷恋某跏继涠葟?18mm增加到265mm。砂率從25%提高到38%時(shí)，坍落度從118mm提高到262mm，增長速度非?？欤筇涠仍鲩L不明顯，砂率達(dá)到47%時(shí)，坍落度為240 mm甚至稍有降低。隨砂率增大，板巖陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，在砂率為43%時(shí)，混凝土的7 d和28d強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為26.8MPa和28.0MPa。分析原因認(rèn)為，混凝土材料作為一種復(fù)合材料，各組成成分是否分布均勻?qū)τ谄淇箟簭?qiáng)度有相當(dāng)大的影響。當(dāng)砂率超過43%時(shí)，板巖陶?；炷恋纳皾{密度繼續(xù)增加，與陶粒的密度差拉大而引起各組分產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，板巖陶粒上浮，砂漿和水泥漿下沉，即混凝土發(fā)生分層離析，這使得混凝土穩(wěn)定性變差，上下層強(qiáng)度差異，造成混凝土抗壓強(qiáng)度降低[7]。因此，在配制板巖陶?；炷?xí)r，使用河砂可以增加新拌混凝土的工作性能和力學(xué)性能，但是也應(yīng)根據(jù)所用陶粒的表觀密度等因素適當(dāng)控制河砂摻量。

2.2板巖陶?；炷羷蛸|(zhì)性的改善結(jié)果分析

由上可知，板巖陶粒粒徑越小，相對運(yùn)動(dòng)速度越小，越不容易上浮，離析度減少。但若板巖陶粒粒徑過小，集料比表面積增大，板巖陶粒表面的吸漿會(huì)增強(qiáng)，在一定的流動(dòng)性前提下，既增加水泥用量，也在配合比的基礎(chǔ)上會(huì)增加混凝土密度，從而浪費(fèi)水泥，不利于配制相應(yīng)級(jí)別的混凝土。由于本次試驗(yàn)所用的集料為板巖陶粒，不擬變更，即密度差（ρ－ρc）保持不變，故通過提高砂漿黏度來改善1800密度等級(jí)混凝土的勻質(zhì)性。

分別測量和記錄混凝土剛拌和完成初始、20min、40min的坍落度和擴(kuò)展度，觀察是否有泌水現(xiàn)象，測試試塊的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度，查看骨料上浮情況。試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7　勻質(zhì)性改善試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，A－1組，B－1組分別采用CMC和HPMC作為增稠劑，當(dāng)增稠劑摻量為0.8%時(shí)，與未摻增稠劑的空白組6組相比，坍落度大?。築－1組＞A－1組＞6組，結(jié)合泌水情況和骨料上浮程度可知，6組混凝土泌水較嚴(yán)重，甚至引起了骨料不完全被漿料覆蓋而裸露，新拌混凝土勻質(zhì)性差，從而坍落度和28 d強(qiáng)度均小于5組。加入增稠劑后，A－1組和B－1組的坍落度、泌水情況、28 d強(qiáng)度和骨料上浮情況均有改善，且摻入HPMC的B－1組坍落度增幅為13.3%，摻入CMC的A－1組坍落度增幅為10.0%。從泌水情況和骨料上浮情況看，A－1組新拌混凝土還有少量的泌水現(xiàn)象，骨料上浮現(xiàn)象仍然存在，可見對流動(dòng)性的改善，HPMC比CMC效果好。由于混凝土內(nèi)部的均勻程度對強(qiáng)度的影響，B－1組的7 d和28 d強(qiáng)度也均高于A－1組，可見對強(qiáng)度的改善，HPMC也比CMC效果好。

從A－1組和A－2組對比可以看到，隨著增稠劑摻量從0.8%增加到1.0%，板巖陶?；炷?8 d強(qiáng)度從26.6MPa增長到28.2MPa。由于水泥砂漿的黏度更大，混凝土的泌水量減少，骨料上浮程度也減輕，均勻程度更好，但是伴隨著增稠劑摻量的增加，黏度增加對坍落度和擴(kuò)展度的降低作用已大于對泌水情況改善的貢獻(xiàn)，所以新拌混凝土的坍落度和擴(kuò)展度也開始由264mm和595mm降低到256mm和572mm。說明增稠劑的用量并不是越多越好。B－1組和B－2組的28 d強(qiáng)度和坍落度、擴(kuò)展度的趨勢同樣可以說明這一問題。但是，摻入0.8%HPMC的組B－1的28 d強(qiáng)度和坍落度、擴(kuò)展度還是比摻入1.0%CMC的A－2組大，同樣大于摻入0.8%CMC的A－1組，所以綜合考慮28 d強(qiáng)度和坍落度擴(kuò)展度等因素，選用摻入0.8%HPMC的B－1組對混凝土的綜合改善效果最佳。

綜上所述，2種增稠劑適當(dāng)?shù)膿搅繛?.8%。從A－1組、B－1組剛攪拌完成到40min的坍落度和擴(kuò)展度的變化可以看出，采用摻入0.8%HPMC對坍落度的保持效果要優(yōu)于摻入0.8%CMC，摻HPMC的新拌混凝土泌水極少，上浮情況得到良好改善。

3　結(jié)論

（1）通過板巖陶粒性能測試和配合比設(shè)計(jì)，合理地配制出了1300～1800 kg/m3密度等級(jí)的混凝土，同時(shí)混凝土的力學(xué)性能和工作性能滿足要求。各組試驗(yàn)中，初始、20min、40min坍落度和擴(kuò)展度依次減小。砂率為43%時(shí)，混凝土的7 d和28 d強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為26.8MPa和28.0MPa。

（2）從泌水、骨料上浮情況和抗壓強(qiáng)度看，對于1800密度等級(jí)板巖陶?；炷羷蛸|(zhì)性的改善，HPMC比CMC效果好。當(dāng)HPMC摻量為0.8%時(shí)，板巖陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度為26.6 MPa，坍落度和擴(kuò)展度分別為264mm和595mm，同時(shí)混凝土的經(jīng)時(shí)坍落度和擴(kuò)展度降低緩慢，有利于勻質(zhì)性的改善。

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Study on com pressive strength and workability of 1300～1800 grade slate ceram ic concrete

LIU Zhe1，2，LI Yuping1，TAN Yongbo2，WANG Wei1，HU Xiaobo2
（1.College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；
2.China West Construction Group Hunan Co.Ltd.，Changsha 410004，China）

Abstract：According to absolute volume method of grain bulk density，we make the mix design of 1300～1800 grade slate ceramic concrete.With increasing proportion of fly ash and sand ratio，the concrete compressive strength is also increasing，when the sand ratio is more than 43%，the compressive strength and slump reduce instead.HPMC and CMC was added into concrete for improvement of homogeneity，and it was found that the concrete slump and the expansion degree is 264mm and 595mm respectively.At the same time，time loss slump and the expansion degree of the concrete is to reduce the most slowly，in favor of concrete pumping construction.

Key words：slate ceramic concrete，mix，sand ratio，compressive strength，homogeneity

作者簡介：劉哲，男，1989年生，湖南汨羅人，碩士研究生。通訊作者：李玉平，E-mail：liypli@hnu.edu.cn。

收稿日期：2015-08-15

中圖分類號(hào)：TU528.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）01-0079-04