李培濤，范利丹，余永強(qiáng)，張子建（1.河南理工大學(xué) 河南省高等學(xué)校深部礦井建設(shè)重點學(xué)科開放試驗室，河南 焦作　454000；.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作　454000）

頁巖陶粒混凝土強(qiáng)度影響因素的試驗研究

李培濤1，2，范利丹1，2，余永強(qiáng)2，張子建1，2
（1.河南理工大學(xué) 河南省高等學(xué)校深部礦井建設(shè)重點學(xué)科開放試驗室，河南 焦作454000；2.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作454000）

針對不同骨膠比、粉煤灰摻量、養(yǎng)護(hù)溫度和頁巖陶粒預(yù)濕程度對頁巖陶?；炷翉?qiáng)度的影響進(jìn)行試驗研究，并分析其作用機(jī)理。試驗結(jié)果表明，當(dāng)水泥用量適宜時，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著骨膠比的增大逐漸增大；粉煤灰摻入量在0～20%時，隨著摻入量的增加，混凝土在養(yǎng)護(hù)初期的強(qiáng)度增長率降低，但對28 d強(qiáng)度影響不大；養(yǎng)護(hù)溫度的升高會加速混凝土凝結(jié)硬化，大幅度提高1 d強(qiáng)度，但是會產(chǎn)生“高溫負(fù)效應(yīng)”，導(dǎo)致后期強(qiáng)度損失較大；對頁巖陶粒進(jìn)行不同程度的預(yù)濕處理，對“高溫負(fù)效應(yīng)”有一定的減緩作用，混凝土強(qiáng)度有所提高。

頁巖陶?；炷?；強(qiáng)度；影響因素

0　引言

頁巖陶?；炷磷鳛橐环N新型建筑材料，與傳統(tǒng)混凝土相比具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、隔熱、抗震、環(huán)保等諸多優(yōu)勢，在建筑結(jié)構(gòu)保溫和高層建筑、橋梁等大跨度結(jié)構(gòu)工程中具有廣闊應(yīng)用前景［1］。

目前對頁巖陶?；炷恋难芯恐饕诟邚?qiáng)輕骨料混凝土、自密實輕骨料混凝土和輕骨料混凝土的抗凍性、耐久性、隔熱性和工作性等方面［2-3］，而不同養(yǎng)護(hù)溫度環(huán)境及頁巖陶粒的預(yù)濕處理對頁巖陶?；炷恋膹?qiáng)度影響研究較少。本文在對頁巖陶?；炷恋呐浜媳?、外摻料研究基礎(chǔ)上，探究在不同養(yǎng)護(hù)溫度下頁巖陶粒混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律及其作用機(jī)理，并對頁巖陶粒進(jìn)行不同程度的預(yù)濕處理，探究預(yù)濕處理對降低“高溫負(fù)效應(yīng)”的作用規(guī)律，以減少頁巖陶?；炷猎谳^高養(yǎng)護(hù)溫度下的后期強(qiáng)度損失。

1　試驗

1.1原材料

水泥：焦作市中晶水泥廠P·O42.5水泥，主要性能指標(biāo)如表1所示。砂：天然中砂，顆粒級配為Ⅱ級，細(xì)度模數(shù)為2.8。粉煤灰：焦作電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。頁巖陶粒：河南美賽克科技有限公司生產(chǎn)的700級碎石型陶粒，主要性能指標(biāo)如表2所示。水：普通自來水。

表1　水泥的主要性能指標(biāo)

表2　頁巖陶粒的主要性能指標(biāo)

1.2試驗初步設(shè)計

根據(jù)JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》，選用絕對體積法進(jìn)行配合比試算；并借鑒文獻(xiàn)［4-5］中的方法進(jìn)行試配和調(diào)整，得到頁巖陶?；炷恋某醪脚浜媳龋╧g/m3）為：水泥∶水∶細(xì)骨料∶粗骨料=490∶214∶780∶390。

1.3試驗方法

混凝土單軸抗壓實驗參照J(rèn)GJ51—2002和GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。將拌合后的頁巖陶粒混凝土均制成100 mm×100 mm×100 mm非標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)到一定齡期后，用SYE-2000型壓力試驗機(jī)以0.5～0.8 MPa/s的速度均勻連續(xù)加荷，當(dāng)試塊破壞后，記錄破壞荷載；因試塊為非標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，所得強(qiáng)度值再乘以系數(shù)0.95進(jìn)行換算。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1骨膠比對抗壓強(qiáng)度的影響

在初步配合比的基礎(chǔ)上，保持水泥用量、水灰比和砂率不變，選擇不同骨膠比進(jìn)行頁巖陶?；炷量箟簭?qiáng)度試驗。試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，試驗設(shè)計與結(jié)果如表3所示。

表3　不同骨膠比頁巖陶?；炷猎O(shè)計及其抗壓強(qiáng)度

由表3可以看出，頁巖陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度隨著骨膠比的增大呈增大趨勢。當(dāng)骨膠比由3.0∶1.0增加到3.4∶1.0時，頁巖陶?；炷恋?8 d抗壓強(qiáng)度由30.06 MPa增加到33.68 MPa，并且混凝土早期抗壓強(qiáng)度也有不同程度的提高。

這是因為頁巖陶?；炷量梢钥醋饔?部分組成：頁巖陶粒、水泥砂漿和兩者界面過渡區(qū)。頁巖陶?；炷恋奶樟Ｅc水泥砂漿的界面過渡區(qū)有很好的嚙合力，且水泥砂漿的強(qiáng)度高于頁巖陶粒，因此，破壞主要發(fā)生在骨料處［6］。頁巖陶粒作為混凝土的粗骨料，承擔(dān)著主要骨架作用；在水泥用量適宜時，粗骨料用量的增加，有助于提高混凝土骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高了頁巖陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度。因此，頁巖陶粒作為粗骨料，在水泥用量適宜時，隨著骨膠比提高，抗壓強(qiáng)度也逐漸提高。

2.2粉煤灰對抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)2.1部分試驗結(jié)果及頁巖陶?；炷恋慕Y(jié)構(gòu)特點，同時為提高骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步優(yōu)化骨料的顆粒級配，基準(zhǔn)配合比（kg/m3）為：水泥∶水∶細(xì)骨料∶粗骨料=490∶214∶750∶395。

粉煤灰顆?；臼怯刹Ａw和極少數(shù)碳粒組成，這些球狀玻璃體能夠顯著降低混凝土拌合物的屈服剪切應(yīng)力，從而提高混凝土拌合物的和易性［7］。為探究粉煤灰對頁巖陶?；炷恋膹?qiáng)度影響，參考普通混凝土粉煤灰摻量，選取10%、15%、20%的粉煤灰摻量，等質(zhì)量替代水泥。試塊均在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，試驗設(shè)計及結(jié)果如表4所示。

表4　不同粉煤灰摻量頁巖陶?；炷猎O(shè)計及其抗壓強(qiáng)度

由表4可以看出，粉煤灰摻量由0增加到20%時，頁巖陶?；炷猎缙趶?qiáng)度增長變緩，且不同摻量的粉煤灰試塊早期強(qiáng)度均低于未摻粉煤灰的試塊；但在養(yǎng)護(hù)后期，摻有粉煤灰的混凝土強(qiáng)度增長率變大，各組試件的28 d抗壓強(qiáng)度無明顯差別。

在摻入粉煤灰的頁巖陶?；炷林?，水泥發(fā)生水化反應(yīng)生成氫氧化鈣，并釋放水化熱，而包裹在頁巖陶粒外部的粉煤灰并未發(fā)生水化反應(yīng)，但能夠吸收水化熱，降低混凝土內(nèi)部的溫度，使得混凝土的早期強(qiáng)度增長變緩。因此，在養(yǎng)護(hù)初期，粉煤灰僅起填充作用，并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在養(yǎng)護(hù)后期，隨著粉煤灰顆粒表面的水化產(chǎn)物逐漸增多，粉煤灰與氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣纖維狀晶體。這些水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣纖維狀晶體能夠填塞頁巖陶粒的內(nèi)部孔隙，提高頁巖陶粒的強(qiáng)度；且晶體有良好的粘結(jié)性，相互交叉連接在頁巖陶粒與水泥砂漿之間，使得水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣晶體、頁巖陶粒和水泥砂漿之間緊密連接，形成了穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，并增強(qiáng)了頁巖陶粒混凝土的內(nèi)部密實度，從而使得后期強(qiáng)度增長率較大。

如果粉煤灰摻量過大，在二次水化作用后，包裹在頁巖陶粒外部的粉煤灰顆粒會形成一層界面覆蓋在漿體周圍，造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生多層界面，使得內(nèi)部穩(wěn)定性變差，直接影響頁巖陶?；炷恋膹?qiáng)度，造成摻量與強(qiáng)度成反比［8］。

2.3養(yǎng)護(hù)溫度對抗壓強(qiáng)度的影響

混凝土凝結(jié)硬化過程主要是通過水泥的水化作用來實現(xiàn)的，混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度和濕度對水泥的水化快慢及均勻程度有著直接影響，尤其是在頁巖陶粒混凝土的養(yǎng)護(hù)初期階段，影響更為明顯。為探究養(yǎng)護(hù)溫度對頁巖陶粒混凝土強(qiáng)度的影響，試驗采用基準(zhǔn)配合比，將拌制的頁巖陶?；炷猎噳K放在濕度皆為96%，溫度分別為20、40、60℃的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，試驗設(shè)計與結(jié)果如表5所示。

表5　不同養(yǎng)護(hù)溫度下頁巖陶?；炷猎O(shè)計及其抗壓強(qiáng)度

從表5可以看出，60℃養(yǎng)護(hù)條件下1 d強(qiáng)度相對20℃條件下提高76.6%在40℃和60℃的條件下，1 d抗壓強(qiáng)度大幅度提高，但混凝土后期強(qiáng)度增長率明顯降低，28 d抗壓強(qiáng)度較20℃條件下降低很多，尤其60℃條件下下降更為明顯，28 d強(qiáng)度僅為20℃條件下的68.1%，呈現(xiàn)出“高溫負(fù)效應(yīng)”現(xiàn)象。

在頁巖陶?；炷琉B(yǎng)護(hù)初期，水泥漿內(nèi)部濕度較大，高溫條件會促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，加速混凝土的凝結(jié)硬化，使得強(qiáng)度快速增長。因此，頁巖陶?；炷恋? d強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高大幅度提高。在養(yǎng)護(hù)后期，養(yǎng)護(hù)溫度越高，水化反應(yīng)的程度越高，消耗的自由水分也越多，且養(yǎng)護(hù)溫度過高會導(dǎo)致頁巖陶?；炷恋谋砻鏉穸缺容^低，甚至出現(xiàn)沒有表面吸附水的現(xiàn)象，導(dǎo)致水泥漿內(nèi)部濕度較低；另一方面，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高，因頁巖陶粒自身內(nèi)部孔隙較多，吸水率較大，使得頁巖陶粒不斷吸收混凝土內(nèi)部自由水分，水泥漿濕度進(jìn)一步降低。因此，頁巖陶?；炷猎诟邷仞B(yǎng)護(hù)條件下，由于養(yǎng)護(hù)后期內(nèi)部自由水分較少，水泥漿濕度過低，無法保證水化反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致后期抗壓強(qiáng)度損失較大，出現(xiàn)“高溫負(fù)效應(yīng)”現(xiàn)象。高溫負(fù)效應(yīng)的產(chǎn)生是由于水化速度不均衡、水化產(chǎn)物分布不均勻引起的，因此，可以采取降低混凝土的水灰比或摻入硅灰、粉煤灰、礦渣等方法部分消除高溫負(fù)效應(yīng)［9］。

2.4預(yù)濕對抗壓強(qiáng)度的影響

頁巖陶粒作為混凝土粗骨料，因自身多孔和吸水率較大的特性，使其在拌制和裝模過程中吸收混凝土拌和物中的水分較多，而導(dǎo)致混凝土拌和物的黏聚性降低，坍落度損失較快；而且從2.3試驗結(jié)果可以看出，在較高養(yǎng)護(hù)溫度下抗壓強(qiáng)度損失較大。因此，為了保證頁巖陶?；炷涟韬衔锏暮鸵仔?，同時提高高溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的后期強(qiáng)度。

本試驗在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，參考2.2試驗結(jié)果，摻加15%粉煤灰，并對頁巖陶粒進(jìn)行不同程度預(yù)濕處理，探究預(yù)濕處理對高溫養(yǎng)護(hù)條件下頁巖陶?；炷量箟簭?qiáng)度的影響。對頁巖陶粒分別預(yù)濕10 min、1 h、24 h，將沒有預(yù)濕和經(jīng)不同時間預(yù)濕的頁巖陶?；炷猎噳K放在濕度為96%，溫度為60℃的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，試驗設(shè)計與結(jié)果如表6所示。

表6　不同預(yù)濕時間頁巖陶粒混凝土設(shè)計及其抗壓強(qiáng)度

從表6可以看出，隨著頁巖陶粒的預(yù)濕時間由0增加到24 h，頁巖陶?；炷恋脑缙诤秃笃趶?qiáng)度都得到提高，尤其是對頁巖陶粒預(yù)濕24 h后，頁巖陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度提高較明顯。28 d強(qiáng)度較未預(yù)濕的頁巖陶?；炷撂岣?8.4%。

在高溫養(yǎng)護(hù)條件下，高溫會促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，從而使得混凝土內(nèi)部自由水和周圍的水泥基體不斷進(jìn)行水分轉(zhuǎn)移，以保證水泥水化作用的不斷進(jìn)行；較快的水化反應(yīng)消耗自由水速度加快，水泥漿體內(nèi)部濕度降低。若頁巖陶粒沒有預(yù)濕處理，且高溫養(yǎng)護(hù)條件下混凝土表面濕度較低，水分的缺乏導(dǎo)致水泥水化速度降低；而預(yù)濕后的頁巖陶粒處于飽和面干狀態(tài)，陶?？紫吨邪乃衷跐穸炔顗毫ο?，從孔隙內(nèi)部轉(zhuǎn)移到水泥基體，可以起到“微泵”的作用，供水泥繼續(xù)水化［10］，使得頁巖陶粒與水泥砂漿的界面過渡區(qū)水化程度相對較高，界面過渡區(qū)的嚙合力也相對提高。因此，預(yù)濕處理可以促進(jìn)高溫養(yǎng)護(hù)下頁巖陶?；炷量箟簭?qiáng)度的增長。

2　結(jié)論

（1）在水泥用量適宜且不變的條件下，抗壓強(qiáng)度隨著骨膠比增大而逐漸增大，骨膠比由3.0∶1.0增加到3.4∶1.0時，其28 d抗壓強(qiáng)度由30.06 MPa增加到33.68 MPa。

（2）粉煤灰摻量為0～20%時，隨著摻入量的增加，頁巖陶粒混凝土的前期強(qiáng)度增長逐漸變緩，但28 d強(qiáng)度影響不大；當(dāng)摻入量大于一定量時，隨摻量增加，混凝土后期強(qiáng)度降低；粉煤灰摻量為10%～15%比較合適。

（3）頁巖陶?；炷猎诓煌B(yǎng)護(hù)溫度下養(yǎng)護(hù)，早期強(qiáng)度會隨著溫度的提高而顯著提高，60℃養(yǎng)護(hù)條件下，1 d強(qiáng)度相對20℃條件下提高76.6%，但后期強(qiáng)度增長會隨著養(yǎng)護(hù)溫度的提高明顯下降，28 d強(qiáng)度僅為20℃條件下的68.1%。

（4）粗骨料進(jìn)行不同程度的預(yù)濕處理對“高溫負(fù)效應(yīng)”有一定減緩作用；試驗范圍內(nèi)，對頁巖陶粒預(yù)濕處理24 h較好，28 d強(qiáng)度較未預(yù)濕的頁巖陶粒混凝土提高18.4%。

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Experimental study on the influential factors of shale ceramsite concrete strength

LI Peitao1，2，F(xiàn)AN Lidan1，2，YU Yongqiang2，ZHANG Zijian1，2
（1.Open Laboratory of Deep Mine Construction Key Discipline of Henan Province Colleges and Universities，Henan Polytechnic
University，Jiaozuo 454000，China；2.School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

In this paper，the experiments about the influence of the bone glue ratio，fly ash dosage，curing temperature and degree of shale ceramsite prewetting on the shale ceramsite concrete strength are carried out，and the mechanisms are analyzed. The results show that the concrete compressive strength gradually improves with the increase of the bone glue ratio when the dosage of cement is appropriate.The strength of concrete at the early curing decreased with the increase from 0 to 20%of fly ash replacement of cement，but it had little effect on the strength of 28 d.Curing temperature rise will accelerate concrete condensation sclerosis，greatly improve the intensity of 1 d.However，it will produce"high temperature negative effect"，resulting in the loss of strength of late.To varying degrees of shale ceramsite prewetting processing，it has a certain effect on offsetting"high temperature negative effects"，concrete strength increased.

shale ceramisite concrete，strength，influential factor

TU528.2

A

1001-702X（2016）04-0014-03

河南省高等學(xué)校深部礦井建設(shè)重點學(xué)科開放試驗室開放基金項目（2014KF-02）；中鐵隧道集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新計劃項目（H14-233）

2015-12-08；

2016-01-21

李培濤，男，1991年生，河南信陽人，碩士研究生。E-mail：2297692230@qq.com。通訊作者：范利丹，地址：河南省焦作市高新區(qū)世紀(jì)大道200號，E-mail：lidanfan@hpu.edu.cn。