高 原，劉林超，呂 強*

(1. 華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641;2. 信陽師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

0 引言

珍珠巖作為我國重要礦產(chǎn)資源，儲存量充足，價格便宜，在建筑工業(yè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值.對于珍珠巖作為建筑材料的研究，國內(nèi)外已有大量的相關(guān)報道.在早期，通過試驗配置了膨脹珍珠巖混凝土，研究發(fā)現(xiàn)膨脹珍珠巖具有質(zhì)量輕、保溫性好等優(yōu)點,是較好的輕骨料[1].因此，研究珍珠巖砂漿及混凝土的物理力學(xué)性能，對珍珠巖的廣泛應(yīng)用具有重要意義.相關(guān)的研究表明，摻入適量的珍珠巖不僅能夠降低輕質(zhì)混凝土的密度，而且其強度和可泵送性能也能達到規(guī)范要求[2,3].將膨脹珍珠巖作為細骨料替代一定量的砂子，制取輕質(zhì)保溫混凝土是混凝土發(fā)展的重要方向[4,5].但是，隨著珍珠巖替代率的增加，砂漿及混凝土力學(xué)性能降低速度加快，抗裂性能變差.將聚丙烯(PP)纖維加入珍珠巖混凝土中，能有效提高混凝土的劈裂抗拉強度[6].此外，實驗發(fā)現(xiàn)：珍珠巖礦砂粉具有一定的活性，可部分替代水泥做摻合料[7].

有效提高珍珠巖礦產(chǎn)利用價值是珍珠巖行業(yè)最為關(guān)心的問題，至今未見關(guān)于采用多手段結(jié)合的方法綜合研究珍珠巖混凝土物理力學(xué)性質(zhì)的報道.本文首先從微觀角度對珍珠巖原材料進行了分析，結(jié)合珍珠巖混凝土(珍珠巖礦砂混凝土及膨脹珍珠巖混凝土)水化反應(yīng)和珍珠巖混凝土的基本力學(xué)性能試驗，從微觀和宏觀兩種角度綜合闡述珍珠巖對混凝土的作用機理，分析了相關(guān)參數(shù)對混凝土力學(xué)性能的影響.

1 珍珠巖材料微觀測試

試驗所用水泥為信陽華新水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)；砂子為天然河砂；珍珠巖為信陽上天梯某生產(chǎn)車間生產(chǎn)；石子采用信陽本地礦山壓碎碎石.圖1為20～30目珍珠巖礦砂、20～30目膨脹珍珠巖的XRD衍射圖譜，衍射結(jié)果顯示，珍珠巖主要成分為SiO2.通過XRF檢測發(fā)現(xiàn)膨脹珍珠巖化學(xué)成分中含有部分活性物質(zhì).珍珠巖化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示.

圖1 珍珠巖XRD分析圖譜Fig. 1 XRD analysis of perlite

表1 膨脹珍珠巖的化學(xué)成分

圖2分別為珍珠巖礦砂(150倍率)和膨脹珍珠巖(30倍率)的SEM掃描圖.由圖可以看出：珍珠巖礦砂的表面有明顯的棱角和凸凹不平；膨脹珍珠巖表面呈蓬松狀，顆粒表面比珍珠巖礦砂表面更為圓滑.

圖2 珍珠巖SEM掃描圖Fig. 2 VHX-500 scanning chart of perlitea. 珍珠巖礦砂;b.膨脹珍珠巖

在混凝土攪拌試驗中發(fā)現(xiàn)：膨脹珍珠巖混凝土的保水性能更佳，但其在攪拌過程中容易碎裂.分析發(fā)現(xiàn)細骨料的表面形狀和圓滑程度對其與凈漿膠合性及保水性有一定影響.

2 混凝土的水化熱

本試驗混凝土試樣所采用的質(zhì)量配合比主要通過參照規(guī)范《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2011)[8]和試驗微調(diào)獲得.試驗研究了普通混凝土(基準(zhǔn)混凝土)、20%替代率的膨脹珍珠巖(20～30目)混凝土、40%替代率的膨脹珍珠巖混凝土、20%替代率的珍珠巖礦砂(20～30目)混凝土、40%替代率的珍珠巖礦砂混凝土的水化熱.試驗結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同含量珍珠巖混凝土的水化熱關(guān)系Fig. 3 Hydration heat relationship of perlite concretewith different content

圖3水化反應(yīng)的混凝土內(nèi)外溫差指的是混凝土樣品中心溫度與表面溫度差值.由圖3可以看出：珍珠巖礦砂混凝土水化反應(yīng)變化過程與基準(zhǔn)混凝土基本相同.隨著珍珠巖礦砂含量的增加，混凝土水化反應(yīng)峰值有少量提升，這是因為珍珠巖為火山噴發(fā)巖，具有一定活性，部分活性物質(zhì)參與水化反應(yīng)造成溫差峰值增加.膨脹珍珠巖混凝土的水化熱峰值產(chǎn)生時間要比基本混凝土提前2 h左右，并且水化熱峰值有明顯上升.原因是普通膨脹珍珠巖結(jié)構(gòu)蓬松，具有一定的吸水性，其本身含有一定活性物質(zhì)，與水熱反應(yīng)更加充分導(dǎo)致溫差峰值增加.

3 混凝土基本力學(xué)性能

在基本力學(xué)性能試驗中，試驗設(shè)計方案、操作流程及試驗結(jié)果分析均遵照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)要求進行[9].根據(jù)珍珠巖混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊基本力學(xué)性能的試驗結(jié)果(試驗數(shù)據(jù)取均值)，圖4-圖8繪制出了混凝土基本力學(xué)性能隨替代率變化的關(guān)系曲線.

圖4為珍珠巖礦砂混凝土和膨脹珍珠巖混凝土的抗壓強度-替代率關(guān)系曲線，由圖4可以看出：隨著珍珠巖摻和量的增加，膨脹珍珠巖混凝土試樣和珍珠巖礦砂混凝土試樣的抗壓強度(28 d)不斷降低，均低于基準(zhǔn)混凝土試樣.膨脹珍珠巖混凝土抗壓強度降低速度較慢，呈線性關(guān)系；珍珠巖礦砂混凝土抗壓強度降低速度較快，且降低速度由大逐漸變小.擬合公式發(fā)現(xiàn)，膨脹珍珠巖混凝土抗壓強度的降低系數(shù)的絕對值(0.11)小于珍珠巖礦砂混凝土(0.15)，珍珠巖礦砂對混凝土抗壓強度的降低作用更加明顯.結(jié)合材料微觀測試結(jié)果，因為珍珠巖本身含有一定活性物質(zhì)，膨脹珍珠巖結(jié)構(gòu)蓬松，攪拌時部分碎裂，與水接觸面積更廣，且更容易發(fā)生水化反應(yīng);因此，同樣替代率下，膨脹珍珠巖混凝土的抗壓強度相對較高.

圖4 混凝土的抗壓強度與替代率關(guān)系Fig. 4 Relationship between compressive strength andreplacement rate of perlite concrete

圖5為珍珠巖礦砂混凝土和膨脹珍珠巖混凝土的抗折強度-替代率關(guān)系曲線.

圖5 混凝土的抗折強度與替代率關(guān)系Fig. 5 Relationship between flexural strength andreplacement rate of perlite concrete

由圖5可知，在摻入少量膨脹珍珠巖時，膨脹珍珠巖混凝土的抗折強度少量提升，當(dāng)替代率為20%時，抗折強度比基準(zhǔn)混凝土提高約8.1%.分析原因主要為：膨脹珍珠巖的吸水性能提高了混凝土保水性，促進水化進行，提高了水化反應(yīng)程度.當(dāng)膨脹珍珠巖含量超過20%時，膨脹珍珠巖的強度降低占主導(dǎo)作用，膨脹珍珠巖混凝土抗折強度降低.珍珠巖礦砂混凝土抗折強度隨著珍珠巖礦砂摻入量的增加而不斷降低.主要原因為：通過SEM微觀掃描發(fā)現(xiàn)，珍珠巖礦砂表面棱角分明、凸凹不平；降低了混凝土保水性能，減低了水化反應(yīng)程度.

圖6為珍珠巖礦砂混凝土和膨脹珍珠巖混凝土的劈裂抗拉強度-替代率關(guān)系曲線.由圖6可以看出：在膨脹珍珠巖替代率較小時，膨脹珍珠巖混凝土的劈裂抗拉強度相對于基準(zhǔn)混凝土有所提高.當(dāng)膨脹珍珠巖替代砂子超過20%時，混凝土劈裂抗拉強度開始降低，降低速度加快，膨脹珍珠巖自身強度占主導(dǎo)地位.隨著珍珠巖礦砂替代率的增加，珍珠巖礦砂混凝土的劈裂抗拉強度逐漸減小.替代率較低時，珍珠巖礦砂混凝土劈裂抗拉強度減小的比率較小，均不超過5%；當(dāng)珍珠巖礦砂替代砂子的替代率超過30%時，混凝土劈裂抗拉強度降低速度加快.

圖6 混凝土的劈裂抗拉強度與替代率關(guān)系Fig. 6 Relationship between splitting tensile strength andreplacement rate of perlite concrete

圖7為珍珠巖礦砂混凝土和膨脹珍珠巖混凝土的軸心抗壓強度-替代率曲線.如圖7所示，珍珠巖礦砂混凝土的軸心抗壓強度呈現(xiàn)遞減趨勢，隨著珍珠巖礦砂含量的增加，混凝土的軸心抗壓強度降低速率逐漸加快，并且低于基準(zhǔn)混凝土的軸心抗壓強度.

圖7 混凝土的軸心抗壓強度與替代率關(guān)系Fig. 7 Relationship between axial compressive strengthand replacement rate of perlite concrete

膨脹珍珠巖混凝土的軸心抗壓強度先增加后減小，隨著膨脹珍珠巖的不斷增加，膨脹珍珠巖混凝土的軸心抗壓強度開始大幅度降低，低于基準(zhǔn)混凝土的軸心抗壓強度.

圖8為珍珠巖混凝土彈性模量-替代率關(guān)系曲線.由圖8可得，珍珠巖礦砂和膨脹珍珠巖替代砂子做細骨料對其彈性模量影響很小.這是因為彈性模量的大小由骨料參數(shù)決定，在細骨料替代率較低時，粗骨料彈性模量起決定作用.

圖8 珍珠巖的混凝土彈性模量與替代率關(guān)系Fig. 8 Relationship between modulus of elasticity andreplacement rate of perlite concrete

通過基本力學(xué)試驗發(fā)現(xiàn)：在替代率為40%以下時，膨脹珍珠巖混凝土基本力學(xué)性能優(yōu)于珍珠巖礦砂混凝土.其主要原因為：膨脹珍珠巖比珍珠巖礦砂表面光滑，具有更好的保水性，提高水化反應(yīng).通過微觀掃面發(fā)現(xiàn)，膨脹珍珠巖結(jié)構(gòu)蓬松，似棉花絮狀，在含量較低時，提高混凝土抗拉性能.

4 結(jié)論與討論

采用微觀角度和宏觀角度相結(jié)合的方法，更加清晰地闡明不同珍珠巖材料對混凝土性能的影響.通過珍珠巖礦砂混凝土及膨脹珍珠巖混凝土的原材料分析、水化熱及水化反應(yīng)和基本力學(xué)性能的試驗研究，綜合分析可得：膨脹珍珠巖表面比珍珠巖礦砂更為圓潤，保水性及水化反應(yīng)更強.珍珠巖礦砂對混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度的影響較大；對混凝土的抗折強度和彈性模量影響較小，珍珠巖礦砂替代砂子的含量應(yīng)控制30%以內(nèi).與珍珠巖礦砂混凝土相比，膨脹珍珠巖對混凝土的基本力學(xué)影響較小，保水性能更加優(yōu)異，并且膨脹珍珠巖具有質(zhì)量輕、隔熱性能更好等優(yōu)點.

結(jié)果表明：選取20～30目膨脹珍珠巖，替代率在20%左右時，混凝土的基本力學(xué)性能更加優(yōu)異，說明20～30目膨脹珍珠巖混凝土在建筑工業(yè)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景.該研究對拓展珍珠巖向更廣領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的理論和試驗基礎(chǔ).