毛雨琴, 王小雨, 朱路平, 崔 晏

(1.上海第二工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與材料工程學(xué)院,上海201209;2.攀枝花學(xué)院 材料工程學(xué)院,四川攀枝花617000)

0 引言

輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土(High-strength light weight concrete,HSLC)具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐久性好、無(wú)堿骨料反應(yīng)、體積穩(wěn)定性好、保溫隔熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)[1],可廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁、城市立交橋、海工構(gòu)筑物、高層建筑等工業(yè)與民用建筑,具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。自上世紀(jì)60年代以來(lái),HSLC在世界范圍內(nèi)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用,目前已成世界混凝土技術(shù)的發(fā)展方向之一。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,世界各國(guó)對(duì)混凝土的需求量越來(lái)越大,我國(guó)的混凝土年用量已經(jīng)達(dá)到了70億t,占世界的45%以上。作為混凝土重要組成部分的水泥,在生產(chǎn)過(guò)程中的能源和環(huán)境問(wèn)題十分突出。因此,迫切需要發(fā)展綠色高性能混凝土以實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)化發(fā)展。近年來(lái),高性能生態(tài)環(huán)保型HSLC的制備受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中,粉煤灰替代水泥來(lái)制備HSLC的研究引起了人們的極大重視。

粉煤灰作為燃煤電廠的副產(chǎn)品,具有量大、價(jià)廉的特點(diǎn)。我國(guó)每年燃煤電廠排放的粉煤灰約為1.2億t,當(dāng)前處理粉煤灰主要有建立貯灰場(chǎng)儲(chǔ)灰和粉煤灰綜合利用兩種方式,直接長(zhǎng)期堆放粉煤灰不僅占用大量的土地,還會(huì)破壞土壤的酸堿平衡,影響動(dòng)、植物的生存空間[2-4]。國(guó)外已對(duì)粉煤灰的綜合利用開(kāi)展了相當(dāng)多的研究,其中,法國(guó)對(duì)粉煤灰的利用率高達(dá)75%,德國(guó)的利用率為65%,而我國(guó)的利用率相對(duì)較低,加強(qiáng)粉煤灰的綜合利用迫在眉睫[5-6]。粉煤灰作為一種工業(yè)固廢,將其添加至混凝土中,不僅可以填充混凝土內(nèi)部的孔隙,提高混凝土的抗?jié)B性,而且還能極大地減少混凝土攪合過(guò)程中的用水量、降低混凝土早期的干燥收縮,提高其抗壓強(qiáng)度和耐久性。此外,粉煤灰對(duì)于混凝土的密實(shí)性也有很大提升作用。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596-2005)),粉煤灰分為多個(gè)品級(jí),我國(guó)燃煤電廠產(chǎn)生的粉煤灰大多品級(jí)較低,能夠達(dá)到I、II級(jí)別的非常少。為提高其品級(jí),通常需要進(jìn)行脫碳、研磨等處理,這在一定程度上增加了生產(chǎn)成本,延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期,推高了粉煤灰資源綜合利用的門(mén)檻[6]。因此,將低品質(zhì)粉煤灰直接添加到混凝土中,并通過(guò)合理的配比設(shè)計(jì)來(lái)制備HSLC,不僅可以減少土地占用、降低環(huán)境危害,而且還能減耗增效、節(jié)約成本,達(dá)到資源可持續(xù)化發(fā)展的要求,具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

本文以粉煤灰和頁(yè)巖陶粒為主要的原材料通過(guò)合理的配比設(shè)計(jì),制備了HSLC,并對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)器材:電子桌秤(最大稱量5 kg,分度0.5),攪拌機(jī)(轉(zhuǎn)速90 r/min),震動(dòng)臺(tái)(頻率2 860次/min),HBY-40B混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱,FSY-150A水泥細(xì)度負(fù)壓篩析儀,YAW—300C型微機(jī)控制恒應(yīng)力水泥壓力試驗(yàn)機(jī)(最大負(fù)荷2 000 kN),混凝土模具(100 mm×100 mm×100 mm),泥抹子,磚刀,毛刷等。

主要試劑:700級(jí)頁(yè)巖陶粒,鋁酸鹽水泥,F級(jí)粉煤灰,PY一型高效減水劑,硅灰,漂珠,自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方案

HSLC的配合比設(shè)計(jì)要求與普通混凝土的要求相同,參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55—2011)[7]得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù),如表1所示。

本試驗(yàn)以3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),具體的配合比數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

所得試塊在HBY-40B混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d(溫度(20±3)℃,濕度大于90%),然后測(cè)量其抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 水灰比對(duì)HSLC的影響

在一定的荷載作用下,試件表面首先會(huì)發(fā)出微小的裂開(kāi)聲,隨著荷載力增加,立方體試件會(huì)出現(xiàn)豎向的裂紋,然后裂紋逐漸貫穿整個(gè)試件,最后完全破裂。從每組試塊中任意選取兩塊對(duì)其進(jìn)行最大荷載測(cè)量。按照行業(yè)規(guī)定[7],配制強(qiáng)度可由下式計(jì)算:

式中:fcu,0-混凝土的配制強(qiáng)度,MPa;fcu,k-混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa;σ-混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差,σ的取值可按表4取用。1.645-強(qiáng)度保證系數(shù),其對(duì)應(yīng)強(qiáng)度保證率為95%。

由于HSLC要求混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不小于CL30,因此混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ應(yīng)取6.0。當(dāng)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為55 MPa時(shí),根據(jù)式(1)HSLC的配制強(qiáng)度f(wàn)cu,0=fcu,k+1.645σ=55+1.645×6=64.87 MPa,其平均抗壓強(qiáng)度如圖1所示。從中可以看出,當(dāng)水灰比相同,粗、細(xì)骨料的用量不同時(shí),試塊的抗壓強(qiáng)度有較大的差別。當(dāng)細(xì)骨料與粗骨料質(zhì)量之比為1:1.5時(shí),混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度較高,都達(dá)到了50 MPa以上,說(shuō)明當(dāng)粗、細(xì)骨料達(dá)到一定比例之后,混凝土的抗壓強(qiáng)度升高。主要由于粗、細(xì)骨料與水泥有較好的相容性,能較好地減少混凝土試塊的孔隙率,從而增加試塊的抗壓強(qiáng)度,即材料的結(jié)構(gòu)越密實(shí),抗壓強(qiáng)度越高。此外,所有試塊的平均抗壓強(qiáng)度均未達(dá)到配制fcu,0,這可能與試塊制備過(guò)程中的攪拌方式、環(huán)境的溫度、濕度、試件的形狀尺寸、所加荷載的大小及試塊表面狀態(tài)等有關(guān)。

表1 HSLC的配合比設(shè)計(jì)Tab.1 Mix proportion design of the HSLC

表2 HSLC各組分的用量Tab.2 Dosage of each component of the HSLC

表3 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ值Tab.3 Strength standard deviation σ value of concrete

表4 硅微粉的化學(xué)成分Tab.4 Chemical composition of the silica powder %

圖1不同試塊的平均抗壓強(qiáng)度圖Fig.1 Average compressive strength of the different test blocks

圖2 所示為不同水灰比(W/C)時(shí),不同試塊的平均抗壓強(qiáng)度圖。從中可以看出,在同種水泥的條件下,混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度主要取決于水灰比。通常,水泥水化時(shí)所需的結(jié)合水只占水泥質(zhì)量的23%左右,在拌制混凝土拌和物時(shí),為了達(dá)到所需的流動(dòng)性,往往采用較大的水灰比?；炷劣不?試塊中多余的水分殘留在混凝土內(nèi)部形成氣泡,或者蒸發(fā)后在試塊表面形成氣孔,從而在混凝土的內(nèi)部及表面形成孔隙,這會(huì)降低混凝土抵抗外力的能力。因此,當(dāng)滿足和易性要求的混凝土的水灰比越大時(shí),混凝土的抗壓強(qiáng)度越高。如果在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加水太少,即水灰比過(guò)小時(shí),拌和物則過(guò)于干硬,從而使混凝土中出現(xiàn)較多的孔洞,抗壓強(qiáng)度反而有所降低。

圖2水灰比不同時(shí)試塊的平均抗壓強(qiáng)度Fig.2 Average compressive strength of the test blocks with different water cement ratio

2.2 水泥品種對(duì)HSLC的影響

圖3 所示為水灰比相同時(shí),不同品種的水泥對(duì)混凝土試塊抗壓強(qiáng)度的影響。其中A、G試塊使用的是強(qiáng)度等級(jí)較高的鋁酸鹽水泥,而H、I試塊使用的是42.5R的硅酸鹽水泥,A和H(或G和I)試塊除了所用水泥的品種不同外,其余原材料均相同。從圖可以看出,使用鋁酸鹽水泥的試塊抗壓強(qiáng)度明顯高于硅酸鹽水泥的試塊。因此,在配合比相同的前提條件下,實(shí)驗(yàn)過(guò)程所用到的水泥強(qiáng)度等級(jí)越高,所制備出來(lái)的混凝土強(qiáng)度越高。

圖3不同水泥品種下試塊的平均抗壓強(qiáng)度Fig.3 Average compressive strength of the test block with different cement types

2.3 硅微粉/漂珠對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 所示為相同水灰比的條件下,不同硅微粉/漂珠下試塊的平均抗壓強(qiáng)度圖。由圖可以看出,E與C試塊的平均抗壓強(qiáng)度值相差很大。E與C試塊的最顯著區(qū)別在于原材料中是否添加了漂珠(見(jiàn)表2),其中E試塊添加了漂珠,而C試塊沒(méi)有。漂珠作為一種減輕劑,在配制HSLC的過(guò)程添加漂珠,通常有利于減輕混凝土試塊的表觀密度。然而,作為一種硅質(zhì)的空心球體,漂珠自身的強(qiáng)度通常比較低,不能經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的摩擦與碰撞,這就使得只添加漂珠的HSLC試塊的抗壓強(qiáng)度明顯低于不添加漂珠的HSLC試塊。

對(duì)C、E、G試塊的組成成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),G試塊和C、E試塊的區(qū)別在于是否采用了礦物摻和料的復(fù)摻技術(shù),G試塊采用了“硅微粉+漂珠”的復(fù)摻技術(shù),其中,m(硅微粉)/m(漂珠)=0.091/0.091,而C和E試塊則分別采用的是硅微粉和漂珠的單摻技術(shù)。礦物摻和料的化學(xué)成分如表4所示。

在HSLC的配制過(guò)程中,礦物摻和料這種工業(yè)廢料起著不可替代的作用。一方面可以保護(hù)環(huán)境,另一方面可以改善混凝土的力學(xué)性能等。在水灰比相同的情況下,采用復(fù)摻技術(shù)對(duì)于HSLC的相關(guān)性能極為重要。G試塊硅微粉的摻量為水泥用量的5%,而C試塊的摻量為水泥用量的10%,E試塊沒(méi)有加入硅微粉。由于硅微粉具有很強(qiáng)的火山灰活性,可以用于配制高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土,其摻量通常為水泥用量的5%,而在配制超高強(qiáng)混凝土?xí)r,摻量可達(dá)20%左右。由圖4可以看出,摻入的硅灰越多,混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度越高。而添加漂珠有利于HSLC試塊輕質(zhì)化,但一定程度上會(huì)降低試塊的抗壓強(qiáng)度。因此,需在兼顧高抗壓強(qiáng)度的同時(shí),適當(dāng)輕質(zhì)化,從而使配制的HSLC滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。目前HSLC的研究大都集中于單摻的方法,對(duì)于復(fù)摻兩種或兩種以上礦物的研究較少。復(fù)摻法在普通混凝土的配制中能夠產(chǎn)生很好的“疊加效應(yīng)”,對(duì)于復(fù)摻法能否對(duì)HSLC產(chǎn)生相同的效果,以及在什么范圍內(nèi)達(dá)到最佳效果等,值得進(jìn)行深入的探究。

此外,對(duì)于HSLC的研究還需從多方面進(jìn)行考慮,如外加劑量的調(diào)節(jié);粉煤灰陶?；炷恋目箖鲂阅?、抗?jié)B性能;粉煤灰陶?；炷恋钠谠囼?yàn)等,從而實(shí)現(xiàn)HSLC性能的最優(yōu)化。

3 結(jié) 論

用粉煤灰和頁(yè)巖陶粒等為基本原料制備了HSLC,研究粉煤灰陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度。結(jié)果表明:

(1)HSLC的強(qiáng)度主要與混凝土的水灰比以及輕集料的強(qiáng)度有關(guān)。在輕集料強(qiáng)度一定的條件下,HSLC的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨水灰比的增加而提高;水灰比在一定時(shí),輕集料的強(qiáng)度對(duì)HSLC的強(qiáng)度起著決定性的作用。因此,制備HSLC的關(guān)鍵在于選擇強(qiáng)度等級(jí)較高的輕集料。

(2)在兼顧HSLC抗壓強(qiáng)度的同時(shí),原材料中可適當(dāng)添加漂珠以實(shí)現(xiàn)混凝土試塊的輕質(zhì)化。

(3)所用不同品種的水泥也會(huì)對(duì)混凝土試塊抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。鋁酸鹽水泥試塊的抗壓強(qiáng)度明顯高于硅酸鹽水泥的試塊。因此,在配合比相同時(shí),實(shí)驗(yàn)過(guò)程所用到的水泥強(qiáng)度等級(jí)越高,所制備出來(lái)的混凝土強(qiáng)度越高。