袁龍華，龔穎

（湖南工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 衡陽 421002）

0 前言

混凝土是全世界使用最廣泛的建筑材料。隨著現(xiàn)代高層建筑、大跨度橋梁的縱深發(fā)展，對混凝土材料提出了輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫、隔熱、環(huán)保等一系列要求，輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土成為發(fā)展必然[1]。輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土中骨料約占到總重量的 60%，骨料的性能會(huì)極大地影響到混凝土拌合物的和易性和混凝土強(qiáng)度[2]。目前，學(xué)者研究了粉煤灰、砂率、外加劑對混凝土各方面性能的影響[3-5]，但較少在輕粗骨料影響輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土的和易性及強(qiáng)度方面進(jìn)行研究探討。本文通過制備強(qiáng)度等級為 C70 容重 (1800±50)kg/m3的輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土，采用頁巖陶粒作為粗骨料，通過不同最大粒徑、級配的頁巖陶粒來探究其和易性及強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）P·O42.5 水泥；（2）硅灰；（3）S95 礦粉；（4）Ⅰ級粉煤灰；（5）輕細(xì)骨料選用質(zhì)量合格、級配連續(xù)的普通陶砂，其表觀密度為 1540kg/m3，細(xì)度模數(shù) 2.3；（6）普通砂選用質(zhì)量合格、級配連續(xù)的普通河砂，其表觀密度 2600kg/m3，細(xì)度模數(shù) 2.7；（7）輕骨料采用湖北宜昌光大陶粒制品有限公司所生產(chǎn)的高強(qiáng)碎石型頁巖陶粒，各項(xiàng)性能指標(biāo)如表 1 所示；（8）外加劑聚羧酸高效減水劑，減水率 28%。

表1 陶粒的性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)通過將頁巖陶粒篩分最為大粒徑 19.0mm、16.0mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm 五組；各粒級組分0～9.5mm、9.5～19mm 兩組，以坍落度、抗壓強(qiáng)度、表觀密度為指標(biāo)對輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土工作性能和物理力學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)。坍落度的測定方法按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行；輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土表觀密度和抗壓強(qiáng)度的測定、混凝土拌合物的拌制與成型按照 JGJ 12—2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)配合比

（1）根據(jù) JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》，計(jì)算混凝土試配強(qiáng)度：

（2）確定膠凝材料用量并選擇砂率。

（3）采用絕對體積法計(jì)算粗細(xì)骨料的用量：

式中：

mc、ms、mg——分別為水泥、細(xì)骨料和粗骨料用量，kg；

Vs、Va——分別為每立方米混凝土的細(xì)骨料和粗骨料的絕對體積，m3；

ρc、ρw、ρs、ρa(bǔ)——分別為水泥、水、細(xì)骨料和粗骨料的密度，kg/m3。

通過正交試驗(yàn)和配合比的優(yōu)化，確定最優(yōu)配合比，各項(xiàng)數(shù)據(jù)詳見表 2。

表2 輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土配合比 kg/m3

本試驗(yàn)中配合比設(shè)計(jì)以骨料飽和面干為基礎(chǔ)；細(xì)骨料采用陶砂與河砂混摻的方式，河砂占細(xì)骨料總量的20%。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 頁巖陶粒最大粒徑對混凝土性能的影響

在試驗(yàn)配合比的基礎(chǔ)上，改變頁巖陶粒最大粒徑，探究其對混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表 3、表 4 所示。

表3 不同最大粒徑混凝土拌合物工作性能

表4 不同最大粒徑混凝土抗壓強(qiáng)度 MPa

由表 3 可知，隨著陶粒最大粒徑的減少，混凝土拌合物工作性能也隨之下降，陶粒最大粒徑小于 4.75mm時(shí)，混凝土拌合物流動(dòng)性很差，無坍落度。陶粒最大粒徑 19.0mm 與最大粒徑 16.0mm 混凝土拌合物工作性能接近，一方面是因?yàn)楸敬芜x用的頁巖陶粒 16.0～19.0mm 組分較少，另一方面這兩個(gè)粒徑的陶粒比表面積相差較小，僅有 15.8%，包裹其所用的水泥漿體數(shù)量也比較接近，故而混凝土拌合物的工作性能差別不大。當(dāng)陶粒最大粒徑小于 16.0mm 時(shí)，混凝土拌合物工作性能大幅度下降，對實(shí)際施工操作有較大的影響，主要原因是隨著陶粒最大粒徑減少，陶粒的比表面積成倍增加，增加幅度分別為 68.5%、100%、101.3%，比表面積增加使得陶粒可以吸收更多的水，而拌合用水量沒有增加，導(dǎo)致沒有足夠水分提供給膠凝材料進(jìn)行拌制和分散，造成混凝土拌合物工作性能顯著變差。當(dāng)陶粒最大粒徑小于 4.75mm 時(shí)，混凝土拌合物基本失去工作性能，主要原因是陶粒的比表面積過大，陶粒吸水使拌合物流動(dòng)性降低，本試驗(yàn)配合比條件下水泥漿體數(shù)量嚴(yán)重不足，混凝土拌合物難以拌合、成型。若對工作性能有要求，可適當(dāng)增加膠凝材料的用量。

由表 4 和圖 1 可以看出，隨著陶粒最大粒徑的減小，抗壓強(qiáng)度有所增加，但增加不顯著，僅提升 2% 左右。主要原因是隨著陶粒最大粒徑的減小，膠凝材料更容易填滿骨料之間的空隙，混凝土中膠凝材料漿體與骨料間界面過渡區(qū)的微裂縫變少，使抗壓強(qiáng)度升高，但減少幅度有限，無法從量變到質(zhì)變，應(yīng)該是本試驗(yàn)配制輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度較高，均在 70MPa 以上，接近原材料性能極限，造成混凝土抗壓實(shí)際提升不大。當(dāng)最大粒徑小于 9.5mm 時(shí)，抗壓強(qiáng)度反而降低。主要原因是隨著最大粒徑的減少，骨料比表面積成倍增加，膠凝材料漿體無法完全包裹陶粒，反而造成界面過渡區(qū)有更多的空隙，使抗壓強(qiáng)度降低。

圖1 不同最大粒徑混凝土抗壓強(qiáng)度

3.2 頁巖陶粒級配對混凝土性能的影響

在試驗(yàn)配合比的基礎(chǔ)上，改變粒級組分 G1（0～9.5mm）和 G2（9.5～19mm）的比例，探究其對混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表 5、表 6 所示。

表6 不同粒級組分比例混凝土抗壓強(qiáng)度

根據(jù)表 5 的試驗(yàn)結(jié)果，隨著陶粒粒級 9.5～19.0mm的減少，混凝土拌合物坍落度先增加后減少，陶粒的松散空隙率發(fā)展趨勢大致相反，主要原因是陶粒的松散空隙率低，有利于混凝土拌合物的工作性能。當(dāng)粒級 0～9.5mm 與 9.5～19.0mm 為 1:1 時(shí)，陶粒的松散空隙率最小，混凝土拌合物工作性能最優(yōu)，流動(dòng)性、粘聚性、保水性相對均衡。在不改變混凝土拌合物工作性能條件下，陶粒的松散空隙率低，可以減少膠凝材料用量，從而節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本，減低廢物排放，保護(hù)環(huán)境。陶粒松散空隙率越低，混凝土拌合物工作性能越好。

從表 6 和圖 2 可以得知，隨著陶粒粒級 9.5～19.0mm 的減少，混凝土抗壓強(qiáng)度先增后減，然后再增，陶粒的松散空隙率發(fā)展趨勢大致相反，主要原因是松散空隙率小，粗骨料級配合理，膠凝材料填充細(xì)骨料的空隙，細(xì)骨料填充粗骨料的空隙，水泥水化完全，混凝土試塊密實(shí)度高，內(nèi)部空間基本被填滿，使抗壓強(qiáng)度增加。但混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)際提升不明顯，最大僅提升5.5%。主要原因是本試驗(yàn)配制輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度較高，均在 70MPa 以上，接近原材料性能極限，造成混凝土抗壓實(shí)際提升不大。

圖2 不同粒級組分比例混凝土抗壓強(qiáng)度

4 結(jié)論

（1）隨著頁巖陶粒最大粒徑逐漸變小，混凝土流動(dòng)性變差，粘聚性和保水性有所增加。抗壓強(qiáng)度有所增加，但增加不顯著，僅提升 2% 左右，難以在實(shí)際工程中有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）當(dāng)陶粒粒級 0～9.5mm 與 9.5～19.0mm 為 1:1時(shí)松散空隙率最小，混凝土拌合物工作性能最優(yōu)，流動(dòng)性、粘聚性、保水性相對均衡。同時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最高。實(shí)際工程中應(yīng)采用較低松散空隙率的輕粗骨料。