陶粒混凝土性能影響因素研究

龔 平 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

混凝土是當今世界上用量最大、用途最廣的土木工程材料之一。普通水泥混凝土具有強度高、施工方便、耐久性好等諸多優點，被廣泛用于各種土木工程中，然而隨著現代工程技術的發展，普通水泥混凝土自重大、保溫絕熱效果差等缺點也日益顯露。由于陶粒混凝土具有輕質、保溫和抗震等特點，因而受到研究者的普遍關注。下面，筆者對陶粒混凝土性能影響因素進行了研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用華新水泥股份有限公司生產的普通硅酸鹽水泥 （P.O42.5），表觀密度3100kg／m3。粗集料采用宜昌寶珠陶粒開發有限責任公司生產的800級陶粒混凝土 （其中圓球形陶粒的表觀密度1400kg／m3，1h吸水率5.5%；碎石形陶粒的表觀密度1400kg／m3，1h吸水率9.8%），并采用普通卵石 （表觀密度2700kg／m3）作對比試驗。細集料采用長江砂 （二區砂），細度模數2.6，表觀密度2600kg／m3。摻合料使用Ⅱ級粉煤灰及武漢新必達微硅粉有限公司生產的硅灰。外加劑使用荊州市恒利外加劑有限公司生產的HL－800聚羧酸高效減水劑 （摻量1%～2%，減水率25%～35%）。

1.2 試驗方法

陶粒混凝土表面多孔，為防止輕骨料吸收新拌混凝土的水分，采用對輕骨料預濕處理的成型方法，即先將陶粒預濕處理，再去掉骨料表面明水，加砂、水泥、摻合料干拌1min，最后加入外加劑和凈用水量繼續拌合2min成型。試件尺寸為150mm×150mm×150mm。為了解骨料種類、粉煤灰摻量、硅灰摻量對混凝土的抗壓強度、表觀密度、比強度的影響，按松散體積法計算配合比［1］。粉煤灰取代水泥量按等量取代法計算，硅灰則按減量取代法 （即1份硅灰取代3份水泥）計算，其配合比如表1所示。

表1 陶粒混凝土配合比表

共進行7組實驗，其中A－0為圓球型陶粒混凝土，B－0為碎石型陶粒混凝土，B－01、B－02、B－03為摻粉煤灰碎石型陶粒混凝土 （摻量分別為10%、15%、20%），B－11、B－12為摻硅灰碎石型陶粒混凝土（摻量分別為5%、10%）。

2 試驗結果及討論

2.1 骨料種類對陶粒混凝土的性能影響

不同種類骨料配制的輕骨料混凝土性能測試結果如表2所示。由表2可知，使用碎石型陶粒為骨料配制的陶粒混凝土與使用圓球型陶粒為骨料配制的陶粒混凝土相比，其表觀密度略高，7d后強度提高38%，28d后強度提高30%，比強度由0.015提高至0.020，而同強度等級的普通混凝土比強度約為0.012）。因此，陶粒混凝土較之普通混凝土在輕質高強性能上均有改善。

表2 不同種類骨料配制的陶粒混凝土性能測試結果表

由于陶粒表面多孔，陶粒經預濕處理后加入水泥干拌，其孔隙內將會吸附部分水泥形成低水灰比的水泥漿，硬化后與包裹在骨料外表面的水泥石形成堅硬整體，使硬化后的水泥石不僅緊密包裹在骨料的外部，還通過骨料的孔隙嵌入陶粒內部形成 “嵌鎖結構”，既使陶粒結構變得更為致密從而增強了骨料自身的強度，同時也大幅度提高了骨料與水泥石的界面粘結強度。此外，陶粒強度較之普通混凝土所用粗骨料強度低，而陶粒與水泥石界面粘結力高，觀察陶粒混凝土破壞特征，發現陶粒混凝土試件受壓破壞時多產生縱向貫穿性裂縫，陶粒破壞斷面清晰，很多裂縫貫穿陶粒和水泥石，碎石型陶粒混凝土較少出現陶粒從水泥石中脫落的現象，而圓球型陶粒混凝土則有少部分完整圓球從水泥石中脫出的現象。普通混凝土破壞時以界面破壞為主要形式，骨料較少發生破壞。由此可見，陶粒與水泥石由于嵌鎖效應的影響［2］，能更好地形成堅固整體，在受壓破壞時，兩者協同作戰，共同承受外加荷載，大幅度提升強度。而陶粒的表觀密度遠遠低于普通混凝土所用集料，因而在獲得與普通混凝土相同強度時可以大幅度提高其比強度。圓球型陶粒表面光滑呈較規則圓球狀 （見圖1（a）），碎石型陶粒表面粗糙多棱 （見圖1（b）），因而碎石型陶粒與水泥石的界面粘結更強，破壞時不出現陶粒從水泥石中脫落的現象，因而用碎石型陶粒配制的陶粒混凝土比圓球型陶粒配制的陶粒混凝土強度更高，比強度也更大。

圖1 不同類型陶粒表面特征圖

2.2 粉煤灰對陶粒混凝土的性能影響

不同粉煤灰摻量配制的輕骨料混凝土性能測試結果表如表3所示。由表3可知，摻粉煤灰的陶粒混凝土表觀密度略高，隨著粉煤灰摻量的增大，陶粒混凝土的強度和比強度逐漸下降，在摻量超過15%后，強度下降明顯。

表3 不同粉煤灰摻量配制的輕骨料混凝土性能測試結果表

粉煤灰的主要礦物組成是玻璃體，這些球形玻璃體表面光滑、粒度細、質地致密、內比表面積小、對水的吸附力小，因此，粉煤灰的加入使混凝土制備需水量減小，降低了混凝土早期干燥收縮，使混凝土密實性得到很大提高；粉煤灰中的微細顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，不僅能填充水泥顆粒間的空隙，而且能改善膠凝材料的顆粒級配，并增加水泥膠體的密實度。因此，摻粉煤灰的陶粒混凝土表觀密度略高于未摻粉煤灰的陶粒混凝土 （見圖2）。粉煤灰中主要含活性SiO2、Al2O3、Fe2O3，在水泥熟料水化生成的Ca（OH）2作用下激發活性發生水化反應。采用等量取代法摻入粉煤灰，隨著粉煤灰摻量的增大，水泥用量減少，起激發作用的Ca（OH）2量減少，此外在初期粉煤灰中活性玻璃微珠吸附一層水膜，粉煤灰活性難以很快激發。因此，隨著粉煤灰的摻量增大陶粒混凝土的7d和28d強度及比強度逐漸下降 （見圖3）。

圖2 粉煤灰對陶粒混凝土性能的影響

圖3 粉煤灰對陶粒混凝土比強度的影響

2.3 硅灰對陶粒混凝土的性能影響

圖4 硅灰對陶粒混凝土性能的影響

圖5 硅灰對陶粒混凝土比強度的影響

摻入硅灰后，陶粒混凝土的強度和比強度均得到大幅度提高，尤其是在硅灰摻量由0%增長至5%時，其28d強度提高了43%，比強度提高了40%；硅灰摻量由5%增長到10%，強度和比強度僅有微小增幅，變化平緩 （見圖4和圖5）。

3 結 論

（1）無論是碎石型陶粒混凝土還是卵石型陶粒混凝土其比強度均遠高于普通混凝土，碎石型陶粒混凝土較同配比的卵石型陶粒混凝土的比強度要高。

（2）隨著粉煤灰摻量的增加，陶粒混凝土的比強度逐漸降低，在粉煤灰摻量超過15%后，比強度下降較快。故粉煤灰摻量不宜超過15%。

（3）摻入硅灰后，陶粒混凝土的強度和比強度均得到大幅度提高。

［1］JGJ51－2002，輕集料混凝土技術規程 ［S］.

［2］張林春，張愛蓮；鄧宏衛 .礦物摻合料對粉煤灰陶粒混凝土抗壓強度的影響 ［J］.混凝土，2010（6）：83－85.