頁(yè)巖陶粒混凝土長(zhǎng)齡期力學(xué)性能和耐久性能研究

焦雙健，王磊，李江海

（1中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2石家莊市京昆高速石太管理處，河北 石家莊 050000）

頁(yè)巖陶粒混凝土長(zhǎng)齡期力學(xué)性能和耐久性能研究

焦雙健1，王磊1，李江海2

（1中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2石家莊市京昆高速石太管理處，河北 石家莊 050000）

為測(cè)定頁(yè)巖陶粒混凝土的長(zhǎng)齡期力學(xué)性能和耐久性能，在同坍落度和同水灰比的條件下配制了兩種強(qiáng)度的頁(yè)巖陶粒混凝土和碎石混凝土。研究結(jié)果表明：兩種強(qiáng)度的頁(yè)巖陶粒混凝土均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)號(hào)；28d后頁(yè)巖陶粒混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)，且抗折強(qiáng)度增幅較碎石混凝土大；頁(yè)巖陶粒混凝土的抗凍性和抗?jié)B性?xún)?yōu)于碎石混凝土；頁(yè)巖陶粒混凝土的干縮性和耐磨性與碎石混凝土相當(dāng)。

頁(yè)巖陶粒混凝土；碎石混凝土；長(zhǎng)齡期；力學(xué)性能；耐久性能

0 引言

碎石型頁(yè)巖陶粒其表面粗糙多孔，內(nèi)部具有大量的封閉孔隙，用其制備而成的頁(yè)巖陶粒混凝土具有質(zhì)輕、高強(qiáng)等優(yōu)良特性。在國(guó)外，高性能輕集料混凝土已廣泛應(yīng)用于各種土木工程及其它結(jié)構(gòu)工程[1-4]。目前，我國(guó)陶粒混凝土主要被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)保溫的建筑墻體材料，部分應(yīng)用于橋面鋪裝，而極少應(yīng)用于公路路面[5-8]。我國(guó)對(duì)頁(yè)巖陶粒混凝土力學(xué)性能的研究大多集中于 28d齡期以前的強(qiáng)度變化，對(duì)于路面混凝土長(zhǎng)齡期的力學(xué)性能研究也至關(guān)重要，另外對(duì)于頁(yè)巖陶粒混凝土的耐磨性等路用性能研究較少，因此制約了頁(yè)巖陶粒混凝土在公路工程中的應(yīng)用。

本文結(jié)合京昆高速石家莊至冀晉界公路工程項(xiàng)目，開(kāi)展頁(yè)巖陶粒混凝土路面的應(yīng)用研究。該項(xiàng)目起點(diǎn)位于曲陽(yáng)橋，與京昆高速和石家莊北繞城高速公路相接，起點(diǎn)樁號(hào)K0+000，經(jīng)過(guò)正定縣、鹿泉區(qū)、平山縣、井陘縣、井陘礦區(qū)，接山西省京昆高速公路山西省界平定至陽(yáng)曲段，終點(diǎn)樁號(hào)K65+000，主線全長(zhǎng)65km。通過(guò)對(duì)頁(yè)巖陶粒混凝土進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，分析頁(yè)巖陶粒混凝土長(zhǎng)齡期抗壓、抗折強(qiáng)度，干縮性、抗凍性、抗?jié)B性以及耐磨性等耐久性能，并與依托工程普通水泥混凝土路面性能對(duì)比，探討頁(yè)巖陶粒混凝土長(zhǎng)齡期抗壓、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)以及抗凍性和抗?jié)B性的優(yōu)越性，對(duì)有效利用地方頁(yè)巖資源、拓寬高強(qiáng)輕質(zhì)頁(yè)巖陶粒的公路工程應(yīng)用具有積極的意義。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥： P.O42.5級(jí)。

（2）頁(yè)巖陶粒：5～20mm連續(xù)級(jí)配，堆積密度705kg/m3，筒壓強(qiáng)度7.5MPa,1h吸水率8%。

（3）碎石：5～20mm連續(xù)級(jí)配，堆積密度1540kg/m3。

（4）砂：河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，堆積密度1630 kg/m3，含泥量1.6%。

（5）減水劑：聚羧酸減水劑，減水率25%，含氣量3.4%。

（6）水：自來(lái)水。

1.2 配合比

依據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51-2002和《碎石混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55-2011，設(shè)計(jì)頁(yè)巖陶粒混凝土和碎石混凝土配合比，見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.3 試件成型

試件制備前應(yīng)將頁(yè)巖陶粒預(yù)濕24h，之后瀝干表面水分或用濕毛巾擦干。將預(yù)濕頁(yè)巖陶粒、砂、水泥依次投入強(qiáng)制式攪拌機(jī)中攪拌1min，之后加入水和減水劑攪拌2min，攪拌后的頁(yè)巖陶粒混凝土分兩次裝模，第一次裝至試模高1/2以上，人工插搗密實(shí)；第二次裝至高出試模 20mm，用平板振動(dòng)器振搗至表面出漿，約5s，抹平后置于平整地面，此時(shí)仍會(huì)有少量陶粒上浮，間隔1h抹面1次，2次抹面后表面即平整。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在空氣中養(yǎng)護(hù)36h，更易拆模，不會(huì)損傷試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 長(zhǎng)齡期力學(xué)性能

頁(yè)巖陶粒混凝土及碎石混凝土28d、60d、90d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)合表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制兩種試配強(qiáng)度的混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度隨齡期變化趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖1、圖2）。

表2 混凝土抗壓強(qiáng)度

表3 混凝土抗折強(qiáng)度

Y40 4.08 7.22 7.48 7.37 7.40 7.50 7.55 S30 5.13 S40 5.71

由表2、表3中抗壓、抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，兩種試配強(qiáng)度的頁(yè)巖陶粒混凝土均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。從混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化可以看出，28d到60d齡期間，頁(yè)巖陶粒混凝土和碎石混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，60d齡期后碎石混凝土抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，而頁(yè)巖陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)。從混凝土抗折強(qiáng)度隨齡期變化可以看出，28d到60d齡期間，頁(yè)巖陶粒混凝土抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較碎石混凝土大；60d齡期后碎石混凝土抗折強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，而頁(yè)巖陶粒混凝土抗折強(qiáng)度繼續(xù)緩慢增長(zhǎng)。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因較多，主要是因?yàn)榛炷林械墓橇虾退唷；炷脸尚统跗冢渌嗍糠值膹?qiáng)度發(fā)展并不充分，此時(shí)混凝土強(qiáng)度的高低就取決于其界面的粘結(jié)程度。碎石多棱角，與水泥石產(chǎn)生較大的摩擦阻力，頁(yè)巖陶粒雖然是碎石狀，但棱角相對(duì)較少，產(chǎn)生的摩擦阻力小，從而導(dǎo)致成型早期頁(yè)巖陶粒混凝土的強(qiáng)度比普通混凝土低。

2.2 抗凍性能

制作LC40頁(yè)巖陶粒混凝土和C40碎石混凝土抗凍試塊各2組，一組用于凍融循環(huán)，另外一組做抗壓強(qiáng)度對(duì)比試件。從試件質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)變化可知，260次凍融循環(huán)內(nèi)頁(yè)巖陶粒混凝土的質(zhì)量損失率低于碎石混凝土。凍融循環(huán)結(jié)束后頁(yè)巖陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度為 55.2MPa，對(duì)比組為 57.3MPa，抗壓強(qiáng)度損失率為3.7%；凍融循環(huán)結(jié)束后碎石混凝土的抗壓強(qiáng)度為51.9MPa，對(duì)比組為58.0MPa，抗壓強(qiáng)度損失率為10.5%。

頁(yè)巖陶粒混凝土的抗凍性能優(yōu)于普通混凝土，這主要?dú)w因于以下兩個(gè)方面：

（1）頁(yè)巖陶粒內(nèi)部含有大量封閉的小孔，不易被水飽和，加上陶粒的吸水作用，使陶粒同水泥漿體的界面區(qū)的水膠比減小，從而導(dǎo)致其界面區(qū)強(qiáng)度比碎石混凝土大。頁(yè)巖陶粒混凝土受凍期間，陶粒內(nèi)部的封閉小孔可對(duì)混凝土內(nèi)水結(jié)冰時(shí)的冰晶壓力起緩沖作用，起到減少膨脹壓力和混凝土內(nèi)應(yīng)力的作用。

（2）在水化后期，頁(yè)巖陶粒混凝土具有“內(nèi)養(yǎng)”效應(yīng)。隨著陶粒混凝土中水泥石毛細(xì)孔中水分的不斷減少，陶粒孔隙中存儲(chǔ)的水分重新回到水泥漿體中，對(duì)界面層的水泥石起到養(yǎng)護(hù)作用，使得外部的水分不易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，用于可凍結(jié)的水分十分缺乏，因此，在凍融交替的過(guò)程中，陶粒混凝土的抗凍性又得到進(jìn)一步的提高。

2.3 抗?jié)B性能

抗?jié)B試驗(yàn)采用HS-4型混凝土滲透儀，采用滲水高度法進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，兩種試配強(qiáng)度的混凝土分別在水壓力0.8MPa和1.0MPa保持24h。頁(yè)巖陶粒混凝土及碎石混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

從圖 1可知，頁(yè)巖陶粒混凝土的抗?jié)B性?xún)?yōu)于碎石混凝土。一方面，頁(yè)巖陶粒表面粗糙，可以增強(qiáng)與水泥砂漿的粘結(jié)性能，水泥砂漿將陶粒緊緊包裹，相互隔離，陶粒與陶粒之間并不能形成連續(xù)的滲水孔道，阻止了水的滲透；另一方面，頁(yè)巖陶粒是多孔結(jié)構(gòu)，隨著齡期的增長(zhǎng)，陶粒中存有的水將對(duì)混凝土產(chǎn)生“內(nèi)養(yǎng)”作用，提高了陶粒表面膠凝材料的強(qiáng)度，也提高了混凝土的密實(shí)度。

2.4 干縮性能

頁(yè)巖陶粒混凝土及碎石混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d后置于干縮室內(nèi)采用混凝土臥式收縮儀測(cè)量試件長(zhǎng)度變化，180d干縮試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 混凝土干縮率隨齡期變化

由圖2知，碎石混凝土14d前收縮變化快，之后收縮減緩；頁(yè)巖陶粒混凝土前期收縮較小，后期收縮較大。頁(yè)巖陶粒是一種多孔材料，預(yù)濕使微孔存儲(chǔ)水分。干縮試驗(yàn)前期，頁(yè)巖混凝土表面水分隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸減少，陶粒孔隙內(nèi)的水分釋放到水泥石中，補(bǔ)充蒸發(fā)掉的水分。干縮試驗(yàn)后期，混凝土內(nèi)水分進(jìn)一步減少，主要是因?yàn)轫?yè)巖陶粒的彈性模量低于碎石，降低了粗骨料對(duì)混凝土收縮變形的抑制能力，所以在試驗(yàn)后期頁(yè)巖陶粒混凝土干燥收縮幅度較大，并且大于碎石混凝土。

2.5 耐磨性能

由頁(yè)巖陶粒混凝土及碎石混凝土耐磨試驗(yàn)結(jié)果可知，頁(yè)巖陶粒混凝土的耐磨性與碎石混凝土相當(dāng)。一方面，粗骨料的強(qiáng)度影響著混凝土的耐磨性，碎石的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于頁(yè)巖陶粒；另一方面，骨料和水泥石與界面黏結(jié)質(zhì)量也影響著混凝土的耐磨性，陶粒表面具有一定的活性，能與吸入陶粒表面開(kāi)口孔內(nèi)的水泥顆粒發(fā)生就地反應(yīng)，使界面強(qiáng)度提高，部分彌補(bǔ)了陶粒混凝土與碎石混凝土耐磨性的差距。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)頁(yè)巖陶粒混凝土和碎石混凝土長(zhǎng)齡期力學(xué)性能和耐久性能試驗(yàn)，可以得出在同坍落度和同水灰比的條件下，頁(yè)巖陶粒混凝土與碎石混凝土達(dá)到相同的強(qiáng)度標(biāo)號(hào)；28d后頁(yè)巖陶粒混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)，抗折強(qiáng)度增幅較碎石混凝土大；頁(yè)巖陶粒混凝土的抗凍性和抗?jié)B性?xún)?yōu)于碎石混凝土；頁(yè)巖陶粒混凝土的干縮性和耐磨性與碎石混凝土相當(dāng)。因此，本文對(duì)于促進(jìn)頁(yè)巖陶粒混凝土的路面應(yīng)用具有一定的價(jià)值。

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1007-6344（2015）08-0046-02