改性陶粒對陶粒混凝土性能影響的研究*

劉冰宇 顧開旭 李金寶 李志遠

（西安歐亞學院，陜西 西安 710065）

隨著社會的發展，科技發展日新月異。在建筑行業，逐漸出現了一些新型材料，如巖棉、防輻射玻璃、綠色水泥等，陶粒也是其中之一，陶粒形狀因工藝不同而各異，外形一般呈圓球或橢球形，也有一部分呈不規則碎石狀。其表面是一層堅硬的外殼，這層外殼呈陶質或釉質，具有隔水保氣作用，并且賦予陶粒較高的強度，逐漸取代砂石在混凝土中骨料的支撐作用。

陶粒的生產原料很多，有黏土陶粒、頁巖陶粒以及垃圾陶粒。陶粒自身的堆積密度小于1100kg/m3，一般為300kg/m3～900kg/m3。以陶粒為骨料制作的混凝土密度為1100kg/m3～1800kg/m3，相應的混凝土抗壓強度為30.5MPa～40MPa。陶粒混凝土具有質量輕、保溫性能好、抗滲性能好、耐火性好、適應性強等特點。

在1976年唐山大地震中，天津建造的4棟陶粒混凝土大板建筑均基本完好，并能正常使用，而其周圍相當數量的磚混建筑都不同程度地受到震害，這雖然與建筑結構體系有關，但是陶粒混凝土具有優良的抗震性能也是一個重要原因。1976年意大利費留利地區發生9級的強烈地震，統計資料表明，磚混建筑物損壞率達40%～60%，框架結構黏土空心磚損壞率為33%，而陶粒混凝土建筑損壞率只有5%。

陶粒混凝土的耐酸堿腐蝕和抗凍性能也比一般混凝土要好很多。在1976年，有關部門對全國自1985年以來建成的混凝土工程進行了實測，結果表明，無論是現澆還是預制的，室內還是室外的，混凝土中的鋼筋都沒有發生銹蝕，測得碳化深度一般不大于30mm，后期的強度還可以持續地增加，從這些可以看出陶粒是一種優異的建筑材料，應該大力推廣使用。但是由于干燥陶粒在吸水后導致混凝土攪拌物坍落度下降，吸水率越大時，坍落度損失越大，而且，由于陶粒和水泥砂漿密度存在較大的差異，導致陶粒混凝土在攪拌過程中易出現分層離析的問題，因此，陶粒混凝土易分層離析、坍落度損失大，加之在壓力的作用下，輕集料易吸收混凝土中的水分，導致混凝土產生裂縫，降低混凝土的強度。

為了探究陶粒混凝土的性能，計劃對陶粒進行改良，并研究改良后陶粒對混凝土和易性及強度的影響。

1 試驗原料及試驗設計

1.1 試驗原料

陶粒：陜西元豐寶節能建材有限公司，500級圓球形黏土陶粒，符合GB/T17431.1-2010《輕集料及其試驗方法第1部分：輕集料》標準技術要求，陶粒的主要性能指標見表1。

表1 陶粒的主要性能指標

水泥：上海海螺水泥有限公司，P·O42.5普通硅酸鹽水泥；

粉煤灰：河南省鞏義市元亨凈水材料廠，Ⅱ級粉煤灰；

粒化高爐礦渣：河南省鞏義市元亨凈水材料廠，S95級礦渣粉；

砂：Ⅱ級級配天然河砂，堆積密度為1620kg/m3；

外加劑：陜西渤海化工有限公司，FSW-13型聚羧酸防凍泵送劑；

水：西安市自來水。

1.2 試驗設計

本試驗混凝土設計強度等級均為C30，破碎陶粒取代率配料見表2。

表2 破碎陶粒取代率配料表/kg/m3

2 破碎陶粒的篩分級配

采用JGJ52－2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》進行破碎陶粒試驗。利用顎式破碎機（型號Y90L-4）對完整陶粒進行破碎，試驗儀器包括實驗篩、料桶、臺秤、搖篩機、烘箱、淺盤、軟毛、硬毛刷。試驗儀器取用與保養均滿足規范要求，操作步驟標準，采用試驗修正系數方法修正計算結果，修正系數的測定須按標準規定的方法進行。破碎陶粒的篩分級配試驗數據見表3和圖1。

表3 破碎陶粒的篩分級配

圖1 破碎陶粒的篩分級配

從表3和圖1中可以看出，破碎陶粒的級配符合GB/T14685-2011《建設用卵石、碎石》規范中對連續級配的要求。連續級配的混凝土和易性較好，不容易發生離析現象。

3 兩種陶粒不同時間的吸水率

通過吸水率試驗了解兩種不同陶粒相同時吸水率的差異。本試驗取相同質量的試驗品6份置于容器中，使陶粒完全沉于水中，充分浸泡1h～7d。所用到的儀器有容器、量筒、天平、毛巾。在陶粒充分浸泡后，用濕毛巾把陶粒表面水漬擦拭干凈后稱量。兩種陶粒不同時間的吸水率結果見表4和圖2。

表4 兩種陶粒不同時間的吸水率/%

從圖2可以看出，在同一時間內破碎陶粒的吸水率高于完整陶粒。原因主要包括：①相同質量下破碎陶粒表面積高于完整陶粒，吸水表面積大，吸水率高；②相同質量破碎陶粒的孔隙率大于完整陶粒的，完整陶粒孔細且不易吸水，破碎陶粒孔大易吸水。

圖2 兩種陶粒不同時間的吸水率

因為破碎陶粒吸水率過大，所以破碎陶粒在實際應用過程中需用水浸泡，以防止混凝土坍落度過低，流動性不足。通過表4和圖2可知破碎陶粒浸泡6h，每小時平均吸水率為2.2%，而6h～7d的每小時平均吸水率為0.01%，所以破碎陶粒浸泡時間最好為6h。

4 不同破碎陶粒取代率的和易性

通過測試不同取代率的坍落度和泌水率來反映陶粒混凝土的和易性，試驗結果見表5。

表5 混凝土和易性

通過表5可以得出，隨著破碎陶粒在混凝土中取代率的提高，坍落度也穩定在規定范圍內。泌水率的降低，說明混凝土保水性能提高。反映混凝土和易性的兩個指標，坍落度和泌水率均優良，所以可以得出陶粒混凝土中破碎陶粒的取代率越高，其和易性越好。

5 不同取代率下陶粒混凝土各齡期抗壓強度值

試驗采用的標準為GB/T50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，取破碎陶粒取代率分別為0%、25%、50%、75%、100%的各三組測試其3d、7d、28d的強度，最后計算得出強度代表值，見表6。

表6 不同取代率下陶粒混凝土各齡期抗壓強度代表值/MPa

從表6和圖3可以得出，不同取代率在養護3d～28d之后，取代率為100%的破碎陶粒混凝土，從3d~28d抗壓強度一直高于其他取代率。破碎陶粒表面粗糙，粘結力比較大，完整陶粒表面光滑，粘結力比較小，所以隨著破碎陶粒取代率的增加，混凝土的強度也增大。因此，在實際工程中，使用100%破碎陶粒取代率最為合適。

圖3 不同取代率下陶粒混凝土各齡期抗壓強度代表值/MPa

6 結語

對于完整陶粒混凝土出現坍落度損失大、易分層離析等問題，現用破碎陶粒取代完整陶粒的方法來改善混凝土性能。破碎陶粒與完整陶粒各種性能相比得出以下結論：①破碎陶粒的級配符合GB/T14685-2011《建設用卵石、碎石》中對連續級配的要求，能夠使混凝土和易性變得更好，使用破碎陶粒不容易發生離析現象；②因陶粒吸水率高，可通過對陶粒提前浸泡水，混凝土攪拌時減少陶粒吸水來降低離析發生的概率。浸泡6h破碎陶粒的每小時吸水率為2.2%，在6h～7d，每小時吸水率降低到0.01%，因此，為滿足工程應用陶粒應預先浸泡6h后再使用；③當破碎陶粒的取代率為100%并且浸泡水中6h之后，破碎陶粒混凝土性能和強度均比完整陶粒混凝土的優異；④通過研究不同取代率破碎陶粒對混凝土和易性的影響，當取代率為100%時，混凝土坍落度及保水性優良；取代率為100%時，混凝土3d～7d的強度均高于其他取代率的強度；因此，破碎陶粒取代率為100%時，可使混凝土的綜合性能最優；⑤陶粒吸水率比較高，生產時可對其進行憎水處理，可有效降低陶粒的吸水率，在工程施工時可以直接使用，降低人力及物力的成本。