陶?；炷恋呐浜媳仍O計及力學性能研究

李騰飛 LI Teng-fei；張麗娟 ZHANG Li-juan；阮鉑淮 RUAN Bo-huai；朱懷 ZHU Huai；王志 WANG Zhi

（鄭州大學力學與安全工程學院，鄭州 450001）

0 引言

隨著基本建設的推進和生活設施的擴充，世界各國對水泥混凝土的需求不斷增加。據不完全統計，21世紀前世界水泥產量就已超過13億t，折合混凝土不少于40億m3，2020年我國的混凝土年用量達到了28.99億m3，較上一年同比增長5.47%。一直以來，傳統混凝土原材料的開采和生產不僅對環境資源造成消耗，也增加了污染物質排放。中國每年的砂石用量高達200億噸左右，砂石來源于對山石和河道的大量挖掘，給環境資源造成了不可恢復的損害。而建筑行業是全球第三大碳排放部門，每年全球的水泥需求會產生約占排放總量5%的二氧化碳。面對這種日益增加的環境壓力，用可再生混凝土代替傳統水泥混凝土進行使用，可以減少建筑行業對天然砂石等自然資源的需求和依賴，對環境保護、實現經濟社會的可持續發展具有重要意義。

陶粒混凝土是目前使用較為廣泛的可再生混凝土，在建筑行業、橋梁工程、鐵路工程和水利工程有著廣泛的發展前景。陶?；炷潦侵敢蕴樟Ｗ鳛榇止橇咸娲烊皇优渲贫傻谋砻婷芏刃∮?950kg/m3的混凝土。在美國、挪威、日本等國家，陶粒混凝土常作為大型建筑和橋梁結構混凝土。此外，輕質陶?；炷量捎糜跇蚋脑旃こ毯脱b配式鋼結構外掛板的制備。目前很多學者對陶粒混凝土的微觀結構、力學性能進行研究，并分析不同配合比設計及制備條件對其結構和性能的影響。陶粒混凝土具有輕質高強，抗凍性強，良好的熱工性能以及優良的保溫性能，可以用于裝配式建筑工程中的非承重輕質外圍護結構板的制備。傳統的陶?；炷烈院由盀榧毠橇?，經過不同的配合比設計，其體積密度通常在1700～1900kg/m3之間。本文對輕質陶?；炷恋呐浜媳仍O計進行研究，以制備出抗壓強度高于20MPa，體積密度小于1600kg/m3的輕質陶?；炷?，以推進陶粒混凝土在墻體材料中應用。

1 實驗方案

1.1 實驗材料

水泥：鄭州天瑞集團42.5普通硅酸鹽水泥，28天抗壓強度為44.8MPa。添加粉煤灰為膠凝材料，用量為膠凝材料的10%。粗細骨料分別為陶粒和陶砂，其性能指標如下表1所示。減水劑為減水率為27%的聚羧酸減水劑，用含量為水泥含量的1%。

表1 再生骨料的材料性質

1.2 配合比設計

基于《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）和《輕骨料混凝土應用技術標準》（JGJ/T12-2019），目標抗壓強度的標準值為20MPa，單方用水量選取168kg/m3，水膠比選取0.40，0.45，0.50，體積砂率選取為50%。采用絕對體積法進行配合比計算。陶?；炷恋呐浜媳仍O計見表2。

表2 輕質陶?；炷僚浜媳仍O計（kg/m3）

1.3 試驗方法

將水膠比按照從小到大的順序分為A、B、C三組，每組分別澆筑12個100×100×100mm的標準立方體試塊。高強輕骨料混凝土體積密度測試按照《輕骨料混凝土技術規程》（JGJ51-2002）進行，澆筑后置于室內靜置養護1天后，脫去模具進行稱重，然后將混凝土試塊放入標準養護室內進行養護?；炷亮W性能按照《混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019）進行測試，分別測試混凝土3天和7天的抗壓和劈拉強度。試驗結果如表3所示。

表3 再生混凝土體積密度、抗壓強度和劈拉強度

2 實驗結果分析

2.1 體積密度

基于《輕骨料混凝土應用技術標準》（JGJ/T 12-2019）中的絕對體積法，選取三種不同的水膠比進行陶?；炷僚浜媳鹊脑O計，其體積密度都在1650kg/m3以下。由表3的試驗數據可見：A組陶粒混凝土的體積密度整體要大于B組和C組陶?；炷恋捏w積密度，而B組與C組的整體體積密度差異不大。

A組陶?；炷恋捏w積密度較大是因為其水膠比較小，以為陶粒，陶砂的體積密度要小于膠凝材料的體積密度，所以水膠比越小，相同的體積下膠凝材料的用量較多，陶?；炷恋捏w積密度應該越大。B組的整體體積密度和C組的整體體積密度相差不大，其原因可能是由于陶粒的壓碎指標大、孔隙率和吸水率高，導致陶粒混凝土集料之間存在孔隙，混凝土在攪拌過程中，會帶入一些氣泡，導致陶粒混凝土的體積增大，因此會使混凝土的體積密度減小并影響陶粒混凝土的強度和抗滲性能。C組的水膠比較大，在硬化水泥漿體中將會存在較多的自由水去填補孔隙，而自由水在失去時不會造成體積的變化。所以B組陶?；炷恋捏w積密度大致上呈現出與C組的體積密度相當。

2.2 破壞形態

對于陶?；炷粒捎谄鋬炔拷Y構和強度形成機理等與普通混凝土不同，因此其破壞形態也有自身特點。陶?；炷潦怯捎趦炔刻樟Ｆ茐亩罱K導致陶?；炷恋钠茐?。由于陶粒的彈性模量較低，受壓時，不斷積聚能量，當內部陶粒開始破壞時，積聚的能量大量釋放，陶?；炷疗茐某尸F脆性破壞特征。其典型的破壞形態如圖1（a）所示。試塊的表面存在裂縫，但表面較為完成，并沒有碎渣掉落，也沒有出現試塊破碎的情況。圖1（b）為陶?；炷恋湫偷呐茐膱D片，試件破壞后完全裂成兩半，斷口非常平整，可以看到裂縫貫通整個劈拉面，劈拉斷裂線上可以看到陶粒粗骨料被切為兩半。同時，從圖片中可以看出陶?；炷林写嬖谥罅靠紫?。這是由于陶粒表觀密度小，攪拌和試塊振搗中已造成骨料上浮，引入大量的氣泡，造成混凝土內部存在較多孔洞。

圖1 陶粒混凝土典型破壞形態

2.3 抗壓強度

根據表3中陶粒混凝土3天和28天抗壓強度試驗結果，3種系列下混凝土抗壓強度3天和28天抗壓強度分別如圖2和圖3所示。

圖2 3天齡期抗壓強度

圖3 28天齡期的抗壓強度

由圖2可見，在標準養護3天后其抗壓強度大都在15-17MPa之間，最高可達17.86MPa，標準養護28d后，其抗壓強度大都在20MPa以上，最高可達28.02MPa。在B組標準養護3天后抗壓強度的數據中，3號試件的抗壓強度為9.56MPa，與其他試件存在差異，其可能拌合物振搗時集料與水泥漿體未充分的黏結在一起，由于頁巖陶粒的體積密度較輕，大部分的水泥漿體下沉，集料之間存在較多的孔隙，導致其抗壓強度偏低。

由圖3可見，在標準養護28d后，3組陶?；炷恋目箟簭姸鹊钠骄刀歼_到了20MPa。以0.45的水膠比設計出的陶?；炷恋目箟簭姸茸畹停?.40的水膠比設計出的陶?；炷恋目箟簭姸染又校?.50的水膠比設計出的陶?；炷恋目箟簭姸茸罡?。水灰比大，拌合物的工作性能較好，但是混凝土硬化后，試塊中多余的水分殘留在混凝土內部形成氣泡，或者蒸發后在試塊表面形成氣孔，從而在混凝土的內部及表面形成孔隙，這會降低混凝土抵抗外力的能力。水灰比過小時，拌和物工作性能較差，從而使混凝土中出現較多的孔洞，抗壓強度反而有所降低。與普通混凝土相比，陶粒的摻入使得混凝土內部骨料與水泥石的界面區得到改善，骨料與基體的顯微硬度更為接近，彈性更為協調；當砂漿強度較低時，陶粒周圍增強的界面區以及與砂漿較為良好的彈性協調在一定程度上彌補了陶粒自身對混凝土強度的不利影響，混凝土破壞主要取決于砂漿強度，但當砂漿強度較高時，低強度的陶粒會在一定程度上會降低混凝土的強度。

2.4 劈拉強度

由圖4、圖5的可知，在標準養護3天后其劈拉強度大都在0.8-1.2MPa之間，最高可達1.26MPa，標準養護28d后，其抗拉強度大都在3.0MPa以上，最高可達4.07MPa。其中C組的劈裂抗拉強度最大，A組的劈裂抗拉強度居中，B組的劈裂抗拉強度最小。本文陶?；炷僚瓘姸燃s為其抗壓強度的1/16-1/10，這個關系與普通混凝土基本一致?；炷恋目估瓘姸热Q于骨料和硬化水泥漿的抗拉強度，尤其是骨料與硬化水泥漿二者界面上的粘結強度，陶粒表面與水泥砂漿的粘結強度低于天然骨料混凝土，所以其抗拉強度通常也低于天然粗骨料混凝土抗拉強度。另一方面，本文使用了陶砂作為細骨料，陶砂強度也低于普通砂漿強度，陶砂砂漿與骨料顆粒的粘結力也要低，會進一步降低陶?；炷恋目估瓘姸?。此外，在陶?；炷僚茐膶嶒炛?，抗拉破壞一般會貫穿全部接觸面的較大骨料顆粒，而在普通混凝土中這種現象僅產生于強度很高的混凝土中。這也是造成本文中陶?；炷恋呐瓘姸扰c水膠比關系不大的主要原因。

圖4 3天齡期的劈拉強度

圖5 28天齡期的劈拉強度

3 結論

以頁巖陶粒和陶砂為基本原料，按照不同的配合比設計制備出了輕質陶?；炷?，并對其體積密度，抗壓強度，劈裂抗拉強度進行試驗研究，試驗結果表明：

①使用陶粒和陶砂做粗細骨料，以0.40，0.45，0.50三種不同的水膠比，制備出自重低于1600kg/m3，抗壓強度27.29MPa，劈拉強度為3.13MPa的陶?；炷?。達到了對陶?；炷吝M行減重的目的，實現了陶粒混凝土的輕質化。

②由于陶粒混凝土破壞主要是骨料陶粒的破壞，水膠比對其影響不大，水膠比較大時，陶?；炷恋墓ぷ餍阅茉胶?，0.50的水膠比設計出的輕質陶?；炷恋目箟簭姸群团瓘姸染哂谄渌鼉山M混凝土。