粉煤灰陶粒混凝土的研究*

祁會軍，張慧愛，李彥崗，蔣瑞斌

（1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西中旺偉業(yè)建材科技有限公司，山西 太原 030031）

隨著社會的發(fā)展，越來越多的建筑對混凝土提出了新的要求，混凝土不僅強(qiáng)度要高，耐久性要好，質(zhì)量還要輕。采用高強(qiáng)輕骨料混凝土建設(shè)超高層建筑、大跨度橋梁等工程在上海、天津、南京、湖北、珠海、北京、昆明等地成功應(yīng)用，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較佳[1]。輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土（HSLC）已成為了當(dāng)今世界混凝土技術(shù)的發(fā)展方向之一。粉煤灰陶粒具有質(zhì)輕、利廢、環(huán)保等特點，用粉煤灰陶粒配制的混凝土稱為粉煤灰陶粒混凝土，其特點是重量輕，耐久性和保溫隔熱性好，更難能可貴的是抗震性好，體現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟(jì)、社會效益[2]。

本試驗以粉煤灰陶粒作為混凝土用輕骨料，以水泥、粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、硅灰作為膠凝材料，采用聚羧酸高性能減水劑來配制LC80輕質(zhì)高強(qiáng)大流動性混凝土，以利于工程施工。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：考慮實用性，目前混凝土攪拌站大多數(shù)采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥進(jìn)行生產(chǎn)，因此本實驗采用的是山西吉港水泥有限公司生成的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要物理性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥的主要物理性能指標(biāo)

（2）粒化高爐礦渣粉：太原鋼鐵集團(tuán)公司生產(chǎn)的S95級粒化高爐礦渣粉，其物理性能指標(biāo)見表2。

表2 粒化高爐礦渣粉物理性能指標(biāo)

（3）粉煤灰：太原第二熱電廠生產(chǎn)的I級粉煤灰，其物理性能指標(biāo)見表3。

表3 粉煤灰物理性能指標(biāo)

（4）硅灰：外購，其平均粒徑為0.1 μm，比表面積為1.5×104m2/kg，體積質(zhì)量為 2.26 g/cm3。

（5）減水劑：山西華凱偉業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，其物理性能指標(biāo)見表4。

表4 聚羧酸高性能減水劑物理性能指標(biāo)

（6）粉煤灰陶粒：外購，粉煤灰陶粒有3～5 mm和5～10 mm兩種，其物理性能指標(biāo)見表5，6。

表5 5～10 mm粉煤灰陶粒物理性能指標(biāo)

2 實驗方法

本實驗采用粉煤灰陶粒全部作為輕骨料來進(jìn)行輕質(zhì)高強(qiáng)大流動性混凝土LC80的配制。擬采取粉煤灰陶粒骨料作為填充和強(qiáng)度的補充，膠凝材料作為強(qiáng)度的主要來源進(jìn)行混凝土的配合比設(shè)計。

表6 3～50mm粉煤灰陶粒物理性能指標(biāo)

2.1 設(shè)計要求

考慮到混凝土泵送的需要，故和易性要求拌合的混凝土的坍落度在160 mm以上，質(zhì)量均勻，無骨料上浮現(xiàn)象和泌水、離析現(xiàn)象；表觀密度：達(dá)到輕質(zhì)混凝土的要求，表觀密度不超過1 900 kg/m3；抗壓強(qiáng)度：考慮到施工性能，28 d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度配合比試配強(qiáng)度94.0 MPa。

2.2 配合比設(shè)計

為保證混凝土的強(qiáng)度和耐久性，在配合比設(shè)計過程中，部分內(nèi)容參考了JGJ/T 12—2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》和JGJ/T 281—2012《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)，共選取水膠比0.18、0.20、0.22、0.24、0.26、0.28來進(jìn)行混凝土的配合比設(shè)計，根據(jù)不同水膠比和陶粒摻量共設(shè)計18組配合比。在進(jìn)行配合比設(shè)計過程中考慮到輕質(zhì)高強(qiáng)大流動性混凝土的水泥石結(jié)構(gòu)密實性，降低混凝土漿體的表觀密度，提高膠凝材料強(qiáng)度。由于硅灰對強(qiáng)度有更好的促進(jìn)作用[6]，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，向曉峰[7]等配制高強(qiáng)輕骨料混凝土硅灰摻量一般在10%左右，本試驗采取硅灰摻量為10%，粉煤灰摻量為20%，粒化高爐礦渣粉摻量為20%。設(shè)計配合比見表7。

表7 混凝土試驗配合比 kg/m3

2.3 混凝土拌制

本試驗考慮到粉煤灰陶粒屬于多孔結(jié)構(gòu)，具有吸水性，可以降低集料周圍漿體的水膠比，會在拌合過程中造成混凝土拌合物的流動性減小，而且粉煤灰陶粒密度較小，容易在混凝土拌合物中出現(xiàn)上浮的現(xiàn)象。故預(yù)先對粉煤灰陶粒進(jìn)行了預(yù)濕處理，拌合過程中采用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)，先進(jìn)行漿體的拌制，再將預(yù)濕處理后的陶粒加入混凝土中進(jìn)行攪拌1～2 min，直至拌合均勻。

2.4 最佳配合比

2.4.1 混凝土工作性

和易性又稱工作性，是指混凝土拌合物在一定的施工條件下，便于各種施工工序的操作，以保證獲得均勻密實的混凝土性能。和易性是一項綜合技術(shù)指標(biāo)，包括流動性（稠度）、粘聚性和保水性三個主要方面。從混凝土出機(jī)狀態(tài)來看，混凝土拌合物的和易性良好，流動性大，骨料包裹性好，沒有出現(xiàn)骨料上浮、離析、泌水現(xiàn)象，能滿足施工操作要求。

在混凝土中加入硅灰、粉煤灰等摻合料：①由于硅灰具有很高的無定形SiO2成分，其顆粒致密而極其微小，在拌和過程中，硅灰顆粒能夠?qū)炷羶?nèi)部大量自由水進(jìn)行約束，減少了混凝土拌合物的泌水，改善了混凝土內(nèi)部的級配，使得混凝土的粘聚性，粘滯性增強(qiáng)，有效防止了拌合物出現(xiàn)離析、泌水，抑制了粉煤灰陶粒出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。②粉煤灰顆粒大部分是球形的玻璃微珠，粒徑較細(xì)，可以有效改善膠凝材料的顆粒級配，使得水泥顆粒均勻分散，釋放出空隙中的水，降低混凝土用水量，使混凝土具有較好的流動性和較大黏度。

按照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)中坍落度試驗方法來進(jìn)行混凝土拌合物坍落度的測定，擴(kuò)展度試驗方法來進(jìn)行混凝土拌合物擴(kuò)展度的測定，測定結(jié)果見圖3。從圖中可以看出，隨著水膠比的增大混凝土坍落度及坍落擴(kuò)展度均出現(xiàn)增大，這是由于隨著水膠比增大，水的用量增加，膠凝材料用量減少，使得混凝土拌合物的漿體變稀，流動性增大，但流動性的增加會逐漸減小。從本次試驗的6組18小組配合比中，每組選取最佳效果的一個混凝土X*來進(jìn)行比較。從圖3中可以看到選出的6個配合比的流動性均能滿足混凝土拌合物性能要求，達(dá)到泵送的施工條件要求。

圖3 混凝土坍落度及坍落擴(kuò)展度

2.4.2 混凝土的強(qiáng)度

按照GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試模，成型混凝土試件，靜置24 h脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)標(biāo)養(yǎng)28 d后，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗壓強(qiáng)度試驗方法進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度檢測。試驗過程中，粉煤灰陶粒混凝土在壓力機(jī)的荷載作用下，隨著壓力的增大，混凝土試件會發(fā)出細(xì)小的開裂聲，直至在混凝土的側(cè)面出現(xiàn)豎向的裂縫，最終達(dá)到混凝土的極限抗壓強(qiáng)度。從圖2混凝土破型后情況來看，可以看到混凝土中水泥石結(jié)構(gòu)致密，水泥石和陶粒緊密連接在一起，陶粒內(nèi)部破碎，結(jié)合相關(guān)資料分析主要是由于陶粒表面粗糙，陶粒內(nèi)的水分具有一定的養(yǎng)護(hù)作用，隨著水泥水化的進(jìn)行，當(dāng)漿體中水分不足時，陶粒中所吸收的水分釋放出來，對界面層水泥石進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，因而形成加強(qiáng)的界面[8]。

從圖4中可以看出，混凝土試件隨著表觀密度的增大，輕骨料混凝土的強(qiáng)度也在不斷上升，抗壓強(qiáng)度與表觀密度基本是線性關(guān)系。這是由于隨著水膠比的逐漸減小，膠凝材料的增加，粉煤灰陶粒用量的降低，在一定范圍內(nèi)作為降低混凝土輕質(zhì)來源的陶粒的數(shù)量在減少，而作為承重體系的漿體相數(shù)量在增大。均有利于提高混凝土的強(qiáng)度，但其表觀密度也會增大。

圖4 混凝土表觀密度和28 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

從圖5中可以看出，本試驗輕質(zhì)高強(qiáng)大流動性混凝土在早期強(qiáng)度增長最快，7 d到28 d增長趨勢逐漸變緩，28 d后增長緩慢，表觀密度為1 730 kg/m3的輕骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度7 d能夠達(dá)到28 d強(qiáng)度的80%左右，但表觀密度為1 960 kg/m3的輕骨料混凝土7 d到28 d立方體抗壓強(qiáng)度增加更為明顯。由此可見，隨著齡期的增加混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度也在逐漸變大，但其趨勢會逐漸變緩。這是由于隨著膠凝材料的增加，混凝土的表觀密度增大，水泥水化產(chǎn)物增多，膠凝材料中的粒化高爐礦渣粉、粉煤灰、硅灰中的SiO2、Al2O3與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2作用，生成具有膠凝性質(zhì)的二次產(chǎn)物，逐漸填充水泥石內(nèi)部的空隙，增強(qiáng)了骨料界面之間的粘結(jié)力，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)愈發(fā)密實，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度也逐漸變大。從圖5中可以看出編號為1和2的兩組混凝土28 d抗壓立方體強(qiáng)度均達(dá)到了LC80混凝土的設(shè)計強(qiáng)度。

圖5 混凝土齡期和立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

綜合分析可以得出，水膠比為0.20的混凝土配合比，其坍落度為180 mm，表觀密度為1 860 kg/m3，28 d的混凝土強(qiáng)度為95.2 MPa，滿足設(shè)計強(qiáng)度，此混凝土配合比為最佳配比。

3 結(jié)論

（1）采用粉煤灰陶粒作為骨料，可制備出表觀密度不大于1900kg/m3、強(qiáng)度為LC80的高強(qiáng)輕質(zhì)大流動性混凝土。

（2）增加膠凝材料用量、降低水膠比、降低粉煤灰陶粒的摻量均有利于提高粉煤灰陶粒混凝土的強(qiáng)度，但表觀密度會有一定的影響。