偏高嶺土對(duì)陶粒輕骨料混凝土力學(xué)性能影響研究

陳 茜 ，賈 青，王正君，吳 昊 ，時(shí)廷俊

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)寒區(qū)水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

0 引 言

到目前為止，混凝土在建設(shè)工程中的使用量遠(yuǎn)高于其他建材，混凝土的多功能性、易成型以及低成本是這種材料廣泛使用的關(guān)鍵因素。隨著高層建筑[1]、大跨度橋梁[2]以及海洋工程平臺(tái)的建設(shè)越來(lái)越多，傳統(tǒng)混凝土已經(jīng)無(wú)法滿足工程建設(shè)的要求，輕骨料混凝土具備自重小、熱膨脹系數(shù)低，降低地基承載力等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此對(duì)于輕骨料混凝土的應(yīng)用研究成為熱點(diǎn)。輕骨料混凝土其水泥用量要高于普通混凝土，而水泥的生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳，污染環(huán)境，不利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)今時(shí)代，國(guó)家致力于建筑行業(yè)朝著綠色、節(jié)能、低碳的方向發(fā)展，“雙碳”行動(dòng)推動(dòng)龐大的建筑行業(yè)成為低碳轉(zhuǎn)型的重要領(lǐng)域[4]。

偏高嶺土(MK)是一種可部分替代普通硅酸鹽水泥用于生產(chǎn)混凝土的外摻料，偏高嶺土的使用可以顯著緩解水泥的過(guò)度消費(fèi)，這有助于減少環(huán)境污染的問(wèn)題。同時(shí)，偏高嶺土能有效改善混凝土的性能，偏高嶺土在混凝土中的應(yīng)用研究對(duì)于保護(hù)環(huán)境和提高混凝土性能具有重要意義。周建偉等[5]研究了粉煤灰和偏高嶺土對(duì)混凝土高溫性能的影響，結(jié)果表明：摻粉煤灰和偏高嶺土能提高混凝土表觀破壞溫度，達(dá)到800 ℃，其抗壓強(qiáng)度先增加后降低，能優(yōu)化混凝土高溫性能。劉紅彬等[6]研究不同偏高嶺土摻量對(duì)低水膠比混凝土抗壓、劈裂和彎折強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：偏高嶺土的摻入使絮狀水化產(chǎn)物向塊狀轉(zhuǎn)變，表面形貌由雜亂無(wú)序向平滑有序轉(zhuǎn)化，混凝土抗壓、劈裂、彎折強(qiáng)度隨摻量增加而提高。李波等[7]研究偏高嶺土摻量對(duì)高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度以及抗氯離子滲透性能的影響，研究表明：偏高嶺土顆粒的晶核效應(yīng)和填充作用能夠使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，通過(guò)壓汞法測(cè)試發(fā)現(xiàn)混凝土多害孔和有害孔減少，抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能隨偏高嶺土摻量增加先增大后減小，最優(yōu)摻量為8%。Rashiddadash P研究了偏高嶺土和浮石兩種材料對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)浮石含量增加不利于混凝土的強(qiáng)度，但偏高嶺土不僅可提高早期強(qiáng)度，對(duì)后期強(qiáng)度也有一定的改善。隨著浮石和偏高嶺土含量的增加，纖維的均勻分布變差，降低了試件的彎曲韌性。Swaminathen A N等研究了基于偏高嶺土和稻殼灰的高性能混凝土的強(qiáng)度特性和耐久性能，發(fā)現(xiàn)偏高嶺土和稻殼灰使骨料與水泥漿之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的互鎖作用，其高細(xì)度填充了結(jié)構(gòu)孔隙而更加密實(shí)，使混凝土抗氯離子滲透性降低，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。Yaba H K等用偏高嶺土取代水泥，配制再生粗骨料混凝土，與普通混凝土的工作性能和強(qiáng)度相比較，發(fā)現(xiàn)再生骨料工作性能和強(qiáng)度均低于普通混凝土，摻入偏高嶺土?xí)档驮偕橇匣炷凉ぷ餍阅埽苡行Ц纳茝?qiáng)度。

目前偏高嶺土因其高火山灰活性和豐富的資源，在混凝土中的應(yīng)用引起越來(lái)越多學(xué)者的高度關(guān)注。對(duì)于偏高嶺土在頁(yè)巖陶粒輕骨料混凝土中的應(yīng)用研究還比較有限，文章采用不同摻量的偏高嶺土等量替代水泥制備輕骨料混凝土試塊，進(jìn)行3，7，14，28，60 d齡期的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)以及進(jìn)行掃描電子顯微鏡檢測(cè)(SEM)，探究偏高嶺土和頁(yè)巖陶粒輕骨料作為綠色建筑材料在建設(shè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料

1.1 偏高嶺土

本次試驗(yàn)所用偏高嶺土來(lái)自廣東茂名高嶺科技有限公司生產(chǎn)的，白色粉末狀，不溶于水但在水中易分散，偏高嶺土的主要化學(xué)成分，偏高嶺土的主要化學(xué)成分，見(jiàn)表1。

表1 偏高嶺土的主要化學(xué)成分 wt%

1.2 水泥、砂、陶粒、水和減水劑

采用的材料有：①水泥：采用黑龍江省天鵝牌P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；②粗骨料：5-20 mm頁(yè)巖陶粒；③細(xì)骨料：黑龍江省雙城區(qū)河砂，細(xì)度模數(shù)2.50；④水：采用實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水；⑤減水劑：RSD-21混凝土聚羧酸高性能減水劑。

2 配合比與試驗(yàn)方法

2.1 配合比

基準(zhǔn)組采用混凝土配合比陶粒∶砂∶水泥∶水=531.31∶787.29∶468.87∶168.66，凈水膠比0.36，砂率42%；試驗(yàn)組保持膠凝材料總量與基準(zhǔn)組相同，偏高嶺土分別以膠凝材料質(zhì)量的4%、8%、12%、16%等量取代水泥，其它條件不變。給各組試件進(jìn)行編號(hào)，LMK-00、LMK-04、LMK-08、LMK-12、LMK-16表示摻入0%、4%、8%、12%、16%偏高嶺土的輕骨料混凝土。

2.2 試驗(yàn)方法

首先，將攪拌機(jī)進(jìn)行濕潤(rùn)之后倒入陶粒、砂和偏高嶺土以及1/2總用水量攪拌1 min，之后加入水泥、減水劑以及剩余水?dāng)嚢? min，攪拌完成后分兩次裝模振搗，將混凝土表面抹平，由于輕骨料上浮，隔一段時(shí)間后進(jìn)行二次收漿抹平。本次試驗(yàn)參照GB/T 50081-2019 《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]。試件采用100 mm×100 mm×100 mm的尺寸，放置24 h后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)3、7、14、28和60 d，養(yǎng)護(hù)完成后取出試件，進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果與分析

不同偏高嶺土摻量的陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖1。由圖1可知，相同齡期下，當(dāng)偏高嶺土摻量在0-12%范圍內(nèi)，陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度隨摻量增加而上升；當(dāng)摻量>12%時(shí)，陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度開(kāi)始下降。28d齡期，4%、8%、12%、16%摻量偏高嶺土的陶粒混凝土較基準(zhǔn)組上漲11.85%、16.36%、23.30%、13.75%，偏高嶺土可提高頁(yè)巖陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度，其最優(yōu)摻量在12%。摻量為12%時(shí)，其7d抗壓強(qiáng)度較3d上漲22.05%，14d較7d上漲10.35%，28d較14d上漲5.62%，60d較28d上漲5.20%。這是由于偏高嶺土中具有較高活性的無(wú)定型SiO2和Al2O3，其能促進(jìn)水泥發(fā)生二次水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和水化硅鋁酸鈣，減少定向排列的結(jié)構(gòu)疏松的Ca(OH)2晶體，同時(shí)偏高嶺土的填充效應(yīng)，填充混凝土內(nèi)部孔隙，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而提高抗壓強(qiáng)度。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果與分析

不同MK摻量陶粒輕骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期變化情況，陶粒混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期變化圖，見(jiàn)圖2。由圖2可知，不同偏高嶺土摻量的陶粒混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，相同齡期下，劈裂抗拉強(qiáng)度隨摻量的變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度一致，其強(qiáng)度在12%摻量時(shí)最高。60d齡期時(shí)，4%、8%、12%、16%摻量的劈裂抗拉強(qiáng)度分別較基準(zhǔn)組上漲17.47%、23.79%、34.20%、27.14%。偏高嶺土的高火山灰活性促進(jìn)水化反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物相互交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)度和韌性，從而使劈裂抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)，但摻量過(guò)大時(shí)，偏高嶺土顆粒容易團(tuán)聚，水化反應(yīng)不完全，不利于混凝土強(qiáng)度的進(jìn)一步增長(zhǎng)。

圖1 不同偏高嶺土摻量的陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度

圖2 陶粒混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期變化圖

3.3 強(qiáng)度比分析

陶粒輕骨料混凝土7d、28d抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度比隨偏高嶺土摻量的變化情況，不同偏高嶺土摻量的陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度比，見(jiàn)圖3；不同偏高嶺土摻量的陶粒混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度比，見(jiàn)圖4。強(qiáng)度比是同期齡期下不同摻量的混凝土強(qiáng)度與基準(zhǔn)組強(qiáng)度的比，能夠直觀的反映不同摻量對(duì)混凝土前期和后期強(qiáng)度的影響。由圖可知，7d抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度比均>28d。在摻量0-12%范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度比逐漸增大，在4%摻量時(shí)，7d抗壓強(qiáng)度比28d增長(zhǎng)4.46%；12%摻量時(shí)，7d比28d增長(zhǎng)13%。摻量超過(guò)12%，7d和28d抗壓強(qiáng)度比均有所下降。劈裂抗拉強(qiáng)度比在摻量<12%時(shí)也逐漸增長(zhǎng)，4%摻量時(shí)，7d比28高6.78%；16%摻量時(shí)，7d比28d高14.17%。由此說(shuō)明偏高嶺土對(duì)于頁(yè)巖陶粒輕骨料混凝土早期強(qiáng)度的增益效果要高于后期強(qiáng)度，且隨著摻量的增加，對(duì)于早期強(qiáng)度的增益效果更加明顯，但當(dāng)偏高嶺土摻量過(guò)大時(shí)，對(duì)前后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)效果均變緩。這是由于偏高嶺土的比表面積比水泥大，水化反應(yīng)前期消耗大量的水，隨著偏高嶺土摻量的增加，消耗更多的自由水，阻礙了后期水化反應(yīng)的進(jìn)行，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。

圖3 不同偏高嶺土摻量的陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度比

圖4 不同偏高嶺土摻量的陶粒混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度比

3.4 拉壓比分析

拉壓比是陶粒輕骨料混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度的比值，反映了陶粒輕骨料混凝土的脆性指標(biāo)，拉壓比越高，脆性越低。陶粒輕骨料混凝土拉壓比隨摻量變化情況，陶粒混凝土拉壓比隨摻量變化圖，見(jiàn)圖5。由圖5可知，摻入偏高嶺土，混凝土了拉壓比得到提高，在12%時(shí)達(dá)到最大值，相比基準(zhǔn)組提高12.33%，說(shuō)明偏高嶺土可以改善頁(yè)巖陶粒混凝土的脆性破壞。通過(guò)優(yōu)化界面過(guò)渡層的結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，來(lái)提高混凝土的韌性，但改善效果有限。

圖5 陶粒混凝土拉壓比隨摻量變化圖

4 立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度間的相關(guān)性分析

根據(jù)上述試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，利用SPSS軟件對(duì)12%摻量的偏高嶺土頁(yè)巖陶粒輕骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度之間的相關(guān)性關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到其相關(guān)性函數(shù)關(guān)系式：

fts=0.035fcu1.226

(1)

式中：fts為混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；fcu為混凝土試塊的立方體抗壓強(qiáng)度，MPa。

回歸方程的擬合值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較接近，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.988，說(shuō)明得到的回歸方程足夠精確，立方體抗壓強(qiáng)度-劈裂抗拉強(qiáng)度回歸曲線，見(jiàn)圖6。

5 SEM圖像

對(duì)LMK-00、LMK-12兩組頁(yè)巖陶粒輕骨料混凝土28d齡期水化產(chǎn)物進(jìn)行微觀掃描圖，可以看出，未摻偏高嶺土的混凝土水化產(chǎn)物中有較多的板層狀Ca(OH)2晶體和針棒狀鈣礬石，結(jié)構(gòu)松散，幾乎看不到Ca(OH)2晶體和鈣礬石，摻入偏高嶺土后促進(jìn)水泥二次水化反應(yīng)，消耗更多Ca(OH)2，產(chǎn)生更多的凝膠產(chǎn)物填充包裹在鈣礬石晶體之間，未反應(yīng)的偏高嶺土顆粒能填充在結(jié)構(gòu)孔隙中，使微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，達(dá)到改善強(qiáng)度的效果。

圖6 立方體抗壓強(qiáng)度-劈裂抗拉強(qiáng)度回歸曲線

6 結(jié) 論

文章制備不同偏高嶺土摻量的頁(yè)巖陶粒輕骨料混凝土，分析偏高嶺土對(duì)頁(yè)巖陶粒混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度以及微觀結(jié)構(gòu)的影響，得出以下結(jié)論：

1)摻入偏高嶺土能夠提高陶粒輕骨料混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度，隨著摻量增加，強(qiáng)度先增后減。摻量為12%時(shí)，強(qiáng)度最高，較基準(zhǔn)組抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度分別上漲23.30%、34.20%。偏高嶺土對(duì)頁(yè)巖陶粒混凝土早期強(qiáng)度的增益效果更好，12%摻量時(shí)，7d比28d抗壓強(qiáng)度比和劈裂抗拉強(qiáng)度比分別上漲13.00%、8.57%。偏高嶺土能改善陶粒輕骨料混凝土的脆性，但效果有限。

2)偏高嶺土具有較高的火山灰活性，促進(jìn)水泥發(fā)生二次水化反應(yīng)，減少無(wú)定型Ca(OH)2晶體的堆聚，同時(shí)生成更多的水化膠凝材料形成交織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，偏高嶺土顆粒能夠填充孔隙，使微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高頁(yè)巖陶粒混凝土強(qiáng)度。