不同種類輕骨料混凝土力學性能和耐久性研究進展

高 峰,錢言宏,王洪亮,李學奎,宋普濤,盧嘉一,王 晶,冷發光

(1.聊城市交通發展有限公司,聊城 252000;2 .中國建筑科學研究院有限公司,北京100013; 3.山東高速青島建設管理有限公司,青島266300;4.建研建材有限公司,北京 100013)

當代混凝土的骨料因經常采用河砂、碎石等造成了天然資源的損耗。利用固廢作為摻合料制備混凝土有利于減少天然資源的消耗,特別是資源化利用煤矸石制備輕骨料混凝土,不僅節約天然骨料資源,還能減少固廢對環境的污染。輕質骨料混凝土具有很多優勢,比如建筑物自重低,地基承載力小,抗震性能強。為了推動輕質骨料混凝土的發展進程,眾多學者開展了大量相關研究,論文重點概述了各種輕骨料對混凝土力學性能和耐久性能的影響規律,總結了功能性外加劑、摻合料及纖維對輕骨料混凝土力學和耐久性能的提升作用。

1 輕骨料混凝土的力學性能

1.1 煤矸石骨料混凝土的力學性能

煤矸石是在煤礦開采過程中排放的固體廢棄物,如果大量堆積會對環境造成嚴重污染。由于我國是煤炭生產大國,所以應該盡快資源化高效利用煤矸石。傳統建筑行業大量消耗天然砂石作為混凝土的骨料已不符合可持續發展的理念。因此,煤矸石資源化利用作為混凝土的骨料,將促進煤矸石骨料混凝土在建筑結構領域的廣泛應用。綜合利用煤矸石和礦渣制備混凝土是一種可提高抗壓強度的方法[1]。然而,原始煤矸石摻量過大會影響混凝土的抗壓強度。若煤矸石經過煅燒,其火山灰活性會提升,可明顯提高混凝土的抗壓強度。還得出結論,鋼管混凝土比鋼筋混凝土更適合使用煤矸石作為結構粗骨料。總體來說,使用煤矸石和礦渣制備的混凝土具有較高的抗壓強度,而煅燒煤矸石可以替代原始煤矸石來進一步提高混凝土的抗壓強度[2]。然而,需要注意的是,在煤矸石替代率較高時,混凝土的力學性能會受到一定的影響,所以鋼管混凝土更適合使用煤矸石作為結構粗骨料。

1.2 陶粒混凝土力學性能

陶粒混凝土是一種綠色建筑材料,符合國家綠色建筑標準,因其具有自重和強度低的特點,主要應用于非承重墻領域。因為陶粒內部孔隙較大,抗壓強度低于普通礫石,所以陶粒制成輕骨料混凝土的強度通常低于普通混凝土。除此之外,陶瓷本身的粒徑、形狀和顆粒級配等參數也會影響混凝土性能。因此,為了加強陶粒在混凝土工程中的應用,相關學者開展了提高陶粒混凝土力學性能的研究。Liu等[3]研究了城市污泥和陶粒協同制備輕骨料混凝土的性能和反應機理。結果發現,大粒徑陶瓷會減小混凝土的強度和工作性能。但是,在此基礎上添加一定的外加劑可提高混凝土的強度和工作性能。此外,作者還發現隨著混凝土中水灰比減小和砂率增大,混凝土的抗壓強度也會升高。趙威等[4]探究了陶粒的形狀對混凝土性能的影響。結果表明,當陶粒的形狀是球形時混凝土抗壓強度較高;若陶粒的形狀是棒狀,則混凝土抗折強度更高;綜合發現采用球形、方形和棒狀陶瓷時混凝土具備優異的力學性能。

1.3 浮石混凝土力學性能

浮石指火山噴發后巖漿冷卻形成的一種礦物質,主要成分是二氧化硅、質地軟、比重小能浮于水面,故稱浮石,通常被用作天然輕質骨料。浮石體內存在較多孔隙,導致它的強度低于普通碎石。將浮石作為粗骨料制備混凝土,具有輕質、吸水率高等特點。同時,因浮石內部存在氣孔,浮石輕骨料混凝土的強度較低。浮石資源豐富、重量輕,被廣泛應用制作輕質骨料混凝土。OZ等[5]開展了酸性浮石部分取代碎石制備混凝土及其性能研究。結果發現,酸性浮石取代一半的碎石,混凝土的總孔隙率會升高,其中酸性浮石多孔,可提高混凝土的滲透系數。因此,酸性浮石混凝土具有輕質和吸水高的特點。Hariyadi等[6]參照普通骨料多孔混凝土,研究了不同比例的火山浮石骨料對混凝土力學性能的影響。結果發現,隨著火山浮石的摻入可以升高混凝土孔隙,降低混凝土的彈性模量和強度,可制備成一種吸收沖擊的輕質多孔聲學結構材料。

1.4 其他輕骨料混凝土力學性能

Shafigh等[7]對比研究了油棕櫚殼混凝土與膨脹粘土料混凝土的力學性能。結果表明,油棕櫚殼輕質骨料混凝土的干密度高于膨脹粘土輕集料混凝土(約5%),油棕櫚殼輕骨料混凝土的劈裂強度比膨脹粘土輕骨料混凝土提高了16%～44%。油棕殼混凝土的水化初期干收縮率比膨脹粘土混凝土高出1倍;但是在水化后期90 d時干縮率減少至35%。此外,Srinivas等[8]研究了用椰殼和聚苯乙烯泡沫微珠代替粗骨料制備混凝土。結果發現,當聚丙烯纖維摻量為1%時,混凝土的抗壓、抗彎和劈裂拉伸強度最佳,這表明聚苯乙烯微球可以制備輕質混凝土。

2 輕骨料混凝土耐久性能

2.1 煤矸石混凝土耐久性能

煤矸石資源化利用可作為混凝土的輕質粗骨料。然而,煤矸石骨料本身存在著吸水率大和多孔的問題,這可能會影響混凝土的整體性能。另外,煤矸石還包括原狀煤矸石和自燃煤矸石等不同類型,這些不同類型的煤矸石在混凝土中應用會導致不同的效果。因此,煤矸石混凝土的耐久性成為了研究人員們關注的焦點之一。為了推進煤矸石資源化利用,學者們通過從不同的角度研究煤矸石混凝土的耐久性問題,為煤矸石進一步應用和發展提供了有價值的信息和建議。Ma 等[9]先將煤矸石煅燒700 ℃,然后作為粗骨料,結合堿激發礦渣膠凝材料制備混凝土。主要研究了該混凝土耐久性,具體探究了煤矸石摻量對混凝土耐久性的影響。結果表明,凍融循環前期,煅燒煤矸石對混凝土的抗凍性提升高于原煤矸石,但是后期相反。此外,隨著煤矸石摻量增加,混凝土的抗Cl-滲透和抗硫酸鹽侵蝕性能提升。Guan等[10]調研了煤矸石替代率對混凝土抗凍性的影響。結果表明,在凍融循環作用下,摻入煤矸石的混凝土,其力學性能損失率低于普通混凝土,但是過量的煤矸石摻入,導致煤矸石混凝土的抗凍性低于普通混凝土。

2.2 陶粒混凝土耐久性能

陶粒與普通碎石和天然砂對比,因其粗糙多孔和水泥漿體易包裹在一起,粘結性較好。同時,水泥能對陶粒內的孔隙起到很好的填充效應。因此,陶粒混凝土比普通混凝土具有更優異的抗凍抗滲性,服役壽命更長。陶粒的耐久性能與骨料預濕程度、骨料取代率等有關,所以通過添加纖維、外加劑等外摻料可顯著改善陶粒混凝土的耐久性能。

Gong等[11]對比探究了減縮劑、聚丙烯纖維及兩種添加劑協同作用對混凝土耐久性的影響規律。結果發現,當摻加一種減縮劑時,隨摻量升高混凝土的早期膨脹值升高,體積收縮減小;同時摻入聚丙烯纖維到混凝土,混凝土的早期體積膨脹值下降,體積收縮變化不大,提高了混凝土體積穩定性;因此,兩種添加劑的協同作用對混凝土的體積收縮貢獻較大。Ji等[12]對比探究了不同陶粒預濕程度對混凝土早期體積自收縮的影響規律。結果發現,在水化初級階段,一天的預濕陶粒可提高混凝土早期體積自收縮。在水化后期階段,混凝土膨脹應變明顯減小。所以隨陶粒預潤濕度升高,混凝土的早期體積自收縮降低。

2.3 浮石混凝土耐久性能

浮石外表面具有一定的火山灰活性,而且浮石本身具備較高的耐久性。為了充分利用浮石的特征,相關學者深入研究了浮石的耐久性,比如長期的抗凍性、抗滲性和抗碳化性能等。Wang等[13]深入分析并建立了浮石制備混凝土的凍融損傷模型。研究過程中,作者采用勞傷理論具體地分析了浮石混凝土的物理特性,修正了靜壓力計算方法。研究結果為:實驗中浮石混凝土的靜水壓主要在-20～-5 ℃,普通混凝土的靜水壓在-5～0 ℃的范圍。通過對比孔壓溫度的區別,表明浮石混凝土比普通混凝土抗凍性更加優異。如果再加入引起氣劑,浮石混凝土的靜水壓顯著下降,進一步說明引氣劑能強化混凝土抗凍性。此外,Madani等[14]開展了浮石和硅灰協同制備綠色混凝土的耐久性研究。結果表明,單摻浮石無法增強混凝土的抗滲透性和毛細管吸水率。然而,當硅灰和浮石協同摻入量為60%,水化28 d時,浮石被很好地擴散。當水化90 d時,浮石進一步強化了混凝土耐久性,這主要與硅灰對混凝土中漿體微觀孔結構及水化產物的改善作用有關。

2.4 其他輕骨料混凝土耐久性能

相關學者還研究了其他輕骨料混凝土的耐久性,比如,Dong等[15]利用不同比例的風積沙代替河砂制備輕骨料混凝土,并詳細分析了風積沙的混凝土抗凍性。當風積沙摻量大于1/3時,混凝土的抗凍性變差;當風積沙的摻量小于1/3時,混凝土抗凍性升高。作者經過大量研究發現風積沙最佳摻量范圍是20%～30%。此外,盧文明[16]探究了不同比例的橡膠顆粒作為集料制備混凝土,并研究其抗滲和抗凍性。結果發現,隨著橡膠顆粒摻入量提升,混凝土的抗滲性降低。試驗的混凝土與普通混凝土相比,抗滲性更優異。抗凍性結果表明,橡膠顆粒最佳摻量為20%,混凝土具備最優異的抗凍性。

3 結 語

輕骨料質量低于普通碎石,可以減小輕骨料混凝土質量。輕骨料混凝土應用于工程,既降低了建筑物自重,又緩解了地基承載壓力。此外,因為輕骨料多孔、孔隙率大、強度低于普通碎石,所以輕骨料混凝土的力學性能較低,陶粒、煤矸石等在輕骨料混凝土中大摻量應用受限。

該文調研和分析了當前文獻中多種摻合料和外加劑對輕骨料混凝土力學性能和耐久性的影響規律和工程應用,匯總了輕骨料混凝土在力學性能和耐久性方面存在的問題。隨著國內外功能型外加劑、礦物摻合料技術的發展及混凝土配制技術的進步,輕骨料混凝土的力學性能和耐久性會逐漸提高。