超輕粗骨料淤泥陶粒基本性能研究

袁維華，王潘繡，徐　碩

(金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

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超輕粗骨料淤泥陶?；拘阅苎芯?/p>

袁維華，王潘繡，徐碩

(金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

淤泥陶粒以其自身輕質(zhì)、保溫、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)逐漸被應(yīng)用于工程領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)淤泥陶粒和其他輕集料的對(duì)比，研究了顆粒級(jí)配、堆積密度、吸水率、筒壓強(qiáng)度等基本性能，得出了淤泥陶粒具有良好的顆粒級(jí)配和較輕的密度；同時(shí)，較高的空隙率和吸水率有利于提高淤泥陶粒的強(qiáng)度。

淤泥陶粒；超輕；基本性能

1　研究背景

陶粒是一種常見(jiàn)的建筑人造輕集料，以其自身輕質(zhì)、保溫、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，已成為黏土實(shí)心磚等非可持續(xù)發(fā)展材料的主導(dǎo)代替產(chǎn)品。2001年12月1日，由財(cái)政部、國(guó)家稅務(wù)總局頒布的《關(guān)于部分資源綜合利用及其他產(chǎn)品增值稅政策問(wèn)題的通知》中將“輕集料混凝土條板”列入享受稅收優(yōu)惠政策新型墻體材料目錄，之后頁(yè)巖陶粒、黏土陶粒及其砌塊產(chǎn)品也都得到了長(zhǎng)足發(fā)展。然而，傳統(tǒng)陶粒是以黏土和頁(yè)巖燒制而成，需要開(kāi)鑿大量黏土和礦山，開(kāi)采過(guò)程中破壞嚴(yán)重，環(huán)境負(fù)擔(dān)增加，背離了國(guó)家相關(guān)文件精神，同時(shí)也違背了可持續(xù)發(fā)展原則。因此，尋求一種環(huán)保新型陶粒來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黏土、頁(yè)巖陶粒勢(shì)在必行。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)陶粒甚至新型陶粒都開(kāi)展了大量研究。許國(guó)仁等[1]以黏土為主要原料，添加適量污泥燒制出陶粒產(chǎn)品，篩分并進(jìn)行性能分析，該陶粒產(chǎn)品具有內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)，外表堅(jiān)硬，強(qiáng)度符合要求等優(yōu)點(diǎn)。但是，其主要原料為黏土，大量采用將會(huì)對(duì)環(huán)境資源產(chǎn)生一定的不利影響。鮑騰等[2]采用凹凸棒石黏土，添加水玻璃和鋸末為原料造粒，在氨氣保護(hù)下煅燒制備出凹凸棒石基碳復(fù)合陶粒，并測(cè)得在一定條件下，該陶粒具有較佳的抗壓強(qiáng)度和孔隙率，且在長(zhǎng)時(shí)間的浸泡下仍能保持其強(qiáng)度，具有一定的工程意義。但是，其制作陶粒工藝較復(fù)雜，實(shí)際操作較困難，不適用于實(shí)際工程中。Xu G R等[3]通過(guò)對(duì)污泥、黏土、水玻璃進(jìn)行混合配比，并加熱到不同組溫度進(jìn)行分析，得出燒結(jié)溫度對(duì)污泥陶粒的特性有明顯影響。以上研究雖然對(duì)陶粒產(chǎn)品的燒制和應(yīng)用起到一定指導(dǎo)作用，但由于將重點(diǎn)放置在黏土等陶粒上，而忽視了對(duì)新型陶粒基本性能的深入研究，故未能為新型超輕、環(huán)保陶粒的應(yīng)用提供相關(guān)理論依據(jù)。因此，隨著陶粒制作工藝的發(fā)展和新型陶粒產(chǎn)品的誕生，系統(tǒng)開(kāi)展新型超輕陶?；拘阅苎芯繉?duì)該類(lèi)陶粒的推廣應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以某商品淤泥陶粒為研究對(duì)象，系統(tǒng)開(kāi)展了淤泥陶粒的顆粒級(jí)配、粒型系數(shù)、吸水率等基本性能的實(shí)驗(yàn)研究，并與普通陶粒進(jìn)行了細(xì)致對(duì)比，總結(jié)分析了淤泥陶粒在工程應(yīng)用中的優(yōu)越性和不足。研究成果可為設(shè)計(jì)和施工單位提供有效可靠的數(shù)據(jù)，有助于淤泥陶粒在實(shí)際工程中的大面積推廣。

2　淤泥陶粒的基本性能

根據(jù)《輕集料及其試驗(yàn)方法 第2部分：輕集料試驗(yàn)方法(GB/T 17431.2—2010)》[4]的規(guī)定，對(duì)福州某建筑材料有限公司生產(chǎn)的淤泥陶粒進(jìn)行形態(tài)、顆粒級(jí)配、粒型系數(shù)、堆積密度、表觀密度、空隙率、吸水率及筒壓強(qiáng)度性能測(cè)試。

2.1淤泥陶粒的形態(tài)及顆粒級(jí)配

淤泥陶粒為近似球狀或橢球狀，表面粗糙有氣孔的固態(tài)物質(zhì)，外觀顏色大部分為灰黑色、暗紅色，少數(shù)呈現(xiàn)青灰色，頁(yè)巖陶粒和黏土陶粒的形狀與淤泥陶粒相似，顏色更接近其原料(頁(yè)巖和黏土)本身的顏色，多為暗紅色和赭紅色。

通過(guò)已有的篩分工具，選用31.5、20、16、10、5、2.5 mm孔徑的篩網(wǎng)進(jìn)行顆粒篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1　淤泥陶粒顆粒級(jí)配試驗(yàn)流程

經(jīng)試驗(yàn)，測(cè)得淤泥陶粒顆粒級(jí)配分布，見(jiàn)圖2。本文所采用的淤泥陶粒顆粒粒徑為2.5～16 mm，其中90%左右的淤泥陶粒粒徑為5～16 mm，粒度分布范圍較寬，級(jí)配良好。工程要求：粗骨料最大粒徑對(duì)普通混凝土的性能影響不大，但對(duì)高性能混凝土有一定影響，規(guī)范規(guī)定高性能混凝土粗骨料最大粒徑不超過(guò)31.5 mm，通常取20～25 mm[5]。本文所用淤泥陶粒均未超過(guò)31.5 mm，通過(guò)簡(jiǎn)單篩分配比即可達(dá)到高性能混凝土的顆粒配比要求，可用于部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)粗骨料澆筑高性能混凝土。

圖2　淤泥陶粒累積篩余量

對(duì)比分析淤泥陶粒和黏土、頁(yè)巖陶粒顆粒級(jí)配的差異(圖3)，可知這三種陶粒粒徑均在2.5～31.5 mm 范圍之內(nèi)，且主要分布在10.0～16.0 mm，三種陶粒粒徑分配均接近正態(tài)分布，粒度分布范圍較寬，顆粒不均勻，級(jí)配良好，可用于部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)粗骨料。

圖3　陶粒各粒徑顆粒比例

2.2粒型系數(shù)

粒型系數(shù)是描述陶粒幾何外形的一個(gè)重要指標(biāo)，以陶粒顆粒的長(zhǎng)向最大尺寸與中截面最小尺寸的比值來(lái)表示。不管是圓球型、普通型、碎石型的陶粒，都有一定的粒型系數(shù)。研究表明[6]，粒型系數(shù)對(duì)陶粒的物理力學(xué)性能有很大的影響，粒型系數(shù)越小，陶粒顆粒的比表面積越小，其受力性能越佳，顆粒級(jí)配也越好。雖然新標(biāo)準(zhǔn)[7]中對(duì)人造輕集料的粒型系數(shù)沒(méi)有詳細(xì)的要求(要求平均粒型系數(shù)≤2.0)，但是通過(guò)對(duì)舊標(biāo)準(zhǔn)的研究，行業(yè)對(duì)不同類(lèi)型陶粒的粒型系數(shù)仍有較高的要求(表1)，其設(shè)置有利于促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

淤泥陶粒屬于圓球型輕集料，通過(guò)對(duì)樣品的隨機(jī)采樣測(cè)量分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

表1　舊標(biāo)準(zhǔn)中輕粗集料粒型系數(shù)的規(guī)定

圖4　淤泥陶粒的粒型系數(shù)分布

由圖4可知，淤泥陶粒粒型分布較為集中，長(zhǎng)向最大尺寸位于21～42 mm區(qū)間內(nèi)，大多數(shù)分布在24～30 mm區(qū)間內(nèi)；中截面最小尺寸位于10～26 mm區(qū)間內(nèi)，大多數(shù)分布在15～21 mm區(qū)間內(nèi)。采用式(1)和式(2)計(jì)算淤泥陶粒的平均粒型系數(shù)。

(1)

Dmax為粗集料顆粒長(zhǎng)向最大尺寸，mm；

Dmin為粗集料顆粒中間截面的最小尺寸，mm。

(2)

式中：Kc為粗集料的平均粒型系數(shù)；

n為被測(cè)試樣的顆粒數(shù)，n=50。

以兩次測(cè)定值的算數(shù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，Kc為1.54，淤泥陶粒平均粒型系數(shù)見(jiàn)圖5。結(jié)果表明，淤泥陶粒粒型系數(shù)分布相對(duì)集中，94%分布在1.00～2.00的區(qū)間內(nèi)，基本呈球形或橢球形，平均粒型系數(shù)小于1.6，屬于合格品。此外，淤泥陶粒在此區(qū)間(1.00～2.00)內(nèi)呈正態(tài)分布，且總體平均粒型系數(shù)較小，接近球形，比表面積較小，相對(duì)于普通型的頁(yè)巖陶粒和碎石型的煤矸石陶粒[8]，受力性能更佳，粒型分布也更好。

圖5　陶粒平均粒型系數(shù)分布圖

2.3堆積密度

陶粒的堆積密度是工程材料重要的物理指標(biāo)。通過(guò)堆積密度和表觀密度得出試樣的空隙率，從而粗略判斷試樣的質(zhì)量等指標(biāo)。淤泥陶粒同樣屬于輕集料的一種，其堆積密度要求小于1 200kg/m3，根據(jù)《輕集料及其試驗(yàn)方法 第2部分：輕集料試驗(yàn)方法(GB/T17431.2—2010)》[4]的規(guī)定方法進(jìn)行淤泥堆積密度的試驗(yàn)。取淤泥陶粒40.96L，放入干燥箱內(nèi)干燥至衡重。等分成兩組，每組20.48L。用料鏟將陶粒從離容器口上方50mm處均勻倒入，讓陶粒自然落下，不碰撞容器筒。裝滿后容量筒上部分陶粒成錐體，稱量質(zhì)量，并應(yīng)用式(3)計(jì)算陶粒的堆積密度。

(3)

式中：ρb為堆積密度，計(jì)算精確到1 kg/m3；

m1為試樣和容量筒的總質(zhì)量，kg；

m0為容量筒的總質(zhì)量，kg；

V為容量筒的容積，L。

以兩次測(cè)定值的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。本文淤泥陶粒的堆積密度為376kg/m3，小于500kg/m3，從而屬于超輕集料，可用于輕質(zhì)混凝土，降低其自重，可以在大跨度、橋梁、高層建筑等工程中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

表2　淤泥陶粒的堆積密度

通過(guò)整理大量文獻(xiàn)，研究黏土陶粒、頁(yè)巖陶粒、煤矸石陶粒以及淤泥陶粒的堆積密度，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，這幾種陶粒包括淤泥陶粒的堆積密度均在1 000kg/m3以內(nèi)，屬于輕集料堆積密度的要求，且頁(yè)巖陶粒的堆積密度較大，淤泥陶粒的堆積密度與其他三種陶粒相比較小。淤泥陶粒的輕質(zhì)性能較傳統(tǒng)陶粒更加明顯，在混凝土墻體和樓板等需要輕質(zhì)混凝土的構(gòu)件中，更能發(fā)揮其超輕集料的優(yōu)勢(shì)。

表3　常用陶粒的堆積密度

2.4表觀密度

表觀密度指陶粒的干重與1h飽水后體積的比值。它的影響因素主要有自身材料的吸水性能，包括吸水速率和吸水后膨脹性能，以及內(nèi)部開(kāi)閉孔相對(duì)數(shù)量，更與外部環(huán)境有關(guān)，包括水溫、水壓等。本文在20 ℃，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境中采用圖6所示流程測(cè)得淤泥陶粒的表觀密度(表4)。

圖6　淤泥陶粒表觀密度實(shí)驗(yàn)流程

序號(hào)烘干試樣質(zhì)量/g試樣和水的總體積/mL再注入清水質(zhì)量/g顆粒表觀密度/(kg·m-3)平均值/(kg·m-3)1119.2648.6500802.22133.4662.3500821.9812.1

對(duì)比粉煤灰陶粒、頁(yè)巖陶粒、煤矸石陶粒、污泥陶粒的表觀密度(表5)，并結(jié)合本文實(shí)驗(yàn)可知，在相近的制作工藝下，這幾種陶粒的表觀密度均在500～1 300kg/m3之間，且頁(yè)巖陶粒的表觀密度相對(duì)較小，淤泥和污泥陶粒的表觀密度相對(duì)較大，但相差不大，都在1 000kg/m3左右。說(shuō)明試驗(yàn)所用淤泥陶粒其本身質(zhì)量相對(duì)較大，內(nèi)部封閉的孔隙相對(duì)較少，開(kāi)放的孔隙相對(duì)較多，使其吸水后密度增加。同樣有研究[9]表明，陶?；炷恋膹?qiáng)度隨陶粒表觀密度增大而提高，因此淤泥陶粒的高表觀密度有利于其混凝土的強(qiáng)度，故淤泥陶?；炷翉?qiáng)度將優(yōu)于頁(yè)巖陶粒和煤矸石陶粒。

表5　常用陶粒的表觀密度

2.5空隙率

空隙率是影響陶粒密度、吸水率和強(qiáng)度的重要指標(biāo)。結(jié)合淤泥陶粒的堆積密度和表觀密度，由式(4)可得淤泥陶粒的空隙率。

(4)

式中：v為空隙率，%；

ρw為粗集料的堆積密度，kg/m3；

ρp為粗集料的表觀密度，kg/m3。

本文由376kg/m3的堆積密度和812.1kg/m3的表觀密度算得空隙率為53.7%。對(duì)比頁(yè)巖陶粒、煤矸石陶粒的空隙率(表6)，可知頁(yè)巖陶粒和煤矸石陶粒的空隙率較低，這與其原材料選取和制作的工藝有密切的關(guān)系。淤泥陶粒的空隙率在35%～50%，一半左右屬于空隙?？障对蕉嘧灾卦捷p，更加降低其密度；同樣，空隙越多，其吸水率越高。本文采用的淤泥陶粒具有較高的空隙率，保證了其與同類(lèi)陶粒相比具有較輕的密度和較高的吸水率。

表6　常用陶粒的空隙率

2.6吸水率

輕集料的吸水率是其重要的性能指標(biāo)。吸水率是由其浸水后的質(zhì)量與烘干后的質(zhì)量，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得出，反映的是其一定時(shí)間內(nèi)吸水的能力。吸水率影響其混凝土中水的含量，從而影響水灰比，混凝土的強(qiáng)度也受到了影響。淤泥陶粒空隙率較高，保證了其吸水率比普通集料高很多。試樣浸水24h后，根據(jù)規(guī)范要求的流程(圖7)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定其吸水率。由試驗(yàn)結(jié)果(表7)可知，本文采用的淤泥陶粒24h吸水率平均值為14.47%，吸水的質(zhì)量約占飽水后總質(zhì)量的12.64%。

圖7　淤泥陶粒吸水率實(shí)驗(yàn)流程

序號(hào)浸水試樣質(zhì)量/g烘干試樣質(zhì)量/g吸水率/%平均值/%18680758014.5128440738014.3638740763014.5514.47

不同種類(lèi)的陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其本身的原材料不同，吸水率也有很大的差異，結(jié)合其他學(xué)者所做的試驗(yàn)得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]，吸水率見(jiàn)圖8。由圖8可知，陶粒總體吸水率處于6.00%～20.00%之間，且各陶粒的吸水率大小差異明顯。頁(yè)巖陶粒和煤矸石陶粒的吸水率相對(duì)較小，淤泥陶粒的吸水率較頁(yè)巖陶粒和煤矸石陶粒略大，略小于黏土陶粒和粉煤灰陶粒，說(shuō)明淤泥陶粒表面孔隙和內(nèi)部孔隙連通率較高，水易進(jìn)入內(nèi)部。陶粒的吸水率不僅影響其混凝土早期性能，同時(shí)對(duì)混凝土成型一段時(shí)間后的性能也有較大的影響。ZhuangYizhou等[14]通過(guò)對(duì)高吸水率陶粒、低吸水率陶粒、正常吸水率陶粒進(jìn)行研究分析，得出內(nèi)有高吸水率陶粒的輕骨料混凝土具有較低的徐變。因此，淤泥陶粒的高吸水率在其工程運(yùn)用中具有相當(dāng)重要的意義。

圖8　陶粒24 h吸水率

2.7筒壓強(qiáng)度

陶粒的強(qiáng)度是影響其混凝土強(qiáng)度的一大因素，強(qiáng)度越高，其混凝土強(qiáng)度也越高。目前大多數(shù)陶粒混凝土強(qiáng)度低于普通混凝土，其強(qiáng)度是制約其大范圍運(yùn)用的一大棘手問(wèn)題。然而，陶粒本身強(qiáng)度較難測(cè)得，因此，通過(guò)筒壓法(圖9)進(jìn)行強(qiáng)度的測(cè)定，從側(cè)面反映出陶粒性能。

圖9　測(cè)定陶粒筒壓強(qiáng)度流程圖

經(jīng)過(guò)分析大量文獻(xiàn)，確定影響陶粒的筒壓強(qiáng)度有很多，其中最直接的影響因素是陶粒的密度(即堆積密度)。標(biāo)準(zhǔn)[7]中，對(duì)不同密度等級(jí)陶粒的筒壓強(qiáng)度有明確的要求(不低于表8中的數(shù)值)，并且可知密度越大，筒壓強(qiáng)度越大。因此，選取不同種類(lèi)的陶粒各三個(gè)密度等級(jí)進(jìn)行筒壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖10。

表8　輕集料筒壓強(qiáng)度

圖10　不同密度等級(jí)下陶粒的筒壓強(qiáng)度

由圖10可得，各種陶粒的筒壓強(qiáng)度隨堆積密度等級(jí)的提升而增加，并且增加的幅度基本一致，而煤矸石陶粒筒壓強(qiáng)度在600～700kg/m3的密度等級(jí)內(nèi)上升較快，在700kg/m3密度時(shí)明顯高于頁(yè)巖陶粒和粉煤灰陶粒。淤泥陶粒的筒壓強(qiáng)度略低于黏土陶粒，但滿足輕集料筒壓強(qiáng)度的規(guī)范要求，相差不太明顯。與其他陶粒相比，淤泥陶粒在各個(gè)密度等級(jí)上都符合規(guī)范中筒壓強(qiáng)度的要求，故在實(shí)際工程中有較好的發(fā)展前景。

3　結(jié)　語(yǔ)

本文通過(guò)上述對(duì)淤泥陶粒顆粒級(jí)配、堆積密度、吸水率、筒壓強(qiáng)度等進(jìn)行的大量試驗(yàn)，和與黏土陶粒、頁(yè)巖陶粒、煤矸石陶粒、粉煤灰陶粒等進(jìn)行對(duì)比分析，系統(tǒng)研究了淤泥陶粒與其他陶粒性能的差異，得出如下主要結(jié)果：

1)淤泥陶粒有良好的級(jí)配，主要在5～16mm之間，有利于提升混凝土的性能。

2)淤泥陶粒堆積密度為376kg/m3，低于黏土、頁(yè)巖等陶粒，屬于超輕集料，可用于輕質(zhì)混凝土，有利于降低其自重，可以在大跨度、橋梁、高層建筑等工程中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。表觀密度為812.1kg/m3，在陶粒中處于較高水平，因而有利于提升其混凝土的強(qiáng)度。

3)淤泥陶粒的空隙率為53.7%，吸水率為14.47%。較高的空隙率可降低陶粒自身密度，間接提升淤泥陶粒吸水率。其吸水率一般是煤矸石陶粒和粉煤灰陶粒的2倍，并且與頁(yè)巖陶粒和黏土陶粒相類(lèi)似，因此對(duì)混凝土的工作性能有較大影響。所以，在事先應(yīng)經(jīng)過(guò)充分飽水浸泡，以利于泵送混凝土。

4)在不同的密度等級(jí)下，淤泥陶粒的筒壓強(qiáng)度不同，并隨密度等級(jí)上升而上升，400kg/m3時(shí)為1.1MPa，500kg/m3時(shí)為1.55MPa，600kg/m3時(shí)為2.05MPa。與其他陶粒相比，淤泥陶粒在各個(gè)密度等級(jí)上都符合規(guī)范中筒壓強(qiáng)度的要求，在實(shí)際工程中有較好的發(fā)展前景。

淤泥陶粒具有良好級(jí)配、超輕質(zhì)、低堆積密度、高表觀密度、高空隙率和高吸水率等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)生產(chǎn)成本較低，在資源和能源消耗方面貢獻(xiàn)突出，因此可以取代黏土陶粒和頁(yè)巖陶粒成為工程使用輕集料。當(dāng)然，依照目前的制作技術(shù)和施工工藝，淤泥陶粒仍存在施工中普遍的上浮問(wèn)題，并且其混凝土強(qiáng)度也不容樂(lè)觀，因此，今后需要對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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Analysis on the Fundamental Characteristics of the UltraLight Coarse Aggregates Sludge Ceramsites

YUAN Weihua, WANG Panxiu, XU Shuo

1008-3707(2016)01-0043-06

2015-09-17

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201513573049X),金陵科技學(xué)院科研基金(2014-jit-n-04)

袁維華(1993—)，男，浙江湖州人，本科在讀。

TU528.2

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