珍珠巖混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)分析

高 原，劉林超，呂 強(qiáng)*

(1. 華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641;2. 信陽(yáng)師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000)

0 引言

珍珠巖作為我國(guó)重要礦產(chǎn)資源，儲(chǔ)存量充足，價(jià)格便宜，在建筑工業(yè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值.對(duì)于珍珠巖作為建筑材料的研究，國(guó)內(nèi)外已有大量的相關(guān)報(bào)道.在早期，通過(guò)試驗(yàn)配置了膨脹珍珠巖混凝土，研究發(fā)現(xiàn)膨脹珍珠巖具有質(zhì)量輕、保溫性好等優(yōu)點(diǎn),是較好的輕骨料[1].因此，研究珍珠巖砂漿及混凝土的物理力學(xué)性能，對(duì)珍珠巖的廣泛應(yīng)用具有重要意義.相關(guān)的研究表明，摻入適量的珍珠巖不僅能夠降低輕質(zhì)混凝土的密度，而且其強(qiáng)度和可泵送性能也能達(dá)到規(guī)范要求[2,3].將膨脹珍珠巖作為細(xì)骨料替代一定量的砂子，制取輕質(zhì)保溫混凝土是混凝土發(fā)展的重要方向[4,5].但是，隨著珍珠巖替代率的增加，砂漿及混凝土力學(xué)性能降低速度加快，抗裂性能變差.將聚丙烯(PP)纖維加入珍珠巖混凝土中，能有效提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度[6].此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：珍珠巖礦砂粉具有一定的活性，可部分替代水泥做摻合料[7].

有效提高珍珠巖礦產(chǎn)利用價(jià)值是珍珠巖行業(yè)最為關(guān)心的問(wèn)題，至今未見(jiàn)關(guān)于采用多手段結(jié)合的方法綜合研究珍珠巖混凝土物理力學(xué)性質(zhì)的報(bào)道.本文首先從微觀角度對(duì)珍珠巖原材料進(jìn)行了分析，結(jié)合珍珠巖混凝土(珍珠巖礦砂混凝土及膨脹珍珠巖混凝土)水化反應(yīng)和珍珠巖混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn)，從微觀和宏觀兩種角度綜合闡述珍珠巖對(duì)混凝土的作用機(jī)理，分析了相關(guān)參數(shù)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響.

1 珍珠巖材料微觀測(cè)試

試驗(yàn)所用水泥為信陽(yáng)華新水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)；砂子為天然河砂；珍珠巖為信陽(yáng)上天梯某生產(chǎn)車(chē)間生產(chǎn)；石子采用信陽(yáng)本地礦山壓碎碎石.圖1為20～30目珍珠巖礦砂、20～30目膨脹珍珠巖的XRD衍射圖譜，衍射結(jié)果顯示，珍珠巖主要成分為SiO2.通過(guò)XRF檢測(cè)發(fā)現(xiàn)膨脹珍珠巖化學(xué)成分中含有部分活性物質(zhì).珍珠巖化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示.

圖1 珍珠巖XRD分析圖譜Fig. 1 XRD analysis of perlite

表1 膨脹珍珠巖的化學(xué)成分

圖2分別為珍珠巖礦砂(150倍率)和膨脹珍珠巖(30倍率)的SEM掃描圖.由圖可以看出：珍珠巖礦砂的表面有明顯的棱角和凸凹不平；膨脹珍珠巖表面呈蓬松狀，顆粒表面比珍珠巖礦砂表面更為圓滑.

圖2 珍珠巖SEM掃描圖Fig. 2 VHX-500 scanning chart of perlitea. 珍珠巖礦砂;b.膨脹珍珠巖

在混凝土攪拌試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：膨脹珍珠巖混凝土的保水性能更佳，但其在攪拌過(guò)程中容易碎裂.分析發(fā)現(xiàn)細(xì)骨料的表面形狀和圓滑程度對(duì)其與凈漿膠合性及保水性有一定影響.

2 混凝土的水化熱

本試驗(yàn)混凝土試樣所采用的質(zhì)量配合比主要通過(guò)參照規(guī)范《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)[8]和試驗(yàn)微調(diào)獲得.試驗(yàn)研究了普通混凝土(基準(zhǔn)混凝土)、20%替代率的膨脹珍珠巖(20～30目)混凝土、40%替代率的膨脹珍珠巖混凝土、20%替代率的珍珠巖礦砂(20～30目)混凝土、40%替代率的珍珠巖礦砂混凝土的水化熱.試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同含量珍珠巖混凝土的水化熱關(guān)系Fig. 3 Hydration heat relationship of perlite concretewith different content

圖3水化反應(yīng)的混凝土內(nèi)外溫差指的是混凝土樣品中心溫度與表面溫度差值.由圖3可以看出：珍珠巖礦砂混凝土水化反應(yīng)變化過(guò)程與基準(zhǔn)混凝土基本相同.隨著珍珠巖礦砂含量的增加，混凝土水化反應(yīng)峰值有少量提升，這是因?yàn)檎渲閹r為火山噴發(fā)巖，具有一定活性，部分活性物質(zhì)參與水化反應(yīng)造成溫差峰值增加.膨脹珍珠巖混凝土的水化熱峰值產(chǎn)生時(shí)間要比基本混凝土提前2 h左右，并且水化熱峰值有明顯上升.原因是普通膨脹珍珠巖結(jié)構(gòu)蓬松，具有一定的吸水性，其本身含有一定活性物質(zhì)，與水熱反應(yīng)更加充分導(dǎo)致溫差峰值增加.

3 混凝土基本力學(xué)性能

在基本力學(xué)性能試驗(yàn)中，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、操作流程及試驗(yàn)結(jié)果分析均遵照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)要求進(jìn)行[9].根據(jù)珍珠巖混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊基本力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)數(shù)據(jù)取均值)，圖4-圖8繪制出了混凝土基本力學(xué)性能隨替代率變化的關(guān)系曲線(xiàn).

圖4為珍珠巖礦砂混凝土和膨脹珍珠巖混凝土的抗壓強(qiáng)度-替代率關(guān)系曲線(xiàn)，由圖4可以看出：隨著珍珠巖摻和量的增加，膨脹珍珠巖混凝土試樣和珍珠巖礦砂混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度(28 d)不斷降低，均低于基準(zhǔn)混凝土試樣.膨脹珍珠巖混凝土抗壓強(qiáng)度降低速度較慢，呈線(xiàn)性關(guān)系；珍珠巖礦砂混凝土抗壓強(qiáng)度降低速度較快，且降低速度由大逐漸變小.擬合公式發(fā)現(xiàn)，膨脹珍珠巖混凝土抗壓強(qiáng)度的降低系數(shù)的絕對(duì)值(0.11)小于珍珠巖礦砂混凝土(0.15)，珍珠巖礦砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的降低作用更加明顯.結(jié)合材料微觀測(cè)試結(jié)果，因?yàn)檎渲閹r本身含有一定活性物質(zhì)，膨脹珍珠巖結(jié)構(gòu)蓬松，攪拌時(shí)部分碎裂，與水接觸面積更廣，且更容易發(fā)生水化反應(yīng);因此，同樣替代率下，膨脹珍珠巖混凝土的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高.

圖4 混凝土的抗壓強(qiáng)度與替代率關(guān)系Fig. 4 Relationship between compressive strength andreplacement rate of perlite concrete

圖5為珍珠巖礦砂混凝土和膨脹珍珠巖混凝土的抗折強(qiáng)度-替代率關(guān)系曲線(xiàn).

圖5 混凝土的抗折強(qiáng)度與替代率關(guān)系Fig. 5 Relationship between flexural strength andreplacement rate of perlite concrete

由圖5可知，在摻入少量膨脹珍珠巖時(shí)，膨脹珍珠巖混凝土的抗折強(qiáng)度少量提升，當(dāng)替代率為20%時(shí)，抗折強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土提高約8.1%.分析原因主要為：膨脹珍珠巖的吸水性能提高了混凝土保水性，促進(jìn)水化進(jìn)行，提高了水化反應(yīng)程度.當(dāng)膨脹珍珠巖含量超過(guò)20%時(shí)，膨脹珍珠巖的強(qiáng)度降低占主導(dǎo)作用，膨脹珍珠巖混凝土抗折強(qiáng)度降低.珍珠巖礦砂混凝土抗折強(qiáng)度隨著珍珠巖礦砂摻入量的增加而不斷降低.主要原因?yàn)椋和ㄟ^(guò)SEM微觀掃描發(fā)現(xiàn)，珍珠巖礦砂表面棱角分明、凸凹不平；降低了混凝土保水性能，減低了水化反應(yīng)程度.

圖6為珍珠巖礦砂混凝土和膨脹珍珠巖混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度-替代率關(guān)系曲線(xiàn).由圖6可以看出：在膨脹珍珠巖替代率較小時(shí)，膨脹珍珠巖混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土有所提高.當(dāng)膨脹珍珠巖替代砂子超過(guò)20%時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度開(kāi)始降低，降低速度加快，膨脹珍珠巖自身強(qiáng)度占主導(dǎo)地位.隨著珍珠巖礦砂替代率的增加，珍珠巖礦砂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸減小.替代率較低時(shí)，珍珠巖礦砂混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度減小的比率較小，均不超過(guò)5%；當(dāng)珍珠巖礦砂替代砂子的替代率超過(guò)30%時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低速度加快.

圖6 混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與替代率關(guān)系Fig. 6 Relationship between splitting tensile strength andreplacement rate of perlite concrete

圖7為珍珠巖礦砂混凝土和膨脹珍珠巖混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度-替代率曲線(xiàn).如圖7所示，珍珠巖礦砂混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，隨著珍珠巖礦砂含量的增加，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度降低速率逐漸加快，并且低于基準(zhǔn)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度.

圖7 混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與替代率關(guān)系Fig. 7 Relationship between axial compressive strengthand replacement rate of perlite concrete

膨脹珍珠巖混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度先增加后減小，隨著膨脹珍珠巖的不斷增加，膨脹珍珠巖混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度開(kāi)始大幅度降低，低于基準(zhǔn)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度.

圖8為珍珠巖混凝土彈性模量-替代率關(guān)系曲線(xiàn).由圖8可得，珍珠巖礦砂和膨脹珍珠巖替代砂子做細(xì)骨料對(duì)其彈性模量影響很小.這是因?yàn)閺椥阅Ａ康拇笮∮晒橇蠀?shù)決定，在細(xì)骨料替代率較低時(shí)，粗骨料彈性模量起決定作用.

圖8 珍珠巖的混凝土彈性模量與替代率關(guān)系Fig. 8 Relationship between modulus of elasticity andreplacement rate of perlite concrete

通過(guò)基本力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在替代率為40%以下時(shí)，膨脹珍珠巖混凝土基本力學(xué)性能優(yōu)于珍珠巖礦砂混凝土.其主要原因?yàn)椋号蛎浾渲閹r比珍珠巖礦砂表面光滑，具有更好的保水性，提高水化反應(yīng).通過(guò)微觀掃面發(fā)現(xiàn)，膨脹珍珠巖結(jié)構(gòu)蓬松，似棉花絮狀，在含量較低時(shí)，提高混凝土抗拉性能.

4 結(jié)論與討論

采用微觀角度和宏觀角度相結(jié)合的方法，更加清晰地闡明不同珍珠巖材料對(duì)混凝土性能的影響.通過(guò)珍珠巖礦砂混凝土及膨脹珍珠巖混凝土的原材料分析、水化熱及水化反應(yīng)和基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，綜合分析可得：膨脹珍珠巖表面比珍珠巖礦砂更為圓潤(rùn)，保水性及水化反應(yīng)更強(qiáng).珍珠巖礦砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度的影響較大；對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度和彈性模量影響較小，珍珠巖礦砂替代砂子的含量應(yīng)控制30%以?xún)?nèi).與珍珠巖礦砂混凝土相比，膨脹珍珠巖對(duì)混凝土的基本力學(xué)影響較小，保水性能更加優(yōu)異，并且膨脹珍珠巖具有質(zhì)量輕、隔熱性能更好等優(yōu)點(diǎn).

結(jié)果表明：選取20～30目膨脹珍珠巖，替代率在20%左右時(shí)，混凝土的基本力學(xué)性能更加優(yōu)異，說(shuō)明20～30目膨脹珍珠巖混凝土在建筑工業(yè)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景.該研究對(duì)拓展珍珠巖向更廣領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的理論和試驗(yàn)基礎(chǔ).