輕質(zhì)高強(qiáng)浮石混凝土早期強(qiáng)度變化研究

李佳鑫，張曉東,丁 琳，龐昭輝

(1.黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院;b.建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080;2.黑龍江省隆業(yè)水利水電工程建設(shè)有限公司,哈爾濱 150080)

0 引 言

建筑業(yè)是發(fā)展最快的行業(yè)之一，在全球能源消費(fèi)中具有重要作用。 特別是在中國，建筑物的能源消耗量約占總能源消耗量的27.9%[1]。 建筑物最重要的部分是它的混凝土結(jié)構(gòu)，建筑中使用的混凝土是所有其它建筑材料(鋼材、木材、塑料等)的兩倍[2]。水泥生產(chǎn)占世界二氧化碳排放量的8%。 水泥生產(chǎn)成本的大部分來自于熟料生產(chǎn)過程中的能源消耗。 使用1.6 t原材料可生產(chǎn)1 t水泥。 因此，應(yīng)用礦物質(zhì)替代水泥具有重要意義。為了減少熱損失和提高能源效益，有必要通過改善混凝土的特性來減少建筑物和建筑結(jié)構(gòu)的能源消耗。 伴隨著經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，城市化的進(jìn)程也越來越快，間接地帶動(dòng)了建筑物向超高層和大跨結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展[3]。為了達(dá)到抗震和減輕建筑物自重的要求，輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土應(yīng)運(yùn)而生[4]。高強(qiáng)浮石混凝土是以浮石取代部分或者全部粗骨料(石子)的混凝土。浮石作為一種輕質(zhì)材料，擁有諸多優(yōu)良特性，如密度小、強(qiáng)度高、吸水率優(yōu)等，且在我國礦藏豐富。本文運(yùn)用正交設(shè)計(jì)法[5]對高強(qiáng)浮石混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并據(jù)此研究了水膠比、粉煤灰摻量和浮石摻量(浮石對石子的取代率)3個(gè)水平因素對高強(qiáng)浮石混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，為以后高層建筑和大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)混凝土配合比提供依據(jù)[6]。礦物添加劑，如粉煤灰、礦渣、硅灰和天然火山灰部分取代硅酸鹽水泥的基本部分，以減少水化熱量。 礦物添加劑可提高混凝土的工作性、耐久性和長期性能[7-8]。 最近一些學(xué)者將浮石粉作為輔助膠凝材料加入到混凝土中，研究了浮石粉的摻入對混凝土性能的影響。浮石具有火山灰性質(zhì)，可以用于混凝土生產(chǎn)[9]，實(shí)踐證明，由于未觀察到離析現(xiàn)象，在應(yīng)力損傷的結(jié)構(gòu)中使用浮石是可行的[9]。 浮石的重量比其他骨料輕，因此它被廣泛用作輕質(zhì)混凝土混合物中的粗骨料或細(xì)骨料[10]。Murat K等[10]研究了浮石粉作為填料在混凝土和硬化體中的適用性，并證實(shí)了其火山灰活性。摻有浮石的混凝土具有良好的工作性能，經(jīng)過28 d的養(yǎng)護(hù)后可達(dá)到合理的抗壓強(qiáng)度。為此，研究以浮石、粉煤灰和硅灰為輔助膠凝材料的混合體系在不同替代水平下的混凝土性能具有重要理論與應(yīng)用價(jià)值。

混凝土的強(qiáng)度性能不僅與水泥漿體的性能有關(guān)，還取決于混凝土孔隙率和晶體的尺寸。混凝土的形態(tài)性能對混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量有重要影響。盡管水泥漿體和骨料具有致密的結(jié)構(gòu)，但作為弱粘結(jié)劑的混凝土對應(yīng)力傳遞具有顯著的影響。普通混凝土中使用的水泥凈漿和骨料的抗壓強(qiáng)度在100 MPa以上。 然而，使用這些材料生產(chǎn)的混凝土抗壓強(qiáng)度為20～40 MPa[11]。 因此，為了增加強(qiáng)度而進(jìn)行的研究都是加強(qiáng)水泥漿體強(qiáng)度?；炷恋墓橇蠈炷恋男螒B(tài)性能有很大的影響。用普通骨料生產(chǎn)普通承重混凝土，用輕質(zhì)骨料生產(chǎn)輕質(zhì)混凝土或半輕質(zhì)混凝土。 隨著增塑劑外加劑的發(fā)展，開始用天然輕骨料生產(chǎn)承重輕 / 半輕混凝土。由于人造輕骨料的生產(chǎn)需要能源消耗，造成了不可再生資源的消耗，增加了結(jié)構(gòu)成本，故人造輕骨料不是經(jīng)濟(jì)的生態(tài)材料。因此有關(guān)承重輕 / 半輕混凝土?xí)r使用天然輕骨料的研究成為熱點(diǎn)。 由于浮石具有優(yōu)異的輕質(zhì)和導(dǎo)熱性，本文重點(diǎn)研究優(yōu)于“堿性浮石”的酸性浮石，關(guān)于這種材料的研究很少。

在美國，輕度混凝土(lwc)被定義為平均密度為1 440～1 840 kg/m3的混凝土。 在日本，混凝土的密度值沒有規(guī)定，是用輕質(zhì)粗骨料和細(xì)骨料制成的混凝土。 在歐洲，lwc 按照密度和抗壓強(qiáng)度分類[12]。目前，輕質(zhì)混凝土廣泛應(yīng)用于建筑物砌塊、墻板、輕質(zhì)地板填充、屋面板和預(yù)制混凝土構(gòu)件[13]。輕骨料本身及其級配在提供硬化混凝土所需的強(qiáng)度和密度以及新拌混凝土的和易性方面起著重要作用。 由于內(nèi)部空隙和重量輕，lwc 在混合過程中很容易吸收混合水或浮在水面上，在這兩種情況下，混凝土的工作性能都會(huì)惡化，除非充分預(yù)濕并且混凝土的配合比適當(dāng)。 水泥混合初期的高吸水率也引起水泥的團(tuán)聚和坍落度的損失。 最低碳水化合物的特性取決于混合前的骨料含水量。 如果在混凝土生產(chǎn)過程中沒有考慮骨料的含水量過高，就會(huì)導(dǎo)致總含水量增加，可能導(dǎo)致骨料與砂漿之間缺乏粘合力[14]。另外,低的骨料含水量可能導(dǎo)致骨料吸收部分混合水。這兩種情況都可能降低其抗壓性能，骨料適度浸潤對于混凝土拌制質(zhì)量影響很大。混凝土的吸水性質(zhì)要求在加入混凝土的其他成分之前，盡可能使混凝土的含水量保持均勻。預(yù)濕作用使混合水被骨料吸收的程度降到最低，從而使坍落度損失降到最低。由于浮石具有多孔結(jié)構(gòu)和較高的吸水率，因此在低水量混凝土拌制中應(yīng)格外小心。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：亞太集團(tuán)生產(chǎn)的天鵝牌P.O42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of cement

粉煤灰：黑龍江省雙達(dá)電力設(shè)備有限公司的Ⅰ級灰，其化學(xué)成分見文獻(xiàn)[9];硅粉：超晶牌硅微粉，表面積為1.8×105cm2/g，其化學(xué)成分見表2;浮石：長白山保護(hù)開發(fā)區(qū)池北富鑫浮石廠出產(chǎn)，孔隙率為7l.8%～81%，吸水率為50%～60%,粒徑為5～20 mm，比重為2.85，細(xì)度為3 200 m2/kg，浮石中SiO2、Al2O3和Fe2O3總含量約為73%；石子：采用粒徑為5～20 mm的碎石，比重為2.78，吸水率為1.9%，含泥量低于1%；砂子：選用天然中粗河砂，細(xì)度模數(shù)2.79，比重為2.6，飽和面干吸水率為3.8%，含泥量2.5%; 減水劑：黑龍江省低溫科學(xué)研究所生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑。使用比重為1.08的聚羧酸高性能減水劑可保證混凝土達(dá)到預(yù)期的和易性。水：哈爾濱市自來水廠生產(chǎn)的自來水。

表2 硅粉化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of silicon powder

1.2 試驗(yàn)儀器：

HJW60型單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)：攪拌粒直徑3～5 cm，攪拌時(shí)間≤45 s； 電子計(jì)數(shù)天平，規(guī)格15 kg，精度0.1 g； TCS-300電子臺(tái)秤：最大稱量300 kg,最小稱量2 kg,分度值100 g; 1 m2振動(dòng)臺(tái); 101-2A電熱鼓風(fēng)干燥箱：最高溫度300 ℃； 150×150×150標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊模具； NYL-3000型壓力試驗(yàn)機(jī)：試驗(yàn)機(jī)級別Ⅰ級。

2 試驗(yàn)方法

2.1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)組配合比

本次高強(qiáng)浮石混凝土試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)方案采用正交設(shè)計(jì)法并參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范。水膠比(0.3，0.4，0.5)、粉煤灰摻量(10%，15%，20%)和浮石摻量(30%，60%，90%)作為3個(gè)水平因素對其配合比進(jìn)行正交設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)水膠比這一因素時(shí)，膠凝材料的總量不變，改變用水量從而達(dá)到對水膠比的控制；在膠凝材料總量不變且硅粉(硅粉占總膠凝材料的12.5%)為定量的情況下，改變粉煤灰和水泥的用量達(dá)到控制粉煤灰摻量的目的；粗骨料的總體積不改變，用浮石等體積替代石子的用量，達(dá)到控制浮石摻量的目的。試驗(yàn)中除硅粉摻量不變以外，細(xì)骨料(砂子)和減水劑的用量也設(shè)計(jì)成定量。

本次試驗(yàn)中，摻入不同摻量的浮石和粉煤灰作為二元混合料，以評價(jià)和比較這些礦物摻合料對混凝土早期強(qiáng)度性能的影響。 同時(shí)，設(shè)計(jì)了浮石和硅灰三元膠凝體系，以探究這些礦物摻合料對早期混凝土變化的影響。用硅粉取代12.5%的膠凝材料，輕骨料混凝土一般很難達(dá)到設(shè)計(jì)配合比時(shí)設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度等級，而添加適量的硅粉可以在不影響混凝土其他理化性質(zhì)的前提下，增加浮石混凝土的強(qiáng)度等級，以達(dá)

到設(shè)計(jì)時(shí)所需要的浮石混凝土強(qiáng)度等級。摻入粉煤灰可以降低混凝土凝固時(shí)產(chǎn)生的水化熱，從而規(guī)避因水化熱帶來的混凝土損傷，增加浮石混凝土的強(qiáng)度等級。

本試驗(yàn)考慮3個(gè)水平因素，每個(gè)水平因素相應(yīng)設(shè)置3個(gè)變量，因此本試驗(yàn)共設(shè)置9個(gè)試驗(yàn)組，其正交試驗(yàn)的因素水平見表3，試驗(yàn)配合比見表4。

表3 因素水平表Table 3 Factor level table

表4 試驗(yàn)配合比Table 4 Table of test mix ratio

2.2 混凝土試件制作：

攪拌混凝土之前對浮石進(jìn)行24 h預(yù)濕處理，混凝土攪拌完成之后，用混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件模具制作標(biāo)準(zhǔn)試塊，并用振動(dòng)臺(tái)對其震動(dòng)密實(shí)(震動(dòng)密實(shí)時(shí)防治輕骨料出現(xiàn)上浮現(xiàn)象)；試塊制作完成后在20±5 ℃的環(huán)境中靜置24 h，然后脫模并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。到達(dá)試驗(yàn)齡期之后參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》并運(yùn)用NYL-3000型壓力試驗(yàn)機(jī)測定其抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 3 d齡期試驗(yàn)分析

當(dāng)試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)3 d后，每個(gè)驗(yàn)組取出3個(gè)試塊進(jìn)行無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)。取這3組試驗(yàn)的平均值作為本次測試的最終結(jié)果；如果本組數(shù)據(jù)中的最大值或最小值有一組偏離中間值超過15%，就舍去最大值或最小值，取剩下的兩組數(shù)據(jù)的平均值作為最終測試結(jié)果；如果其最大值和最小值均偏離中間值超過15%，則將本次試驗(yàn)視為無效，其數(shù)據(jù)作廢。本次試驗(yàn)結(jié)果表明，每組數(shù)據(jù)都是真實(shí)且效的。3 d齡期無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表5。

高強(qiáng)浮石混凝土3 d齡期無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下：

對比水膠比的因素可知當(dāng)水膠比為0.5時(shí)，高強(qiáng)浮石混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到較優(yōu)水平,此時(shí)其抗壓強(qiáng)度均值為25.42 MPa。當(dāng)水膠比由0.3上升至0.5，高強(qiáng)浮石混凝土3 d齡期抗壓強(qiáng)度并不呈現(xiàn)出單一的增

長趨勢，而是先下降再上升，因?yàn)檎粚?shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)配合比時(shí)，各個(gè)水平因素之間會(huì)相互影響。

對比粉煤灰的摻量對混凝土試塊抗壓強(qiáng)度的影響可知，當(dāng)粉煤灰摻量為15%時(shí)，本次試驗(yàn)中混凝土試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值24.40 MPa，當(dāng)粉煤灰的摻量超過15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降趨勢明顯，此時(shí)粉煤灰對混凝土水化熱的影響小于粉煤灰對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，不再繼續(xù)添加更多的粉煤灰以降低水泥凝固時(shí)產(chǎn)生的水化熱。

對比浮石的摻量(即浮石等體積取代粗骨料的取代率)對高強(qiáng)浮石混凝土抗壓強(qiáng)度的影響可知，當(dāng)浮石對粗骨料的取代量由30%增長至90%，高強(qiáng)浮石混凝土的抗壓強(qiáng)度由23.28 MPa遞減至22.43 MPa，高強(qiáng)浮石混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著浮石對粗骨料取代率的增加而逐漸減小。 高強(qiáng)浮石混凝土3 d齡期無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 高強(qiáng)浮石混凝土3 d齡期無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Unconfined uniaxial compression test results of high strength pumice concrete at 3 days age

表6 高強(qiáng)浮石混凝土3 d齡期無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of unconfined uniaxial compression test for high strength pumice concrete at 3 days age

3.2 7 d齡期試驗(yàn)分析

7 d齡期高強(qiáng)浮石混凝土試驗(yàn)的數(shù)據(jù)同3 d齡期，試驗(yàn)結(jié)果表明，7 d齡期高強(qiáng)浮石混凝土試驗(yàn)的每組數(shù)據(jù)都是真實(shí)有效的。7 d齡期高強(qiáng)浮石混凝土無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表7。

高強(qiáng)浮石混凝土7 d齡期無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下：

當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值28.95 MPa,相對于水膠比為0.3時(shí)混凝土試塊抗壓強(qiáng)度27.79 MPa以及水膠比為0.5時(shí)混凝土試塊抗壓強(qiáng)度為27.82 MPa，水膠比為0.4時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加的幅度并不是特別明顯。

針對于粉煤灰摻量，依然是15%的粉煤灰摻量時(shí)混凝土試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到較為理想的狀態(tài)，此時(shí)其抗壓強(qiáng)度為30.27 MPa,相對于粉煤灰摻量為10%(26.31 MPa)和20%(27.98 MPa),混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度提升的較為顯著。

表7 高強(qiáng)浮石混凝土7 d齡期無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Unconfined uniaxial compression test results of high strength pumice concrete at 7 days age

浮石摻量對高強(qiáng)浮石混凝土抗壓強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢，當(dāng)浮石摻量(對粗骨料的取代率)為30%時(shí)抗壓強(qiáng)度為28.41 MPa，摻量為60%時(shí)抗壓強(qiáng)度為27.87 MPa，摻量為60%時(shí)抗壓強(qiáng)度為28.28 MPa，出現(xiàn)這種趨勢，原因是水膠比和粉煤灰的摻量也影響了試塊的抗壓強(qiáng)度。

高強(qiáng)浮石混凝土7 d齡期無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 高強(qiáng)浮石混凝土7 d齡期無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Results of unconfined uniaxial compression test for high strength pumice concrete at 7 days age

3.3 對比分析3 d齡期和7 d齡期試驗(yàn)研究

通過對3 d齡期和7 d齡期試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，7 d齡期試塊的抗壓強(qiáng)度大都大于3 d齡期試塊的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)水膠比為0.5時(shí)，3 d齡期的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值，當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，7 d齡期的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值。當(dāng)粉煤灰摻量為15%時(shí)，它們的早期強(qiáng)度均達(dá)到了最大值，如果繼續(xù)添加粉煤灰，其強(qiáng)度反而會(huì)下降，這樣在很大程度上會(huì)影響到高強(qiáng)浮石混凝土在工程中的應(yīng)用與實(shí)踐。浮石的摻量(對粗骨料的等體積取代率)越小，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度越大，但是其質(zhì)量相對越大，因此，應(yīng)考慮高強(qiáng)浮石混凝土在每一個(gè)實(shí)際工程中的用途來確定其摻量。

4 結(jié) 論

本次試驗(yàn)運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)高強(qiáng)浮石混凝土的配合比，并運(yùn)用無側(cè)限單軸壓縮的方式測定混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，系統(tǒng)分析了水膠比、粉煤灰摻量和浮石摻量對高強(qiáng)浮石混凝土早期抗壓強(qiáng)度的影響，并得出如下結(jié)論：

1) 水泥、浮石和硅灰的三元混合物在所有試驗(yàn)中都獲得了滿意的性能。不同齡期強(qiáng)度性能測試結(jié)果表明，浮石具有顯著的火山灰活性，特別是與硅灰混合時(shí)，粉煤灰和浮石混合料的抗壓強(qiáng)度普遍低于礦渣混合料。

2) 水膠比是影響高強(qiáng)浮石混凝土早期抗壓強(qiáng)度的重要因素，制備高強(qiáng)浮石混凝土?xí)r的最優(yōu)水膠比為0.4～0.5。

3) 適量的粉煤灰摻量不僅可以降低高強(qiáng)浮石混凝土凝固時(shí)產(chǎn)生的水化熱，還可以有效的提高高強(qiáng)浮石混凝土的早期抗壓強(qiáng)度，但過量的粉煤灰摻量會(huì)降低高強(qiáng)浮石混凝土的早期強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)研究表明，粉煤灰的最佳摻量在15%左右。

4) 浮石等體積替代粗骨料的百分比越高，高強(qiáng)浮石混凝土的早期抗壓強(qiáng)度越低，因此在實(shí)際工程中應(yīng)考慮其用途適當(dāng)?shù)恼{(diào)整浮石摻量(即浮石等體積替代粗骨料的替代率)。

5) 混合前輕骨料的預(yù)濕性對高強(qiáng)浮石混凝土性能有重要影響。