輕質(zhì)高強(qiáng)浮石混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

郭玉娟，叢宇婷，孫劍飛，吳金華

(1.黑龍江省拜泉縣水利服務(wù)中心，黑龍江 拜泉 164700； 2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

天然浮石是一種由于熔融的巖漿隨火山噴發(fā)冷凝而成的密集氣孔的玻璃質(zhì)熔巖，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐酸堿、耐腐蝕且無(wú)污染、無(wú)放射性等優(yōu)點(diǎn)，是理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)浮石混凝土的研究都有不同進(jìn)展和發(fā)現(xiàn)，由于其特殊的孔狀結(jié)構(gòu)和資源優(yōu)勢(shì)，在建筑、醫(yī)療、漁業(yè)、化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]。

我國(guó)浮石資源十分豐富，以北方地區(qū)為多且質(zhì)量較好，因此研究浮石在輕骨料混凝土中的應(yīng)用具有重要意義。目前，我國(guó)北方浮石資源儲(chǔ)量豐富的地區(qū)已經(jīng)對(duì)浮石混凝土的研究與應(yīng)用取得一定成果[3]。申和慶[4]等通過(guò)包裹強(qiáng)化提高浮石的筒壓強(qiáng)度，采用不同粒徑規(guī)格的浮石粗骨料及以部分浮石砂取代普通砂等措施，成功研制出抗壓強(qiáng)度超過(guò)45 MPa的輕質(zhì)高強(qiáng)度混凝土?；艨》糩5]等通過(guò)核磁共振與壓泵相結(jié)合建立相關(guān)模型，研究發(fā)現(xiàn)天然浮石混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)與其抗壓強(qiáng)度之間存在一定的關(guān)系。劉倩[6]等通過(guò)基于核磁共振技術(shù)，選取不同種類的浮石作為粗骨料，研究不同粗骨料混凝土內(nèi)部孔隙特征，發(fā)現(xiàn)黑浮石混凝土強(qiáng)度最高。董偉[7]等通過(guò)在配制浮石輕骨料混凝土中添加等質(zhì)量的偏高嶺土替換水泥試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，偏高嶺土對(duì)浮石輕骨料混凝土的硬度有很大提高，尤其是早期混凝土強(qiáng)度。

國(guó)外對(duì)于浮石混凝土的研究比我國(guó)要早，德國(guó)是最早記載關(guān)于浮石混凝土的國(guó)家。此外，美國(guó)、意大利、日本等國(guó)都對(duì)浮石混凝土展開(kāi)相應(yīng)的研究，并取得一定成果[8]。如Marish Sabiniano Madlangbayan[9]等通過(guò)以稻殼灰為原料合成非晶納米硅，加入到火山浮石混凝土中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度均高于未添加納米硅試件。Affetzakis[10]等通過(guò)利用不同長(zhǎng)度高彈性模量的鋼纖維和低彈性模量的聚丙烯纖維混雜，配制混雜纖維增強(qiáng)浮石混凝土，研究表明適量混雜纖維摻入能夠有效提升浮石混凝土彎曲韌性、抗折強(qiáng)度以及耐沖擊。Yasar[11]等通過(guò)利用粉煤灰作為摻和料配制浮石混凝土，研究表明當(dāng)粉煤灰摻量為20%左右時(shí)能夠顯著改善浮石混凝土拌和物的均勻性和黏聚性，保證浮石混凝土強(qiáng)度指標(biāo)，且具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及其原材料

試驗(yàn)使用儀器設(shè)備為混凝土攪拌機(jī)、振動(dòng)臺(tái)、壓力試驗(yàn)機(jī)等。各儀器的具體參數(shù)如下：①HJW60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；②電子計(jì)數(shù)天平:規(guī)格15 kg，精度0.1 g；③TCS-300電子臺(tái)秤：最大稱量300 kg,最小稱量2 kg,分度值100 g；④1 m2振動(dòng)臺(tái):振幅0.5 mm；⑤101-2A電熱鼓風(fēng)干燥箱：最高溫度300℃；⑥150×150×150標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊模具(材質(zhì)為聚乙烯)；⑦NYL-3000型壓力試驗(yàn)機(jī)：試驗(yàn)機(jī)級(jí)別Ⅰ級(jí)。

試驗(yàn)中所用的原材料有膠凝材料、浮石、碎石、河砂、水以及減水劑。具體參數(shù)如下。

1) 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(jiàn)表1。

表1 P.O42.5水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

2) 粉煤灰。黑龍江火電公司的Ⅰ級(jí)灰，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。

3) 粗骨料：①浮石采用長(zhǎng)白山保護(hù)開(kāi)發(fā)區(qū)池北富鑫浮石廠出產(chǎn)，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。②石子采用粒徑為5～20 mm的碎石，含泥量低于1%,依據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52-2006)對(duì)其進(jìn)行篩選。

4) 細(xì)骨料。砂子選用天然中粗河砂，級(jí)配良好，細(xì)度模數(shù)2.69，飽和面干吸水率為3.8%，含泥量2.5%。作為混凝土的添加劑，起到骨架及填充作用，以增加其耐磨性。

5) 硅粉。鞍山市意通微硅粉有限公司生產(chǎn)，表面積為1.8×105cm2/g，其化學(xué)成分見(jiàn)表4。

表2 粉煤灰化學(xué)成分表Tab.2 Chemical compositionTable of fly ash

表3 浮石化學(xué)成分表Tab.3 Chemical compositionTable of pumice

表4 硅粉主要化學(xué)成分Tab.4 Main chemical constituents of silicon powder

6) 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。

7) 水。哈爾濱市自來(lái)水廠生產(chǎn)的自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)和國(guó)內(nèi)外所用數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)以膠凝材料480 kg/m3為定量，分析水膠比、粉煤灰摻量及浮石摻量(粗骨料用浮石等體積替代)3個(gè)因素，將正交試驗(yàn)定為L(zhǎng)9(33)方法，各影響因素及各水平值關(guān)系見(jiàn)表5，正交試驗(yàn)浮石混凝土配合比見(jiàn)表6。本試驗(yàn)為消除基體混凝土的變異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在澆筑浮石混凝土的同時(shí)，澆筑同強(qiáng)度等級(jí)的素混凝土作為對(duì)比(水膠比為0.4，粉煤灰摻量為15%，浮石摻量為0)。

表5 正交因素水平表Tab.5 Orthogonal test factor levelTable

表6 浮石混凝土配合比Tab.6 OrthogonalTable and mix ratio

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

混凝土的拌和首先依次加入粗骨料、細(xì)骨料攪拌，再加入膠凝材料攪拌均勻，攪拌時(shí)間1 min。然后，將減水劑放入水并攪勻后，緩慢加入到攪拌機(jī)中以調(diào)節(jié)拌和物稠度，并攪拌得到均勻混凝土拌和物，將拌和物倒入內(nèi)壁涂有機(jī)油的試膜中，并在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)直至表面出現(xiàn)浮漿。放在室溫為20±5℃環(huán)境下靜止24 h后拆模編號(hào)，放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(相對(duì)濕度95%)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期為3 d、7 d和28 d。取出試塊觀察表面是否有裂縫，將試塊平整一面放置于壓力試驗(yàn)機(jī)承壓板上，按儀器規(guī)定進(jìn)行操作，對(duì)試塊均勻加荷，加載速度為2.4 kN/s。試驗(yàn)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2016)規(guī)定進(jìn)行。見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)過(guò)程

1.4 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法

立方體抗壓強(qiáng)度公式如下：

(1)

式中：fce為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；P為破

壞荷載值，kN；A為試件受壓面積，mm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

28 d浮石混凝土正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 28 d浮石混凝土正交試驗(yàn)結(jié)果[12]Tab.7 28 d Pumice concrete orthogonal test results

通過(guò)正交試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分別得出7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度損失率(圖2)。影響浮石混凝土抗壓強(qiáng)度的主次因素為：水膠比>粉煤灰摻量>浮石摻量。

圖2 抗壓強(qiáng)度損失率

2.2 浮石混凝土28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

測(cè)量并記載浮石混凝土的3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖3。對(duì)于水膠比，3 d時(shí)的影響因素水膠比明顯比7 d和28 d的水膠比影響大，隨著水膠比增大，拌和物的流動(dòng)性增加，試塊中自由水含量增加，使得密實(shí)度降低，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低明顯，水膠比在0.5時(shí)相對(duì)達(dá)到最大值。對(duì)于粉煤灰，3 d時(shí)抗壓強(qiáng)度最小，此時(shí)是因?yàn)閯倱饺脒M(jìn)去的粉煤灰并未與周圍的物質(zhì)充分發(fā)揮，水化反應(yīng)很大程度上由于所加的膠凝材料引起；與3 d時(shí)相比，7 d時(shí)抗壓強(qiáng)度有了明顯的提升，此時(shí)粉煤灰表面光滑，所需的水量相對(duì)較少，粉煤灰細(xì)小的顆粒使得浮石與水泥、沙子間的空隙被填滿，從而使得混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提升。28 d時(shí)粉煤灰水化反應(yīng)基本充分發(fā)揮，能為水泥水化反應(yīng)提供更多的水化產(chǎn)物沉淀場(chǎng)合，促進(jìn)水化反應(yīng)更加充分，提高了強(qiáng)度。但隨著粉煤灰摻量增加，所用膠凝材料的相對(duì)含量減少，降低了混凝土后期的強(qiáng)度，因此粉煤灰摻量在15%相對(duì)達(dá)到最優(yōu)值。對(duì)于浮石摻量，浮石本身的強(qiáng)度相對(duì)其它粗骨料來(lái)說(shuō)，硬度相對(duì)較大，隨著浮石摻量的增加，浮石混凝土的整體強(qiáng)度也會(huì)增加。

圖3 浮石混凝土的3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度

通過(guò)對(duì) 9組試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析，分別得到極差與方差分析表，見(jiàn)表8。K1、K2、K3表示各因素每一水平的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均值，Rf表示各因素每一水平的極差，F(xiàn)表示各因素每一水平的方差。

表8 抗壓強(qiáng)度極差和方差分析表Tab.8 Extremely low compressive strength and analysis of variance

通過(guò)表8結(jié)果顯示，極差及方差越大，則該因素對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響越大。3個(gè)因素對(duì)浮石混凝土抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋核z比>粉煤灰摻量>浮石摻量。輕質(zhì)浮石混凝土的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度，綜合考慮各因素每一水平的要求，根據(jù)抗壓強(qiáng)度的均值大小，得到浮石混凝土的各因素水平最佳組合采用 ：A3B2C3。

為了觀察各因素的水平變化對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，作出各因素的不同水平下的抗壓強(qiáng)度折線圖，見(jiàn)圖4。圖4中橫軸表示各因素水平值，縱軸表示浮石混凝土抗壓強(qiáng)度值。

圖4 各因素不同水平下的抗壓強(qiáng)度折線圖

圖4顯示水灰比在0.5時(shí)，浮石混凝土抗壓強(qiáng)度值達(dá)到峰值。水灰比在0.3～0.4之間，水灰比的增加降低浮石混凝土抗壓強(qiáng)度，反而不易于強(qiáng)度的增長(zhǎng)。粉煤灰摻量存在谷值和峰值，當(dāng)粉煤灰摻量為10%～15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度幅度提升，這說(shuō)明摻入粉煤灰的作用有助于抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)；而摻量在15%～20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度值浮動(dòng)不明顯。浮石摻量在30%～90%時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加而增長(zhǎng)，說(shuō)明浮石代替粗骨料既能降低混凝土自重，又不減小其抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

本次試驗(yàn)利用正交設(shè)計(jì)調(diào)配浮石混凝土，以7 d和28 d抗壓強(qiáng)度為參考指標(biāo)，考慮了水膠比、粉煤灰摻量和浮石摻量3個(gè)因素的影響，得出以下結(jié)論：

1) 水膠比一定的條件下，利用粉煤灰等體積替換細(xì)骨料時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度要比無(wú)摻入粉煤灰高。

2) 采用極差與方差展開(kāi)對(duì)正交試驗(yàn)下抗壓強(qiáng)度結(jié)果的分析。試驗(yàn)結(jié)果證明，在浮石混凝土各組成因素中，水膠比對(duì)其抗壓強(qiáng)度變化的響應(yīng)最明顯。浮石混凝土各因素水平的最佳組合為 ：水膠比0.5、粉煤灰摻量15%、浮石替代率90%。