陶?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計(jì)及力學(xué)性能研究

李騰飛 LI Teng-fei；張麗娟 ZHANG Li-juan；阮鉑淮 RUAN Bo-huai；朱懷 ZHU Huai；王志 WANG Zhi

（鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

隨著基本建設(shè)的推進(jìn)和生活設(shè)施的擴(kuò)充，世界各國對(duì)水泥混凝土的需求不斷增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，21世紀(jì)前世界水泥產(chǎn)量就已超過13億t，折合混凝土不少于40億m3，2020年我國的混凝土年用量達(dá)到了28.99億m3，較上一年同比增長5.47%。一直以來，傳統(tǒng)混凝土原材料的開采和生產(chǎn)不僅對(duì)環(huán)境資源造成消耗，也增加了污染物質(zhì)排放。中國每年的砂石用量高達(dá)200億噸左右，砂石來源于對(duì)山石和河道的大量挖掘，給環(huán)境資源造成了不可恢復(fù)的損害。而建筑行業(yè)是全球第三大碳排放部門，每年全球的水泥需求會(huì)產(chǎn)生約占排放總量5%的二氧化碳。面對(duì)這種日益增加的環(huán)境壓力，用可再生混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥混凝土進(jìn)行使用，可以減少建筑行業(yè)對(duì)天然砂石等自然資源的需求和依賴，對(duì)環(huán)境保護(hù)、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

陶?；炷潦悄壳笆褂幂^為廣泛的可再生混凝土，在建筑行業(yè)、橋梁工程、鐵路工程和水利工程有著廣泛的發(fā)展前景。陶粒混凝土是指以陶粒作為粗骨料替代天然石子配制而成的表面密度小于1950kg/m3的混凝土。在美國、挪威、日本等國家，陶?；炷脸Ｗ鳛榇笮徒ㄖ蜆蛄航Y(jié)構(gòu)混凝土。此外，輕質(zhì)陶?；炷量捎糜跇蚋脑旃こ毯脱b配式鋼結(jié)構(gòu)外掛板的制備。目前很多學(xué)者對(duì)陶?；炷恋奈⒂^結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能進(jìn)行研究，并分析不同配合比設(shè)計(jì)及制備條件對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的影響。陶?；炷辆哂休p質(zhì)高強(qiáng)，抗凍性強(qiáng)，良好的熱工性能以及優(yōu)良的保溫性能，可以用于裝配式建筑工程中的非承重輕質(zhì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)板的制備。傳統(tǒng)的陶?；炷烈院由盀榧?xì)骨料，經(jīng)過不同的配合比設(shè)計(jì)，其體積密度通常在1700～1900kg/m3之間。本文對(duì)輕質(zhì)陶?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以制備出抗壓強(qiáng)度高于20MPa，體積密度小于1600kg/m3的輕質(zhì)陶?；炷粒酝七M(jìn)陶?；炷猎趬w材料中應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥：鄭州天瑞集團(tuán)42.5普通硅酸鹽水泥，28天抗壓強(qiáng)度為44.8MPa。添加粉煤灰為膠凝材料，用量為膠凝材料的10%。粗細(xì)骨料分別為陶粒和陶砂，其性能指標(biāo)如下表1所示。減水劑為減水率為27%的聚羧酸減水劑，用含量為水泥含量的1%。

表1 再生骨料的材料性質(zhì)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

基于《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）和《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T12-2019），目標(biāo)抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值為20MPa，單方用水量選取168kg/m3，水膠比選取0.40，0.45，0.50，體積砂率選取為50%。采用絕對(duì)體積法進(jìn)行配合比計(jì)算。陶?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計(jì)見表2。

表2 輕質(zhì)陶?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)（kg/m3）

1.3 試驗(yàn)方法

將水膠比按照從小到大的順序分為A、B、C三組，每組分別澆筑12個(gè)100×100×100mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊。高強(qiáng)輕骨料混凝土體積密度測(cè)試按照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ51-2002）進(jìn)行，澆筑后置于室內(nèi)靜置養(yǎng)護(hù)1天后，脫去模具進(jìn)行稱重，然后將混凝土試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。混凝土力學(xué)性能按照《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2019）進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)試混凝土3天和7天的抗壓和劈拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 再生混凝土體積密度、抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 體積密度

基于《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 12-2019）中的絕對(duì)體積法，選取三種不同的水膠比進(jìn)行陶?；炷僚浜媳鹊脑O(shè)計(jì)，其體積密度都在1650kg/m3以下。由表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見：A組陶?；炷恋捏w積密度整體要大于B組和C組陶?；炷恋捏w積密度，而B組與C組的整體體積密度差異不大。

A組陶?；炷恋捏w積密度較大是因?yàn)槠渌z比較小，以為陶粒，陶砂的體積密度要小于膠凝材料的體積密度，所以水膠比越小，相同的體積下膠凝材料的用量較多，陶?；炷恋捏w積密度應(yīng)該越大。B組的整體體積密度和C組的整體體積密度相差不大，其原因可能是由于陶粒的壓碎指標(biāo)大、孔隙率和吸水率高，導(dǎo)致陶粒混凝土集料之間存在孔隙，混凝土在攪拌過程中，會(huì)帶入一些氣泡，導(dǎo)致陶粒混凝土的體積增大，因此會(huì)使混凝土的體積密度減小并影響陶粒混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性能。C組的水膠比較大，在硬化水泥漿體中將會(huì)存在較多的自由水去填補(bǔ)孔隙，而自由水在失去時(shí)不會(huì)造成體積的變化。所以B組陶?；炷恋捏w積密度大致上呈現(xiàn)出與C組的體積密度相當(dāng)。

2.2 破壞形態(tài)

對(duì)于陶?；炷?，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度形成機(jī)理等與普通混凝土不同，因此其破壞形態(tài)也有自身特點(diǎn)。陶?；炷潦怯捎趦?nèi)部陶粒破壞而最終導(dǎo)致陶?；炷恋钠茐摹Ｓ捎谔樟５膹椥阅Ａ枯^低，受壓時(shí)，不斷積聚能量，當(dāng)內(nèi)部陶粒開始破壞時(shí)，積聚的能量大量釋放，陶?；炷疗茐某尸F(xiàn)脆性破壞特征。其典型的破壞形態(tài)如圖1（a）所示。試塊的表面存在裂縫，但表面較為完成，并沒有碎渣掉落，也沒有出現(xiàn)試塊破碎的情況。圖1（b）為陶?；炷恋湫偷呐茐膱D片，試件破壞后完全裂成兩半，斷口非常平整，可以看到裂縫貫通整個(gè)劈拉面，劈拉斷裂線上可以看到陶粒粗骨料被切為兩半。同時(shí)，從圖片中可以看出陶?；炷林写嬖谥罅靠紫丁＿@是由于陶粒表觀密度小，攪拌和試塊振搗中已造成骨料上浮，引入大量的氣泡，造成混凝土內(nèi)部存在較多孔洞。

圖1 陶?；炷恋湫推茐男螒B(tài)

2.3 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)表3中陶粒混凝土3天和28天抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，3種系列下混凝土抗壓強(qiáng)度3天和28天抗壓強(qiáng)度分別如圖2和圖3所示。

圖2 3天齡期抗壓強(qiáng)度

圖3 28天齡期的抗壓強(qiáng)度

由圖2可見，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3天后其抗壓強(qiáng)度大都在15-17MPa之間，最高可達(dá)17.86MPa，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，其抗壓強(qiáng)度大都在20MPa以上，最高可達(dá)28.02MPa。在B組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3天后抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)中，3號(hào)試件的抗壓強(qiáng)度為9.56MPa，與其他試件存在差異，其可能拌合物振搗時(shí)集料與水泥漿體未充分的黏結(jié)在一起，由于頁巖陶粒的體積密度較輕，大部分的水泥漿體下沉，集料之間存在較多的孔隙，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度偏低。

由圖3可見，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，3組陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度的平均值都達(dá)到了20MPa。以0.45的水膠比設(shè)計(jì)出的陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度最低，以0.40的水膠比設(shè)計(jì)出的陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度居中，以0.50的水膠比設(shè)計(jì)出的陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度最高。水灰比大，拌合物的工作性能較好，但是混凝土硬化后，試塊中多余的水分殘留在混凝土內(nèi)部形成氣泡，或者蒸發(fā)后在試塊表面形成氣孔，從而在混凝土的內(nèi)部及表面形成孔隙，這會(huì)降低混凝土抵抗外力的能力。水灰比過小時(shí)，拌和物工作性能較差，從而使混凝土中出現(xiàn)較多的孔洞，抗壓強(qiáng)度反而有所降低。與普通混凝土相比，陶粒的摻入使得混凝土內(nèi)部骨料與水泥石的界面區(qū)得到改善，骨料與基體的顯微硬度更為接近，彈性更為協(xié)調(diào)；當(dāng)砂漿強(qiáng)度較低時(shí)，陶粒周圍增強(qiáng)的界面區(qū)以及與砂漿較為良好的彈性協(xié)調(diào)在一定程度上彌補(bǔ)了陶粒自身對(duì)混凝土強(qiáng)度的不利影響，混凝土破壞主要取決于砂漿強(qiáng)度，但當(dāng)砂漿強(qiáng)度較高時(shí)，低強(qiáng)度的陶粒會(huì)在一定程度上會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度。

2.4 劈拉強(qiáng)度

由圖4、圖5的可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3天后其劈拉強(qiáng)度大都在0.8-1.2MPa之間，最高可達(dá)1.26MPa，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，其抗拉強(qiáng)度大都在3.0MPa以上，最高可達(dá)4.07MPa。其中C組的劈裂抗拉強(qiáng)度最大，A組的劈裂抗拉強(qiáng)度居中，B組的劈裂抗拉強(qiáng)度最小。本文陶?；炷僚瓘?qiáng)度約為其抗壓強(qiáng)度的1/16-1/10，這個(gè)關(guān)系與普通混凝土基本一致?；炷恋目估瓘?qiáng)度取決于骨料和硬化水泥漿的抗拉強(qiáng)度，尤其是骨料與硬化水泥漿二者界面上的粘結(jié)強(qiáng)度，陶粒表面與水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度低于天然骨料混凝土，所以其抗拉強(qiáng)度通常也低于天然粗骨料混凝土抗拉強(qiáng)度。另一方面，本文使用了陶砂作為細(xì)骨料，陶砂強(qiáng)度也低于普通砂漿強(qiáng)度，陶砂砂漿與骨料顆粒的粘結(jié)力也要低，會(huì)進(jìn)一步降低陶?；炷恋目估瓘?qiáng)度。此外，在陶粒混凝土劈拉破壞實(shí)驗(yàn)中，抗拉破壞一般會(huì)貫穿全部接觸面的較大骨料顆粒，而在普通混凝土中這種現(xiàn)象僅產(chǎn)生于強(qiáng)度很高的混凝土中。這也是造成本文中陶?；炷恋呐瓘?qiáng)度與水膠比關(guān)系不大的主要原因。

圖4 3天齡期的劈拉強(qiáng)度

圖5 28天齡期的劈拉強(qiáng)度

3 結(jié)論

以頁巖陶粒和陶砂為基本原料，按照不同的配合比設(shè)計(jì)制備出了輕質(zhì)陶?；炷粒?duì)其體積密度，抗壓強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：

①使用陶粒和陶砂做粗細(xì)骨料，以0.40，0.45，0.50三種不同的水膠比，制備出自重低于1600kg/m3，抗壓強(qiáng)度27.29MPa，劈拉強(qiáng)度為3.13MPa的陶?；炷?。達(dá)到了對(duì)陶粒混凝土進(jìn)行減重的目的，實(shí)現(xiàn)了陶?；炷恋妮p質(zhì)化。

②由于陶?；炷疗茐闹饕枪橇咸樟５钠茐模z比對(duì)其影響不大，水膠比較大時(shí)，陶?；炷恋墓ぷ餍阅茉胶?，0.50的水膠比設(shè)計(jì)出的輕質(zhì)陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均高于其它兩組混凝土。