不同種類輕骨料混凝土力學(xué)性能和耐久性研究進(jìn)展

高 峰,錢言宏,王洪亮,李學(xué)奎,宋普濤,盧嘉一,王 晶,冷發(fā)光

(1.聊城市交通發(fā)展有限公司,聊城 252000;2 .中國建筑科學(xué)研究院有限公司,北京100013; 3.山東高速青島建設(shè)管理有限公司,青島266300;4.建研建材有限公司,北京 100013)

當(dāng)代混凝土的骨料因經(jīng)常采用河砂、碎石等造成了天然資源的損耗。利用固廢作為摻合料制備混凝土有利于減少天然資源的消耗,特別是資源化利用煤矸石制備輕骨料混凝土,不僅節(jié)約天然骨料資源,還能減少固廢對(duì)環(huán)境的污染。輕質(zhì)骨料混凝土具有很多優(yōu)勢,比如建筑物自重低,地基承載力小,抗震性能強(qiáng)。為了推動(dòng)輕質(zhì)骨料混凝土的發(fā)展進(jìn)程,眾多學(xué)者開展了大量相關(guān)研究,論文重點(diǎn)概述了各種輕骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響規(guī)律,總結(jié)了功能性外加劑、摻合料及纖維對(duì)輕骨料混凝土力學(xué)和耐久性能的提升作用。

1 輕骨料混凝土的力學(xué)性能

1.1 煤矸石骨料混凝土的力學(xué)性能

煤矸石是在煤礦開采過程中排放的固體廢棄物,如果大量堆積會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。由于我國是煤炭生產(chǎn)大國,所以應(yīng)該盡快資源化高效利用煤矸石。傳統(tǒng)建筑行業(yè)大量消耗天然砂石作為混凝土的骨料已不符合可持續(xù)發(fā)展的理念。因此,煤矸石資源化利用作為混凝土的骨料,將促進(jìn)煤矸石骨料混凝土在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。綜合利用煤矸石和礦渣制備混凝土是一種可提高抗壓強(qiáng)度的方法[1]。然而,原始煤矸石摻量過大會(huì)影響混凝土的抗壓強(qiáng)度。若煤矸石經(jīng)過煅燒,其火山灰活性會(huì)提升,可明顯提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。還得出結(jié)論,鋼管混凝土比鋼筋混凝土更適合使用煤矸石作為結(jié)構(gòu)粗骨料?？傮w來說,使用煤矸石和礦渣制備的混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度,而煅燒煤矸石可以替代原始煤矸石來進(jìn)一步提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[2]。然而,需要注意的是,在煤矸石替代率較高時(shí),混凝土的力學(xué)性能會(huì)受到一定的影響,所以鋼管混凝土更適合使用煤矸石作為結(jié)構(gòu)粗骨料。

1.2 陶?；炷亮W(xué)性能

陶?；炷潦且环N綠色建筑材料,符合國家綠色建筑標(biāo)準(zhǔn),因其具有自重和強(qiáng)度低的特點(diǎn),主要應(yīng)用于非承重墻領(lǐng)域。因?yàn)樘樟?nèi)部孔隙較大,抗壓強(qiáng)度低于普通礫石,所以陶粒制成輕骨料混凝土的強(qiáng)度通常低于普通混凝土。除此之外,陶瓷本身的粒徑、形狀和顆粒級(jí)配等參數(shù)也會(huì)影響混凝土性能。因此,為了加強(qiáng)陶粒在混凝土工程中的應(yīng)用,相關(guān)學(xué)者開展了提高陶?；炷亮W(xué)性能的研究。Liu等[3]研究了城市污泥和陶粒協(xié)同制備輕骨料混凝土的性能和反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn),大粒徑陶瓷會(huì)減小混凝土的強(qiáng)度和工作性能。但是,在此基礎(chǔ)上添加一定的外加劑可提高混凝土的強(qiáng)度和工作性能。此外,作者還發(fā)現(xiàn)隨著混凝土中水灰比減小和砂率增大,混凝土的抗壓強(qiáng)度也會(huì)升高。趙威等[4]探究了陶粒的形狀對(duì)混凝土性能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)陶粒的形狀是球形時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度較高;若陶粒的形狀是棒狀,則混凝土抗折強(qiáng)度更高;綜合發(fā)現(xiàn)采用球形、方形和棒狀陶瓷時(shí)混凝土具備優(yōu)異的力學(xué)性能。

1.3 浮石混凝土力學(xué)性能

浮石指火山噴發(fā)后巖漿冷卻形成的一種礦物質(zhì),主要成分是二氧化硅、質(zhì)地軟、比重小能浮于水面,故稱浮石,通常被用作天然輕質(zhì)骨料。浮石體內(nèi)存在較多孔隙,導(dǎo)致它的強(qiáng)度低于普通碎石。將浮石作為粗骨料制備混凝土,具有輕質(zhì)、吸水率高等特點(diǎn)。同時(shí),因浮石內(nèi)部存在氣孔,浮石輕骨料混凝土的強(qiáng)度較低。浮石資源豐富、重量輕,被廣泛應(yīng)用制作輕質(zhì)骨料混凝土。OZ等[5]開展了酸性浮石部分取代碎石制備混凝土及其性能研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),酸性浮石取代一半的碎石,混凝土的總孔隙率會(huì)升高,其中酸性浮石多孔,可提高混凝土的滲透系數(shù)。因此,酸性浮石混凝土具有輕質(zhì)和吸水高的特點(diǎn)。Hariyadi等[6]參照普通骨料多孔混凝土,研究了不同比例的火山浮石骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著火山浮石的摻入可以升高混凝土孔隙,降低混凝土的彈性模量和強(qiáng)度,可制備成一種吸收沖擊的輕質(zhì)多孔聲學(xué)結(jié)構(gòu)材料。

1.4 其他輕骨料混凝土力學(xué)性能

Shafigh等[7]對(duì)比研究了油棕櫚殼混凝土與膨脹粘土料混凝土的力學(xué)性能。結(jié)果表明,油棕櫚殼輕質(zhì)骨料混凝土的干密度高于膨脹粘土輕集料混凝土(約5%),油棕櫚殼輕骨料混凝土的劈裂強(qiáng)度比膨脹粘土輕骨料混凝土提高了16%～44%。油棕殼混凝土的水化初期干收縮率比膨脹粘土混凝土高出1倍;但是在水化后期90 d時(shí)干縮率減少至35%。此外,Srinivas等[8]研究了用椰殼和聚苯乙烯泡沫微珠代替粗骨料制備混凝土。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)聚丙烯纖維摻量為1%時(shí),混凝土的抗壓、抗彎和劈裂拉伸強(qiáng)度最佳,這表明聚苯乙烯微球可以制備輕質(zhì)混凝土。

2 輕骨料混凝土耐久性能

2.1 煤矸石混凝土耐久性能

煤矸石資源化利用可作為混凝土的輕質(zhì)粗骨料。然而,煤矸石骨料本身存在著吸水率大和多孔的問題,這可能會(huì)影響混凝土的整體性能。另外,煤矸石還包括原狀煤矸石和自燃煤矸石等不同類型,這些不同類型的煤矸石在混凝土中應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致不同的效果。因此,煤矸石混凝土的耐久性成為了研究人員們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。為了推進(jìn)煤矸石資源化利用,學(xué)者們通過從不同的角度研究煤矸石混凝土的耐久性問題,為煤矸石進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展提供了有價(jià)值的信息和建議。Ma 等[9]先將煤矸石煅燒700 ℃,然后作為粗骨料,結(jié)合堿激發(fā)礦渣膠凝材料制備混凝土。主要研究了該混凝土耐久性,具體探究了煤矸石摻量對(duì)混凝土耐久性的影響。結(jié)果表明,凍融循環(huán)前期,煅燒煤矸石對(duì)混凝土的抗凍性提升高于原煤矸石,但是后期相反。此外,隨著煤矸石摻量增加,混凝土的抗Cl-滲透和抗硫酸鹽侵蝕性能提升。Guan等[10]調(diào)研了煤矸石替代率對(duì)混凝土抗凍性的影響。結(jié)果表明,在凍融循環(huán)作用下,摻入煤矸石的混凝土,其力學(xué)性能損失率低于普通混凝土,但是過量的煤矸石摻入,導(dǎo)致煤矸石混凝土的抗凍性低于普通混凝土。

2.2 陶?；炷聊途眯阅?/h3>

陶粒與普通碎石和天然砂對(duì)比,因其粗糙多孔和水泥漿體易包裹在一起,粘結(jié)性較好。同時(shí),水泥能對(duì)陶粒內(nèi)的孔隙起到很好的填充效應(yīng)。因此,陶?；炷帘绕胀ɑ炷辆哂懈鼉?yōu)異的抗凍抗?jié)B性,服役壽命更長。陶粒的耐久性能與骨料預(yù)濕程度、骨料取代率等有關(guān),所以通過添加纖維、外加劑等外摻料可顯著改善陶?；炷恋哪途眯阅堋?/p>

Gong等[11]對(duì)比探究了減縮劑、聚丙烯纖維及兩種添加劑協(xié)同作用對(duì)混凝土耐久性的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)摻加一種減縮劑時(shí),隨摻量升高混凝土的早期膨脹值升高,體積收縮減小;同時(shí)摻入聚丙烯纖維到混凝土,混凝土的早期體積膨脹值下降,體積收縮變化不大,提高了混凝土體積穩(wěn)定性;因此,兩種添加劑的協(xié)同作用對(duì)混凝土的體積收縮貢獻(xiàn)較大。Ji等[12]對(duì)比探究了不同陶粒預(yù)濕程度對(duì)混凝土早期體積自收縮的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在水化初級(jí)階段,一天的預(yù)濕陶粒可提高混凝土早期體積自收縮。在水化后期階段,混凝土膨脹應(yīng)變明顯減小。所以隨陶粒預(yù)潤濕度升高,混凝土的早期體積自收縮降低。

2.3 浮石混凝土耐久性能

浮石外表面具有一定的火山灰活性,而且浮石本身具備較高的耐久性。為了充分利用浮石的特征,相關(guān)學(xué)者深入研究了浮石的耐久性,比如長期的抗凍性、抗?jié)B性和抗碳化性能等。Wang等[13]深入分析并建立了浮石制備混凝土的凍融損傷模型。研究過程中,作者采用勞傷理論具體地分析了浮石混凝土的物理特性,修正了靜壓力計(jì)算方法。研究結(jié)果為:實(shí)驗(yàn)中浮石混凝土的靜水壓主要在-20～-5 ℃,普通混凝土的靜水壓在-5～0 ℃的范圍。通過對(duì)比孔壓溫度的區(qū)別,表明浮石混凝土比普通混凝土抗凍性更加優(yōu)異。如果再加入引起氣劑,浮石混凝土的靜水壓顯著下降,進(jìn)一步說明引氣劑能強(qiáng)化混凝土抗凍性。此外,Madani等[14]開展了浮石和硅灰協(xié)同制備綠色混凝土的耐久性研究。結(jié)果表明,單摻浮石無法增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B透性和毛細(xì)管吸水率。然而,當(dāng)硅灰和浮石協(xié)同摻入量為60%,水化28 d時(shí),浮石被很好地?cái)U(kuò)散。當(dāng)水化90 d時(shí),浮石進(jìn)一步強(qiáng)化了混凝土耐久性,這主要與硅灰對(duì)混凝土中漿體微觀孔結(jié)構(gòu)及水化產(chǎn)物的改善作用有關(guān)。

2.4 其他輕骨料混凝土耐久性能

相關(guān)學(xué)者還研究了其他輕骨料混凝土的耐久性,比如,Dong等[15]利用不同比例的風(fēng)積沙代替河砂制備輕骨料混凝土,并詳細(xì)分析了風(fēng)積沙的混凝土抗凍性。當(dāng)風(fēng)積沙摻量大于1/3時(shí),混凝土的抗凍性變差;當(dāng)風(fēng)積沙的摻量小于1/3時(shí),混凝土抗凍性升高。作者經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙最佳摻量范圍是20%～30%。此外,盧文明[16]探究了不同比例的橡膠顆粒作為集料制備混凝土,并研究其抗?jié)B和抗凍性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著橡膠顆粒摻入量提升,混凝土的抗?jié)B性降低。試驗(yàn)的混凝土與普通混凝土相比,抗?jié)B性更優(yōu)異?？箖鲂越Y(jié)果表明,橡膠顆粒最佳摻量為20%,混凝土具備最優(yōu)異的抗凍性。

3 結(jié) 語

輕骨料質(zhì)量低于普通碎石,可以減小輕骨料混凝土質(zhì)量。輕骨料混凝土應(yīng)用于工程,既降低了建筑物自重,又緩解了地基承載壓力。此外,因?yàn)檩p骨料多孔、孔隙率大、強(qiáng)度低于普通碎石,所以輕骨料混凝土的力學(xué)性能較低,陶粒、煤矸石等在輕骨料混凝土中大摻量應(yīng)用受限。

該文調(diào)研和分析了當(dāng)前文獻(xiàn)中多種摻合料和外加劑對(duì)輕骨料混凝土力學(xué)性能和耐久性的影響規(guī)律和工程應(yīng)用,匯總了輕骨料混凝土在力學(xué)性能和耐久性方面存在的問題。隨著國內(nèi)外功能型外加劑、礦物摻合料技術(shù)的發(fā)展及混凝土配制技術(shù)的進(jìn)步,輕骨料混凝土的力學(xué)性能和耐久性會(huì)逐漸提高。