復(fù)合陶粒植生混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

秦文博，彭 杰

復(fù)合陶粒植生混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

秦文博，彭 杰

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

通過大量的試配試驗(yàn)，分析了復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土在不同因素(水膠比、膠骨比、粉煤灰摻量、碎石取代率)影響下，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度都會隨著水膠比、粉煤灰摻量的增加呈先上升后下降趨勢，且水膠比宜確定為0.26～0.30，粉煤灰摻量宜確定在20%左右；在骨料用量相同的條件下，膠骨比在0.60到0.80的范圍內(nèi)變化時(shí)，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度有所提高，劈裂抗拉強(qiáng)度則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；隨碎石取代率的提高，立方體強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，但對劈裂抗拉強(qiáng)度影響不大。

植生混凝土；頁巖陶粒；力學(xué)性能；水膠比；膠骨比

現(xiàn)代城市建筑物多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，路面多為普通混凝土鋪設(shè)。我國公共場所的路面主要是預(yù)制混凝土板材或者現(xiàn)澆混凝土路面[1-2]。因此，研究綠色生態(tài)混凝土將成為研究大自然的新課題，也是人類走可持續(xù)發(fā)展道路的必然選擇[3]。植生混凝土主要是由水、膠凝材料、粗骨料、外加劑組成，由單一級配的粗骨料作為植生混凝土骨架，通過膠凝材料在粗骨料表面形成膠結(jié)層，經(jīng)過膠凝材料的硬化與骨料膠結(jié)而形成的多孔生態(tài)混凝土。植生混凝土是一種能夠減少資源浪費(fèi)、改善人類生活環(huán)境的新型生態(tài)混凝土材料，植生混凝土具有以下生態(tài)效應(yīng)[4-6]。

(1) 改善植被生長的土壤環(huán)境。

普通現(xiàn)澆混凝土路面不利于地表土壤和植物的生長環(huán)境，破壞自然生態(tài)平衡。植生混凝土能夠顯著提高地表土壤的透氣性、儲水性，進(jìn)而使得土壤中的營養(yǎng)成分含量增加，有助于植被的正常生長。

(2) 緩解城市熱島現(xiàn)象。

植生混凝土用作路面時(shí)，由于其特有的多孔結(jié)構(gòu)，其能夠與外界環(huán)境中的空氣和水直接接觸，能夠有效地減少土壤中水分的蒸發(fā)，在陽光直接照射下，由于植生混凝土的良好儲水性，能夠有效降低地表溫度，緩解城市的熱島現(xiàn)象，同時(shí)能夠減少陽光直射對地表植被造成損害。

(3) 地下水資源的保護(hù)。

由于植生混凝土的多孔結(jié)構(gòu)使得雨水能夠迅速滲漏到地表以下，減少地表水的積存，從而減小過度抽取地下水對地表建筑物以及植被造成的危害。同時(shí)，植生混凝土有利于減少城市的噪聲污染、實(shí)現(xiàn)水資源的有效利用。

1 試驗(yàn)原材料

1.1集料

本文研究的復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土主要用于路面植生混凝土和預(yù)制植生混凝土構(gòu)件，因此選用粒徑為5～15 mm的頁巖陶粒。見表1。

表1 頁巖陶粒的物理性能

本文采用碎石取代部分陶粒的方法，配制高強(qiáng)度等級的復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土。本試驗(yàn)主要選用石灰?guī)r碎石，粒徑不超過10 mm，針片狀含量小于8%，含泥量小于1.0%，堆積密度大約為1 450 kg/m3。

1.2水泥

根據(jù)骨料單位體積孔隙率，膠凝材料內(nèi)的填充率一般為25%～50%，再根據(jù)水泥密度和所用骨料粒徑定出水泥用量。本試驗(yàn)選用堅(jiān)固牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。見表2。

表2 堅(jiān)固牌 P·O 42.5級水泥的物理性能

1.3水

本試驗(yàn)采用的水與普通植生混凝土要求相同，要求清潔，不含雜質(zhì)和有害化學(xué)成分。由于頁巖陶粒吸水率較大，因此對于復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的實(shí)際用水量，應(yīng)由試驗(yàn)確定。水的用量直接影響到植生混凝土的透水系數(shù)以及抗壓強(qiáng)度，因此試驗(yàn)中水的加入應(yīng)采用少量多次的原則。

1.4礦物外加劑

用粉煤灰作為礦物外加劑可以提高植生混凝土的和易性，同時(shí)使用粉煤灰取代部分水泥能夠減少水泥用量，節(jié)約水泥，降低造價(jià)。 見表3。

表3 粉煤灰物理性能指標(biāo)

本次試驗(yàn)主要選用萘系高效減水劑，經(jīng)試驗(yàn)測定，減水率約為15%，其適宜的摻加量為膠凝材料用量的0.5%。

2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

2.1攪拌

植生混凝土在攪拌時(shí)的投料順序、攪拌的時(shí)間、振搗時(shí)間直接關(guān)系到混凝土的均勻程度，也直接關(guān)系到植生混凝土的抗壓強(qiáng)度和孔隙率的大小。本試驗(yàn)參考國外所用的攪拌工藝：先將拌和均勻的膠凝材料與陶粒攪拌1 min，然后加入2/3的水?dāng)嚢? min，最后加入剩余的水和減水劑攪拌2 min，總攪拌時(shí)間為4 min。

2.2成型與養(yǎng)護(hù)

復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土由粗集料堆積而成，通過骨料表面膠凝材料的膠結(jié)作用，形成混凝土結(jié)構(gòu)。植生混凝土膠凝材料用量較少，且坍落度較小，因此，應(yīng)該對其成型過程進(jìn)行改善，從而使得骨料與膠凝材料能夠有效地黏結(jié)在一起[7—8]。復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土在振搗過程中，要對振搗時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制，由于振搗時(shí)間過長會造成植生混凝土分層現(xiàn)象(上層為集料，下層為漿體)，從而影響混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水性，但是振搗時(shí)間過短，又會造成植生混凝土不密實(shí)的現(xiàn)象，同樣會影響混凝土的抗壓強(qiáng)度。經(jīng)過多次試配試驗(yàn)，將振搗時(shí)間控制在6 s左右較為適宜。

復(fù)合頁巖陶粒植生混凝的養(yǎng)護(hù)過程與方法和普通混凝土基本相同，當(dāng)植生混凝土試件制作完成，養(yǎng)護(hù)24 h后，進(jìn)行拆模，由于植生混凝土的強(qiáng)度較低，因此在脫模的過程中，要注意試件角部的完整，試件脫模完成后，將試件放入符合規(guī)范要求的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)天數(shù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)測定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)前期所試配的配合比及相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 前期試驗(yàn)結(jié)果

注：膠凝材料(B)=水泥(mc)+粉煤灰(mFA)；水膠比(W/B)=水/膠凝材料；膠骨比(B/G)=膠凝材料/骨料；Sa表示碎石的取代率，%，即Sa=碎石/骨料×100%；fcu3d、fcu7d、fcu28d表示 3 d、7 d、28 d復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；fst28d表示 28 d復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；G表示骨料用量，kg/m3；WT表示減水劑摻量，%；SFA表示粉煤灰取代率，即SFA=粉煤灰/膠凝材料×100%。

(1) 水膠比對復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的性能影響

根據(jù)表4中的第A-1組到第A-6組和第A-11組到第A-14組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出水膠比對復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，如圖1所示。

圖1 水膠比(W/B)對復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的性能影響

由圖1可知，在粉煤灰摻量相同的條件下，水膠比W/B由0.25增加到0.26時(shí)，fcu提高幅度比較大，這是由于當(dāng)W/B小于0.26時(shí)，水膠比較小，膠凝材料呈現(xiàn)較干的狀態(tài)，其在骨料之間不能提供較高的膠結(jié)作用，造成混凝土強(qiáng)度較低；W/B由0.26增加到0.28時(shí)，fcu的增加幅度有所放緩，這說明針對復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的水膠比在0.28左右較為適宜；水膠比W/B由0.28增加到0.30時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降的趨勢，這是由于復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土W/B過大，會造成包裹在骨料表面的漿體較稀，出現(xiàn)流淌的現(xiàn)象，在振搗的過程中，會出現(xiàn)漿體向下流淌，從而出現(xiàn)分層、沉漿、離析等不利于植生混凝土工作性能的現(xiàn)象，這也將導(dǎo)致混凝土fcu的下降。

水膠比W/B在0.22～0.30之間變化時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度先上升后下降，這是由于當(dāng)水膠比較小時(shí)，膠凝材料不能在骨料之間提供較高的黏結(jié)強(qiáng)度，從而造成復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度fst較低，而當(dāng)水膠比較高時(shí)，又會造成膠凝材料不能均勻的包裹在骨料的表面，從而影響其劈裂抗拉強(qiáng)度。

(2) 膠骨比對復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的性能影響

根據(jù)表4中的第A-1組到第A-6組和第A-11組到第A-14組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出膠骨比B/G對復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，如圖2所示。

圖2 膠骨比(B/G)對復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的性能影響

由圖2可知，在骨料用量相同的條件下，膠骨比在0.60到0.80的范圍內(nèi)變化時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度fcu3d與fcu7d增長幅度較大，fcu28d增加幅度較小，這是由于膠骨比的提高必然導(dǎo)致植生混凝土中的膠凝材料用量的提高，隨著膠凝材料用量的增加，提高了膠凝材料與骨料之間的黏結(jié)力，從而提高了植生混凝土的抗壓強(qiáng)度，但是當(dāng)膠骨比提高到一定限值時(shí)，會造成植生混凝土的強(qiáng)度降低；fst28d呈現(xiàn)先增加，后減小的趨勢，這是由于隨著膠骨比的提高，使得復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土中的水泥用量提高，從而增加了骨料與膠凝材料之間的黏結(jié)力，從而提高了植生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，但是當(dāng)膠骨比增加過多時(shí)，fst28d會有所降低，這是由于膠凝材料過多，使得膠凝材料不能充分包裹在骨料表面，從而使得劈裂抗拉強(qiáng)度有一定幅度的降低。

(3) 粉煤灰摻量對復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的性能影響

圖3 粉煤灰摻量(SFA)對復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的性能影響

由圖3可知，隨著粉煤灰摻量的提高，立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其原因是粉煤灰具有活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和集料效應(yīng)，其適當(dāng)?shù)腟FA可提高漿體的黏度和混凝土強(qiáng)度；但當(dāng)SFA較大時(shí)，粉煤灰又表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸水性，如果保持W/B不變就會使拌合物的流動(dòng)性下降，導(dǎo)致混凝土孔隙率增大而造成fcu和fst降低。另一方面，過大的SFA還會因混凝土的堿度降低而導(dǎo)致抗碳化能力下降[9]。

(4) 碎石取代率對復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的性能影響

由表4中的第A-7組～第A-9組和第A-15組～第A-17組可知，隨著碎石取代率的提高，復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且Sa對立方體抗壓強(qiáng)度fcu的影響較劈裂抗拉強(qiáng)度fst明顯。

圖4 碎石取代率(Sa)對復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的性能影響

由圖4可知，當(dāng)水膠比W/B、膠骨比B/G一定時(shí)，隨著碎石取代率的提高，復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度先上升后下降，這是由于碎石的強(qiáng)度和彈性模量高于頁巖陶粒，陶粒中蓄含水分從而提高了混凝土內(nèi)部濕度，使水泥的水化反應(yīng)更加完全，從而提高復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的抗壓強(qiáng)度，而當(dāng)碎石的取代率超過一定值后，由于碎石自身密實(shí)，孔隙率很低，吸水性能大大減弱，致使骨料整體儲水能力降低，很大程度上減弱了骨料對漿體收縮所產(chǎn)生的補(bǔ)償功效，這樣就造成了復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土強(qiáng)度降低。隨著碎石取代率的增大，fst也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但碎石的取代對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響并不是特別明顯。

4 結(jié)論

(1) 在粉煤灰摻量相同的條件下，復(fù)合頁巖陶粒植生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度都隨著水膠比的增加呈先上升后下降趨勢，水膠比宜為0.26～0.30。

(2) 在骨料用量相同的條件下，膠骨比在0.60～0.80變化時(shí)，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度有所提高，劈裂抗拉強(qiáng)度則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

(3) 隨著粉煤灰摻量的提高，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，摻量確定在20%左右較宜。

(4) 隨碎石取代率的提高，混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，但對劈裂抗拉強(qiáng)度影響不大。

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Experimentalstudyonmechanicspropertiesofcompositeceramsiteconcreteforplanting

QIN Wen-bo,PENG Jie

(HenanPolytechnicUniversity,SchoolofCivilEngineering,Jiaozuo454000,China)

Based on the exploratory experiments,the composite shale planting concrete in different factors (water cement ratio,bone ash ratio,fly ash and gravel content) under the influence of the cube compressive strength,flexural strength and splitting tensile strength of the changes are discussed.The results show that the compressive strength and splitting tensile strength of Composite Ceramsite Concrete for Planting will increase first and then decrease with the increase of water-cement ratio and fly ash content,and the water-cement ratio should be determined between 0.26 and 0.30.The amount of fly ash should be determined at about 20%.Under the same amount of aggregate,when the gel ratio varies within the range of 0.60 to 0.80,the compressive strength of concrete increases,and the tensile strength increases first and then decreases; with the increase of the substitution rate,the cube strength increases first and then decreases,but it has little effect on the splitting tensile strength.

planting concrete; shale ceramsite; mechanical properties; water binder ratio; glue to bone ratio

2017-03-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51608179)

秦文博(1993—)，女，河南駐馬店人，碩士研究生。

1674-7046(2017)03-0067-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.012

TU528.2

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