焦雙健，王磊，李江海

（1中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100； 2石家莊市京昆高速石太管理處，河北 石家莊 050000）

頁巖陶?；炷灵L齡期力學性能和耐久性能研究

焦雙健1，王磊1，李江海2

（1中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100； 2石家莊市京昆高速石太管理處，河北 石家莊 050000）

為測定頁巖陶?；炷恋拈L齡期力學性能和耐久性能，在同坍落度和同水灰比的條件下配制了兩種強度的頁巖陶?；炷梁退槭炷?。研究結(jié)果表明：兩種強度的頁巖陶?；炷辆_到設計強度標號；28d后頁巖陶?；炷量箟?、抗折強度繼續(xù)增長，且抗折強度增幅較碎石混凝土大；頁巖陶粒混凝土的抗凍性和抗?jié)B性優(yōu)于碎石混凝土；頁巖陶?；炷恋母煽s性和耐磨性與碎石混凝土相當。

頁巖陶粒混凝土；碎石混凝土；長齡期；力學性能；耐久性能

0 引言

碎石型頁巖陶粒其表面粗糙多孔，內(nèi)部具有大量的封閉孔隙，用其制備而成的頁巖陶?；炷辆哂匈|(zhì)輕、高強等優(yōu)良特性。在國外，高性能輕集料混凝土已廣泛應用于各種土木工程及其它結(jié)構工程[1-4]。目前，我國陶?；炷林饕粦糜诮Y(jié)構保溫的建筑墻體材料，部分應用于橋面鋪裝，而極少應用于公路路面[5-8]。我國對頁巖陶?；炷亮W性能的研究大多集中于 28d齡期以前的強度變化，對于路面混凝土長齡期的力學性能研究也至關重要，另外對于頁巖陶?；炷恋哪湍バ缘嚷酚眯阅苎芯枯^少，因此制約了頁巖陶?；炷猎诠饭こ讨械膽?。

本文結(jié)合京昆高速石家莊至冀晉界公路工程項目，開展頁巖陶?；炷谅访娴膽醚芯?。該項目起點位于曲陽橋，與京昆高速和石家莊北繞城高速公路相接，起點樁號K0+000，經(jīng)過正定縣、鹿泉區(qū)、平山縣、井陘縣、井陘礦區(qū)，接山西省京昆高速公路山西省界平定至陽曲段，終點樁號K65+000，主線全長65km。通過對頁巖陶?；炷吝M行路用性能試驗，分析頁巖陶粒混凝土長齡期抗壓、抗折強度，干縮性、抗凍性、抗?jié)B性以及耐磨性等耐久性能，并與依托工程普通水泥混凝土路面性能對比，探討頁巖陶粒混凝土長齡期抗壓、抗折強度增長趨勢以及抗凍性和抗?jié)B性的優(yōu)越性，對有效利用地方頁巖資源、拓寬高強輕質(zhì)頁巖陶粒的公路工程應用具有積極的意義。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥： P.O42.5級。

（2）頁巖陶粒：5～20mm連續(xù)級配，堆積密度705kg/m3，筒壓強度7.5MPa,1h吸水率8%。

（3）碎石：5～20mm連續(xù)級配，堆積密度1540kg/m3。

（4）砂：河砂，細度模數(shù)2.7，堆積密度1630 kg/m3，含泥量1.6%。

（5）減水劑：聚羧酸減水劑，減水率25%，含氣量3.4%。

（6）水：自來水。

1.2 配合比

依據(jù)《輕骨料混凝土技術規(guī)程》JGJ51-2002和《碎石混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ55-2011，設計頁巖陶?；炷梁退槭炷僚浜媳?，見表1。

表1 混凝土配合比設計

1.3 試件成型

試件制備前應將頁巖陶粒預濕24h，之后瀝干表面水分或用濕毛巾擦干。將預濕頁巖陶粒、砂、水泥依次投入強制式攪拌機中攪拌1min，之后加入水和減水劑攪拌2min，攪拌后的頁巖陶粒混凝土分兩次裝模，第一次裝至試模高1/2以上，人工插搗密實；第二次裝至高出試模 20mm，用平板振動器振搗至表面出漿，約5s，抹平后置于平整地面，此時仍會有少量陶粒上浮，間隔1h抹面1次，2次抹面后表面即平整。通過試驗發(fā)現(xiàn)，在空氣中養(yǎng)護36h，更易拆模，不會損傷試件。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 長齡期力學性能

頁巖陶?；炷良八槭炷?8d、60d、90d抗壓強度試驗結(jié)果見表2，抗折強度試驗結(jié)果見表3。結(jié)合表中試驗數(shù)據(jù)，繪制兩種試配強度的混凝土抗壓、抗折強度隨齡期變化趨勢圖（見圖1、圖2）。

表2 混凝土抗壓強度

表3 混凝土抗折強度

Y40 4.08 7.22 7.48 7.37 7.40 7.50 7.55 S30 5.13 S40 5.71

由表2、表3中抗壓、抗折強度數(shù)據(jù)可知，兩種試配強度的頁巖陶粒混凝土均達到設計強度。從混凝土抗壓強度隨齡期變化可以看出，28d到60d齡期間，頁巖陶粒混凝土和碎石混凝土抗壓強度增長較快，60d齡期后碎石混凝土抗壓強度趨于穩(wěn)定，而頁巖陶?；炷量箟簭姸壤^續(xù)增長。從混凝土抗折強度隨齡期變化可以看出，28d到60d齡期間，頁巖陶?；炷量拐蹚姸仍鲩L幅度較碎石混凝土大；60d齡期后碎石混凝土抗折強度趨于穩(wěn)定，而頁巖陶?；炷量拐蹚姸壤^續(xù)緩慢增長。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因較多，主要是因為混凝土中的骨料和水泥?；炷脸尚统跗?，其水泥石部分的強度發(fā)展并不充分，此時混凝土強度的高低就取決于其界面的粘結(jié)程度。碎石多棱角，與水泥石產(chǎn)生較大的摩擦阻力，頁巖陶粒雖然是碎石狀，但棱角相對較少，產(chǎn)生的摩擦阻力小，從而導致成型早期頁巖陶?；炷恋膹姸缺绕胀ɑ炷恋?。

2.2 抗凍性能

制作LC40頁巖陶粒混凝土和C40碎石混凝土抗凍試塊各2組，一組用于凍融循環(huán)，另外一組做抗壓強度對比試件。從試件質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)變化可知，260次凍融循環(huán)內(nèi)頁巖陶?；炷恋馁|(zhì)量損失率低于碎石混凝土。凍融循環(huán)結(jié)束后頁巖陶?；炷恋目箟簭姸葹?55.2MPa，對比組為 57.3MPa，抗壓強度損失率為3.7%；凍融循環(huán)結(jié)束后碎石混凝土的抗壓強度為51.9MPa，對比組為58.0MPa，抗壓強度損失率為10.5%。

頁巖陶?；炷恋目箖鲂阅軆?yōu)于普通混凝土，這主要歸因于以下兩個方面：

（1）頁巖陶粒內(nèi)部含有大量封閉的小孔，不易被水飽和，加上陶粒的吸水作用，使陶粒同水泥漿體的界面區(qū)的水膠比減小，從而導致其界面區(qū)強度比碎石混凝土大。頁巖陶?；炷潦軆銎陂g，陶粒內(nèi)部的封閉小孔可對混凝土內(nèi)水結(jié)冰時的冰晶壓力起緩沖作用，起到減少膨脹壓力和混凝土內(nèi)應力的作用。

（2）在水化后期，頁巖陶?；炷辆哂小皟?nèi)養(yǎng)”效應。隨著陶?；炷林兴嗍毧字兴值牟粩鄿p少，陶?？紫吨写鎯Φ乃种匦禄氐剿酀{體中，對界面層的水泥石起到養(yǎng)護作用，使得外部的水分不易進入混凝土內(nèi)部，用于可凍結(jié)的水分十分缺乏，因此，在凍融交替的過程中，陶?；炷恋目箖鲂杂值玫竭M一步的提高。

2.3 抗?jié)B性能

抗?jié)B試驗采用HS-4型混凝土滲透儀，采用滲水高度法進行抗?jié)B試驗，兩種試配強度的混凝土分別在水壓力0.8MPa和1.0MPa保持24h。頁巖陶?；炷良八槭炷量?jié)B試驗結(jié)果見圖1。

圖1 混凝土抗?jié)B試驗結(jié)果

從圖 1可知，頁巖陶?；炷恋目?jié)B性優(yōu)于碎石混凝土。一方面，頁巖陶粒表面粗糙，可以增強與水泥砂漿的粘結(jié)性能，水泥砂漿將陶粒緊緊包裹，相互隔離，陶粒與陶粒之間并不能形成連續(xù)的滲水孔道，阻止了水的滲透；另一方面，頁巖陶粒是多孔結(jié)構，隨著齡期的增長，陶粒中存有的水將對混凝土產(chǎn)生“內(nèi)養(yǎng)”作用，提高了陶粒表面膠凝材料的強度，也提高了混凝土的密實度。

2.4 干縮性能

頁巖陶?；炷良八槭炷翗藴署B(yǎng)護3d后置于干縮室內(nèi)采用混凝土臥式收縮儀測量試件長度變化，180d干縮試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 混凝土干縮率隨齡期變化

由圖2知，碎石混凝土14d前收縮變化快，之后收縮減緩；頁巖陶?；炷燎捌谑湛s較小，后期收縮較大。頁巖陶粒是一種多孔材料，預濕使微孔存儲水分。干縮試驗前期，頁巖混凝土表面水分隨時間延長逐漸減少，陶?？紫秲?nèi)的水分釋放到水泥石中，補充蒸發(fā)掉的水分。干縮試驗后期，混凝土內(nèi)水分進一步減少，主要是因為頁巖陶粒的彈性模量低于碎石，降低了粗骨料對混凝土收縮變形的抑制能力，所以在試驗后期頁巖陶?；炷粮稍锸湛s幅度較大，并且大于碎石混凝土。

2.5 耐磨性能

由頁巖陶?；炷良八槭炷聊湍ピ囼灲Y(jié)果可知，頁巖陶?；炷恋哪湍バ耘c碎石混凝土相當。一方面，粗骨料的強度影響著混凝土的耐磨性，碎石的強度遠高于頁巖陶粒；另一方面，骨料和水泥石與界面黏結(jié)質(zhì)量也影響著混凝土的耐磨性，陶粒表面具有一定的活性，能與吸入陶粒表面開口孔內(nèi)的水泥顆粒發(fā)生就地反應，使界面強度提高，部分彌補了陶?；炷僚c碎石混凝土耐磨性的差距。

3 結(jié)語

通過頁巖陶?；炷梁退槭炷灵L齡期力學性能和耐久性能試驗，可以得出在同坍落度和同水灰比的條件下，頁巖陶?；炷僚c碎石混凝土達到相同的強度標號；28d后頁巖陶?；炷量箟?、抗折強度繼續(xù)增長，抗折強度增幅較碎石混凝土大；頁巖陶?；炷恋目箖鲂院涂?jié)B性優(yōu)于碎石混凝土；頁巖陶粒混凝土的干縮性和耐磨性與碎石混凝土相當。因此，本文對于促進頁巖陶?；炷恋穆访鎽镁哂幸欢ǖ膬r值。

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