張慶兵，周山山，許夢(mèng)飛

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作454000)

隨著社會(huì)需求的增加和建筑行業(yè)的發(fā)展，對(duì)混凝土提出了輕質(zhì)、高強(qiáng)、高性能、多功能等更高的要求，特別是在超高層、橋梁與大跨度建筑等大型工程中［1］。普通混凝土雖然強(qiáng)度較高，配制和施工技術(shù)較成熟，成本較低，但存在自重大、脆性大等缺點(diǎn)［2］。而將陶粒作為粗骨料澆筑而成的混凝土稱為輕骨料混凝土［3］，它不但具有質(zhì)輕、保溫、隔聲等性能，還具有良好的抗?jié)B、抗震性能，能達(dá)到普通混凝土的強(qiáng)度，應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛［4］。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

(1)本文選用的不同筒壓強(qiáng)度的頁(yè)巖陶粒全部由河南美賽克科技有限公司提供，其粒徑的范圍有5～10 mm、5～15 mm、5～20 mm三種，均采用連續(xù)級(jí)配。使用時(shí)，應(yīng)提前24 h進(jìn)行預(yù)濕處理，陶粒的主要物理性質(zhì)如表1所示。

表1 陶粒的物理性能

(2)選用由河南美賽克科技有限公司生產(chǎn)的頁(yè)巖陶砂，堆積密度為860 kg/m3，密度等級(jí)為900級(jí)，粒徑為＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm三種，均為連續(xù)級(jí)配。

(3)選用P.O42.5R堅(jiān)固牌普通硅酸鹽水泥，由焦作市堅(jiān)固水泥廠生產(chǎn)。

(4)選用由平頂山市姚孟電廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰。

(5)選用兩種不同減水率的減水劑，分別為聚羧酸高效減水劑、普通減水劑，使用過(guò)程中均采用后摻法。兩種減水劑的主要物理性質(zhì)如表2所示。

表2 減水劑的物理性能

1.2 配合比

本文依據(jù)輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程，采用松散體積法配制出強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C30的基準(zhǔn)配合比，減水劑的摻量宜為膠凝材料的0.8% ～2.0%，頁(yè)巖陶砂的粒徑為0～5 mm，取連續(xù)級(jí)配。配合比的各參數(shù)如表3所示。

表3 頁(yè)巖陶?；炷吝x用的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

(1)本試驗(yàn)的混凝土拌合物均采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，并采用后摻法投料的方式［5］。粗骨料提前24 h進(jìn)行預(yù)濕處理，嚴(yán)格控制攪拌時(shí)間與加料的順序。首先將細(xì)骨料與摻合料、水泥充分?jǐn)嚢杈鶆?，添?/2的用水量，待拌合物攪拌1 min后，利用剩余的水稀釋減水劑，均勻加入并進(jìn)行攪拌，總攪拌時(shí)間控制在5 min左右。

(2)試驗(yàn)的步驟均參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50081—2002)、《輕集料及其試驗(yàn)方法》(GB/T1743.1—2010)，采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。此次試驗(yàn)均采用100 mm×100 mm×100 mm的非標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，采用灑水的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d、14 d、28 d，然后采用SYE－2000型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)其抗壓強(qiáng)度。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，首先將試塊放置在干燥處，使其表面水分蒸發(fā)完畢，表面無(wú)云狀潮濕即可，以每秒鐘0.3～0.7 MPa的速度均勻連續(xù)地對(duì)試塊施加荷載，當(dāng)施加荷載的速度逐漸變?yōu)榱銜r(shí)，記錄下破壞荷載。其立方體的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中:fcu為試塊立方體抗壓強(qiáng)度(MPa);F為試塊的破壞荷載(N);A為試塊的承壓面積(mm2)。

在不同齡期對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，分別采用一組試塊，如果檢測(cè)的抗壓強(qiáng)度的最大值與最小值的差大于15%時(shí)，則該組試塊的抗壓強(qiáng)度無(wú)效，應(yīng)舍棄，并重新取樣檢測(cè)。在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求試塊采用邊長(zhǎng)為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件［6］，因此應(yīng)采用式(2)［7］對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度換算:

式中:fcu為換算后立方體試塊抗壓強(qiáng)度為邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試件抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 不同水膠比對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響

(1)本試驗(yàn)選取了3種不同的水膠比，分別為0.33、0.38、0.43，通過(guò)控制不同的水膠比、相同的粒徑范圍和砂率等，研究水膠比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 頁(yè)巖陶?；炷僚浜媳?/p>

(2)由表4發(fā)現(xiàn)，輕骨料混凝土與普通混凝土相似，混凝土的強(qiáng)度隨著水膠比增大而降低?？刂屏椒秶鸀?～15 mm時(shí)，隨著水膠比的增大，混凝土的強(qiáng)度分別降低了9.0%、18.8%，同時(shí)抗折強(qiáng)度也有所下降。經(jīng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)分析可得，隨著水膠比的增大，混凝土試塊內(nèi)部含水量較多，由于骨料的上浮導(dǎo)致拌合物出現(xiàn)分層現(xiàn)象，并且產(chǎn)生較嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象［8］，導(dǎo)致混凝土試塊的強(qiáng)度降低。當(dāng)水膠比為0.33時(shí)，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度最高。

2.2 不同的粒徑范圍對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響

(1)在采用水泥用量與砂率不變的情況下，通過(guò)選用不同粒徑范圍的陶粒，研究不同粒徑范圍的粗骨料對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果分別如表4和圖1所示。

(2)由上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)粗骨料的粒徑范圍為5～15 mm時(shí)，陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度最高，相對(duì)于粒徑范圍為5～20 mm的陶?；炷粮叱黾s11%，比粒徑范圍為5～10 mm的陶?；炷粮叱龈唷Ｌ樟＞哂休p質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)是由于陶粒內(nèi)部為多孔的發(fā)泡結(jié)構(gòu)，但擁有較大粒徑范圍的粗骨料周圍水泥漿體的粘結(jié)力小于受到的浮力。在振搗成型的過(guò)程中，由于大粒徑骨料上浮，從而造成試塊內(nèi)部上下分層，不能使骨料均勻地分布在漿體內(nèi)部，則使試塊抗壓強(qiáng)度降低。對(duì)于粒徑較小的輕骨料混凝土，骨料的表面積有了較大的改觀，使得骨料在水泥砂漿中保持平衡趨勢(shì)而不上浮，但是由于粗骨料粒徑較小，依據(jù)陶?；炷恋钠茐臋C(jī)理，裂縫首先在骨料內(nèi)部產(chǎn)生，骨料粒徑較小就容易在骨料內(nèi)部形成貫通裂縫，嚴(yán)重影響試塊的抗壓強(qiáng)度。由圖1可以看出，當(dāng)陶粒的粒徑為5～15 mm時(shí)，粗細(xì)骨料孔隙率最低，配制的拌合物具有較高的和易性與密實(shí)度，砂漿基體能夠充分包裹骨料使得拌合物更加密實(shí)，從而使混凝土的強(qiáng)度在此時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

圖1 粗骨料的粒徑范圍對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 筒壓強(qiáng)度［9］對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響

(1)在此次試驗(yàn)中，保持粗骨料的粒徑范圍相同，對(duì)LC30混凝土分別采用兩種筒壓強(qiáng)度不同的粗骨料，保持筒壓強(qiáng)度為澆筑混凝土試塊時(shí)的單一變量。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

(2)由圖2可以清楚地看出陶粒的筒壓強(qiáng)度對(duì)于陶?；炷翉?qiáng)度有著很大的影響，在混凝土硬化的各個(gè)齡期，筒壓強(qiáng)度較高的陶粒澆筑而成的混凝土強(qiáng)度，在各個(gè)齡期均大于低筒壓強(qiáng)度的22.2%、21.5%、25.0%、20.5%。

首先從陶?；炷恋钠茐臋C(jī)理［9］分析，輕骨料的強(qiáng)度和彈性模量往往都低于水泥砂漿基體，當(dāng)荷載作用在輕骨料顆粒時(shí)，在骨料兩側(cè)產(chǎn)生的是壓應(yīng)力，加上輕骨料表面粗糙，比表面積較大，與水泥砂漿的粘結(jié)力強(qiáng)，不宜產(chǎn)生裂縫。由于陶粒相對(duì)于水泥石強(qiáng)度較低，彈性模量較小，那么裂紋就會(huì)首先在陶粒表面產(chǎn)生，筒壓強(qiáng)度較高的陶粒自然就能抵抗較高的應(yīng)力，當(dāng)陶粒抑制裂紋開展的能力喪失時(shí)，則在試塊內(nèi)部會(huì)快速形成貫通，從而使試塊破壞，失去承受荷載的能力。通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)觀察，試塊的斷面結(jié)構(gòu)較均勻完整，粗骨料上浮現(xiàn)象不明顯，不具有明顯的分層現(xiàn)象，斷裂面是由于裂縫貫穿陶粒而形成。

2.4 減水劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

(1)在此次試驗(yàn)中分別采用兩種減水率不同的減水劑，對(duì)LC30混凝土采用相同的骨料和外摻劑，保持減水劑為單一變量因素，從而分析不同減水劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

(2)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖2 粗骨料的筒壓強(qiáng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

表5 不同齡期的立方體試塊抗壓強(qiáng)度 MPa

本次實(shí)驗(yàn)共做了24組立方體試塊，采用不同的減水劑各12組，在相同的條件下進(jìn)行澆筑、養(yǎng)護(hù)。

(3)結(jié)果分析。

在保證水膠比不變的條件下，添加不同的減水劑，首先會(huì)對(duì)拌合物的坍落度產(chǎn)生較大的影響。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加高效減水劑拌合物的流動(dòng)性與粘聚性較好，同時(shí)并沒有出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，完全可以滿足泵送的要求。

由圖3中的折線可以看出，在齡期為3 d時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度相差不大，分別達(dá)到28 d強(qiáng)度的30%左右，隨著齡期的增長(zhǎng)，在齡期為7 d時(shí)，A組的抗壓強(qiáng)度低于B組22%左右，之后試塊強(qiáng)度趨于穩(wěn)定增長(zhǎng)的狀態(tài)。在齡期為28 d時(shí)，B組的抗壓強(qiáng)度高于A組24%左右。從折線中可以清楚地看到，采用普通減水劑的陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度在各個(gè)齡期均低于聚羧酸減水劑。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，當(dāng)采用普通減水劑時(shí)，拌合物的粘聚性與流動(dòng)性均較B組差，坍落度也達(dá)不到泵送的要求。在混凝土振搗成型過(guò)程中，試塊內(nèi)部形成較多孔隙，造成試塊整體的密實(shí)度降低，在對(duì)試塊施加荷載時(shí)，容易在內(nèi)部產(chǎn)生較高的集中應(yīng)力，從而使混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。在相同的水膠比條件下，由于拌合物的和易性并不理想，造成水泥砂漿基體不能夠?qū)⒐橇线M(jìn)行充分包裹，產(chǎn)生天然的縫隙，雖然粗骨料具有后期的返水作用，能夠緩解后期混凝土內(nèi)部的干燥環(huán)境，但并不能抵消由縫隙造成的混凝土抗壓強(qiáng)度的降低。

圖3 不同減水率的減水劑對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

輕骨料混凝土因其自身的優(yōu)點(diǎn)得到了工程上的廣泛應(yīng)用。本文主要針對(duì)輕骨料混凝土的水膠比、粗骨料的粒徑范圍、筒壓強(qiáng)度、不同減水率的減水劑四方面因素探討了對(duì)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，得出以下結(jié)論:

(1)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度受水膠比的影響較大，強(qiáng)度隨著水膠比的增大而大幅度下降，當(dāng)水膠比為0.33時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)。

(2)存在一組最佳的粗骨料粒徑范圍參數(shù)，即粒徑范圍為5～15 mm，使得骨料孔隙率最低，具有較高的密實(shí)度，并對(duì)選用的配合比進(jìn)行調(diào)整，即可配制出不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，且坍落度在180～200 mm范圍內(nèi)，完全滿足泵送的要求。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明試塊的破壞是由于粗骨料的強(qiáng)度與彈性模量小于水泥砂漿基體，造成粗骨料的斷裂，粗骨料的筒壓強(qiáng)度是影響試塊強(qiáng)度的重要因素，適當(dāng)提高粗骨料的筒壓強(qiáng)度，可較大的提高試塊的抗壓強(qiáng)度。

(4)與普通混凝土相比，輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度對(duì)水膠比更加敏感，試驗(yàn)表明采用聚羧酸減水劑能夠顯著提高拌合物的和易性，降低拌合物的水膠比，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，并且更有利于進(jìn)行泵送，滿足現(xiàn)代化的施工要求。

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