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

（鄭州大學力學與安全工程學院，鄭州 450001）

0 引言

隨著基本建設(shè)的推進和生活設(shè)施的擴充，世界各國對水泥混凝土的需求不斷增加。據(jù)不完全統(tǒng)計，21世紀前世界水泥產(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200億噸左右，砂石來源于對山石和河道的大量挖掘，給環(huán)境資源造成了不可恢復的損害。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產(chǎn)生約占排放總量5%的二氧化碳。面對這種日益增加的環(huán)境壓力，用可再生混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥混凝土進行使用，可以減少建筑行業(yè)對天然砂石等自然資源的需求和依賴，對環(huán)境保護、實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(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?；炷潦侵敢蕴樟Ｗ鳛榇止橇咸娲烊皇优渲贫傻谋砻婷芏刃∮?950kg/m3的混凝土。在美國、挪威、日本等國家，陶粒混凝土常作為大型建筑和橋梁結(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。目前很多學者對陶粒混凝土的微觀結(jié)構(gòu)、力學性能進行研究，并分析不同配合比設(shè)計及制備條件對其結(jié)構(gòu)和性能的影響。陶?；炷辆哂休p質(zhì)高強，抗凍性強，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)外圍護結(jié)構(gòu)板的制備。傳統(tǒng)的陶粒混凝土以河砂為細骨料，經(jīng)過不同的配合比設(shè)計，其體積密度通常在1700～1900kg/m3之間。本文對輕質(zhì)陶?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計進行研究，以制備出抗壓強度高于20MPa，體積密度小于1600kg/m3的輕質(zhì)陶?；炷?，以推進陶?；炷猎趬w材料中應用。

1 實驗方案

1.1 實驗材料

水泥：鄭州天瑞集團42.5普通硅酸鹽水泥，28天抗壓強度為44.8MPa。添加粉煤灰為膠凝材料，用量為膠凝材料的10%。粗細骨料分別為陶粒和陶砂，其性能指標如下表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

基于《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011）和《輕骨料混凝土應用技術(shù)標準》（JGJ/T12-2019），目標抗壓強度的標準值為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%。采用絕對體積法進行配合比計算。陶?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計見表2。

表2 輕質(zhì)陶?；炷僚浜媳仍O(shè)計（kg/m3）

1.3 試驗方法

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100×100×100mm的標準立方體試塊。高強輕骨料混凝土體積密度測試按照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ51-2002）進行，澆筑后置于室內(nèi)靜置養(yǎng)護1天后，脫去模具進行稱重，然后將混凝土試塊放入標準養(yǎng)護室內(nèi)進行養(yǎng)護?；炷亮W性能按照《混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019）進行測試，分別測試混凝土3天和7天的抗壓和劈拉強度。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 再生混凝土體積密度、抗壓強度和劈拉強度

2 實驗結(jié)果分析

2.1 體積密度

基于《輕骨料混凝土應用技術(shù)標準》（JGJ/T 12-2019）中的絕對體積法，選取三種不同的水膠比進行陶?；炷僚浜媳鹊脑O(shè)計，其體積密度都在1650kg/m3以下。由表3的試驗數(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積密度較大是因為其水膠比較小，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大、孔隙率和吸水率高，導致陶粒混凝土集料之間存在孔隙，混凝土在攪拌過程中，會帶入一些氣泡，導致陶?；炷恋捏w積增大，因此會使混凝土的體積密度減小并影響陶?；炷恋膹姸群涂?jié)B性能。C組的水膠比較大，在硬化水泥漿體中將會存在較多的自由水去填補孔隙，而自由水在失去時不會造成體積的變化。所以B組陶粒混凝土的體積密度大致上呈現(xiàn)出與C組的體積密度相當。

2.2 破壞形態(tài)

對于陶?；炷?，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強度形成機理等與普通混凝土不同，因此其破壞形態(tài)也有自身特點。陶?；炷潦怯捎趦?nèi)部陶粒破壞而最終導致陶?；炷恋钠茐?。由于陶粒的彈性模量較低，受壓時，不斷積聚能量，當內(nèi)部陶粒開始破壞時，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，從圖片中可以看出陶粒混凝土中存在著大量孔隙。這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 陶粒混凝土典型破壞形態(tài)

2.3 抗壓強度

根據(jù)表3中陶?；炷?天和28天抗壓強度試驗結(jié)果，3種系列下混凝土抗壓強度3天和28天抗壓強度分別如圖2和圖3所示。

圖2 3天齡期抗壓強度

圖3 28天齡期的抗壓強度

由圖2可見，在標準養(yǎng)護3天后其抗壓強度大都在15-17MPa之間，最高可達17.86MPa，標準養(yǎng)護28d后，其抗壓強度大都在20MPa以上，最高可達28.02MPa。在B組標準養(yǎng)護3天后抗壓強度的數(shù)據(jù)中，3號試件的抗壓強度為9.56MPa，與其他試件存在差異，其可能拌合物振搗時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，導致其抗壓強度偏低。

由圖3可見，在標準養(yǎng)護28d后，3組陶?；炷恋目箟簭姸鹊钠骄刀歼_到了20MPa。以0.45的水膠比設(shè)計出的陶粒混凝土的抗壓強度最低，以0.40的水膠比設(shè)計出的陶粒混凝土的抗壓強度居中，以0.50的水膠比設(shè)計出的陶?；炷恋目箟簭姸茸罡?。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，這會降低混凝土抵抗外力的能力。水灰比過小時，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)；當砂漿強度較低時，陶粒周圍增強的界面區(qū)以及與砂漿較為良好的彈性協(xié)調(diào)在一定程度上彌補了陶粒自身對混凝土強度的不利影響，混凝土破壞主要取決于砂漿強度，但當砂漿強度較高時，低強度的陶粒會在一定程度上會降低混凝土的強度。

2.4 劈拉強度

由圖4、圖5的可知，在標準養(yǎng)護3天后其劈拉強度大都在0.8-1.2MPa之間，最高可達1.26MPa，標準養(yǎng)護28d后，其抗拉強度大都在3.0MPa以上，最高可達4.07MPa。其中C組的劈裂抗拉強度最大，A組的劈裂抗拉強度居中，B組的劈裂抗拉強度最小。本文陶?；炷僚瓘姸燃s為其抗壓強度的1/16-1/10，這個關(guān)系與普通混凝土基本一致。混凝土的抗拉強度取決于骨料和硬化水泥漿的抗拉強度，尤其是骨料與硬化水泥漿二者界面上的粘結(jié)強度，陶粒表面與水泥砂漿的粘結(jié)強度低于天然骨料混凝土，所以其抗拉強度通常也低于天然粗骨料混凝土抗拉強度。另一方面，本文使用了陶砂作為細骨料，陶砂強度也低于普通砂漿強度，陶砂砂漿與骨料顆粒的粘結(jié)力也要低，會進一步降低陶?；炷恋目估瓘姸?。此外，在陶?；炷僚茐膶嶒炛?，抗拉破壞一般會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)生于強度很高的混凝土中。這也是造成本文中陶粒混凝土的劈拉強度與水膠比關(guān)系不大的主要原因。

圖4 3天齡期的劈拉強度

圖5 28天齡期的劈拉強度

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)計制備出了輕質(zhì)陶?；炷?，并對其體積密度，抗壓強度，劈裂抗拉強度進行試驗研究，試驗結(jié)果表明：

①使用陶粒和陶砂做粗細骨料，以0.40，0.45，0.50三種不同的水膠比，制備出自重低于1600kg/m3，抗壓強度27.29MPa，劈拉強度為3.13MPa的陶?；炷?。達到了對陶?；炷吝M行減重的目的，實現(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比對其影響不大，水膠比較大時，陶?；炷恋墓ぷ餍阅茉胶?，0.50的水膠比設(shè)計出的輕質(zhì)陶?；炷恋目箟簭姸群团瓘姸染哂谄渌鼉山M混凝土。