陶粒混凝土性能影响因素研究

龚 平 （长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

混凝土是当今世界上用量最大、用途最广的土木工程材料之一。普通水泥混凝土具有强度高、施工方便、耐久性好等诸多优点，被广泛用于各种土木工程中，然而随着现代工程技术的发展，普通水泥混凝土自重大、保温绝热效果差等缺点也日益显露。由于陶粒混凝土具有轻质、保温和抗震等特点，因而受到研究者的普遍关注。下面，笔者对陶粒混凝土性能影响因素进行了研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用华新水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐水泥 （P.O42.5），表观密度3100kg／m3。粗集料采用宜昌宝珠陶粒开发有限责任公司生产的800级陶粒混凝土 （其中圆球形陶粒的表观密度1400kg／m3，1h吸水率5.5%；碎石形陶粒的表观密度1400kg／m3，1h吸水率9.8%），并采用普通卵石 （表观密度2700kg／m3）作对比试验。细集料采用长江砂 （二区砂），细度模数2.6，表观密度2600kg／m3。掺合料使用Ⅱ级粉煤灰及武汉新必达微硅粉有限公司生产的硅灰。外加剂使用荆州市恒利外加剂有限公司生产的HL－800聚羧酸高效减水剂 （掺量1%～2%，减水率25%～35%）。

1.2 试验方法

陶粒混凝土表面多孔，为防止轻骨料吸收新拌混凝土的水分，采用对轻骨料预湿处理的成型方法，即先将陶粒预湿处理，再去掉骨料表面明水，加砂、水泥、掺合料干拌1min，最后加入外加剂和净用水量继续拌合2min成型。试件尺寸为150mm×150mm×150mm。为了解骨料种类、粉煤灰掺量、硅灰掺量对混凝土的抗压强度、表观密度、比强度的影响，按松散体积法计算配合比［1］。粉煤灰取代水泥量按等量取代法计算，硅灰则按减量取代法 （即1份硅灰取代3份水泥）计算，其配合比如表1所示。

表1 陶粒混凝土配合比表

共进行7组实验，其中A－0为圆球型陶粒混凝土，B－0为碎石型陶粒混凝土，B－01、B－02、B－03为掺粉煤灰碎石型陶粒混凝土 （掺量分别为10%、15%、20%），B－11、B－12为掺硅灰碎石型陶粒混凝土（掺量分别为5%、10%）。

2 试验结果及讨论

2.1 骨料种类对陶粒混凝土的性能影响

不同种类骨料配制的轻骨料混凝土性能测试结果如表2所示。由表2可知，使用碎石型陶粒为骨料配制的陶粒混凝土与使用圆球型陶粒为骨料配制的陶粒混凝土相比，其表观密度略高，7d后强度提高38%，28d后强度提高30%，比强度由0.015提高至0.020，而同强度等级的普通混凝土比强度约为0.012）。因此，陶粒混凝土较之普通混凝土在轻质高强性能上均有改善。

表2 不同种类骨料配制的陶粒混凝土性能测试结果表

由于陶粒表面多孔，陶粒经预湿处理后加入水泥干拌，其孔隙内将会吸附部分水泥形成低水灰比的水泥浆，硬化后与包裹在骨料外表面的水泥石形成坚硬整体，使硬化后的水泥石不仅紧密包裹在骨料的外部，还通过骨料的孔隙嵌入陶粒内部形成 “嵌锁结构”，既使陶粒结构变得更为致密从而增强了骨料自身的强度，同时也大幅度提高了骨料与水泥石的界面粘结强度。此外，陶粒强度较之普通混凝土所用粗骨料强度低，而陶粒与水泥石界面粘结力高，观察陶粒混凝土破坏特征，发现陶粒混凝土试件受压破坏时多产生纵向贯穿性裂缝，陶粒破坏断面清晰，很多裂缝贯穿陶粒和水泥石，碎石型陶粒混凝土较少出现陶粒从水泥石中脱落的现象，而圆球型陶粒混凝土则有少部分完整圆球从水泥石中脱出的现象。普通混凝土破坏时以界面破坏为主要形式，骨料较少发生破坏。由此可见，陶粒与水泥石由于嵌锁效应的影响［2］，能更好地形成坚固整体，在受压破坏时，两者协同作战，共同承受外加荷载，大幅度提升强度。而陶粒的表观密度远远低于普通混凝土所用集料，因而在获得与普通混凝土相同强度时可以大幅度提高其比强度。圆球型陶粒表面光滑呈较规则圆球状 （见图1（a）），碎石型陶粒表面粗糙多棱 （见图1（b）），因而碎石型陶粒与水泥石的界面粘结更强，破坏时不出现陶粒从水泥石中脱落的现象，因而用碎石型陶粒配制的陶粒混凝土比圆球型陶粒配制的陶粒混凝土强度更高，比强度也更大。

图1 不同类型陶粒表面特征图

2.2 粉煤灰对陶粒混凝土的性能影响

不同粉煤灰掺量配制的轻骨料混凝土性能测试结果表如表3所示。由表3可知，掺粉煤灰的陶粒混凝土表观密度略高，随着粉煤灰掺量的增大，陶粒混凝土的强度和比强度逐渐下降，在掺量超过15%后，强度下降明显。

表3 不同粉煤灰掺量配制的轻骨料混凝土性能测试结果表

粉煤灰的主要矿物组成是玻璃体，这些球形玻璃体表面光滑、粒度细、质地致密、内比表面积小、对水的吸附力小，因此，粉煤灰的加入使混凝土制备需水量减小，降低了混凝土早期干燥收缩，使混凝土密实性得到很大提高；粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，不仅能填充水泥颗粒间的空隙，而且能改善胶凝材料的颗粒级配，并增加水泥胶体的密实度。因此，掺粉煤灰的陶粒混凝土表观密度略高于未掺粉煤灰的陶粒混凝土 （见图2）。粉煤灰中主要含活性SiO2、Al2O3、Fe2O3，在水泥熟料水化生成的Ca（OH）2作用下激发活性发生水化反应。采用等量取代法掺入粉煤灰，随着粉煤灰掺量的增大，水泥用量减少，起激发作用的Ca（OH）2量减少，此外在初期粉煤灰中活性玻璃微珠吸附一层水膜，粉煤灰活性难以很快激发。因此，随着粉煤灰的掺量增大陶粒混凝土的7d和28d强度及比强度逐渐下降 （见图3）。

图2 粉煤灰对陶粒混凝土性能的影响

图3 粉煤灰对陶粒混凝土比强度的影响

2.3 硅灰对陶粒混凝土的性能影响

图4 硅灰对陶粒混凝土性能的影响

图5 硅灰对陶粒混凝土比强度的影响

掺入硅灰后，陶粒混凝土的强度和比强度均得到大幅度提高，尤其是在硅灰掺量由0%增长至5%时，其28d强度提高了43%，比强度提高了40%；硅灰掺量由5%增长到10%，强度和比强度仅有微小增幅，变化平缓 （见图4和图5）。

3 结 论

（1）无论是碎石型陶粒混凝土还是卵石型陶粒混凝土其比强度均远高于普通混凝土，碎石型陶粒混凝土较同配比的卵石型陶粒混凝土的比强度要高。

（2）随着粉煤灰掺量的增加，陶粒混凝土的比强度逐渐降低，在粉煤灰掺量超过15%后，比强度下降较快。故粉煤灰掺量不宜超过15%。

（3）掺入硅灰后，陶粒混凝土的强度和比强度均得到大幅度提高。

［1］JGJ51－2002，轻集料混凝土技术规程 ［S］.

［2］张林春，张爱莲；邓宏卫 .矿物掺合料对粉煤灰陶粒混凝土抗压强度的影响 ［J］.混凝土，2010（6）：83－85.