页岩陶粒混凝土长龄期力学性能和耐久性能研究

焦双健，王磊，李江海

（1中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100； 2石家庄市京昆高速石太管理处，河北 石家庄 050000）

页岩陶粒混凝土长龄期力学性能和耐久性能研究

焦双健1，王磊1，李江海2

（1中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100； 2石家庄市京昆高速石太管理处，河北 石家庄 050000）

为测定页岩陶粒混凝土的长龄期力学性能和耐久性能，在同坍落度和同水灰比的条件下配制了两种强度的页岩陶粒混凝土和碎石混凝土。研究结果表明：两种强度的页岩陶粒混凝土均达到设计强度标号；28d后页岩陶粒混凝土抗压、抗折强度继续增长，且抗折强度增幅较碎石混凝土大；页岩陶粒混凝土的抗冻性和抗渗性优于碎石混凝土；页岩陶粒混凝土的干缩性和耐磨性与碎石混凝土相当。

页岩陶粒混凝土；碎石混凝土；长龄期；力学性能；耐久性能

0 引言

碎石型页岩陶粒其表面粗糙多孔，内部具有大量的封闭孔隙，用其制备而成的页岩陶粒混凝土具有质轻、高强等优良特性。在国外，高性能轻集料混凝土已广泛应用于各种土木工程及其它结构工程[1-4]。目前，我国陶粒混凝土主要被应用于结构保温的建筑墙体材料，部分应用于桥面铺装，而极少应用于公路路面[5-8]。我国对页岩陶粒混凝土力学性能的研究大多集中于 28d龄期以前的强度变化，对于路面混凝土长龄期的力学性能研究也至关重要，另外对于页岩陶粒混凝土的耐磨性等路用性能研究较少，因此制约了页岩陶粒混凝土在公路工程中的应用。

本文结合京昆高速石家庄至冀晋界公路工程项目，开展页岩陶粒混凝土路面的应用研究。该项目起点位于曲阳桥，与京昆高速和石家庄北绕城高速公路相接，起点桩号K0+000，经过正定县、鹿泉区、平山县、井陉县、井陉矿区，接山西省京昆高速公路山西省界平定至阳曲段，终点桩号K65+000，主线全长65km。通过对页岩陶粒混凝土进行路用性能试验，分析页岩陶粒混凝土长龄期抗压、抗折强度，干缩性、抗冻性、抗渗性以及耐磨性等耐久性能，并与依托工程普通水泥混凝土路面性能对比，探讨页岩陶粒混凝土长龄期抗压、抗折强度增长趋势以及抗冻性和抗渗性的优越性，对有效利用地方页岩资源、拓宽高强轻质页岩陶粒的公路工程应用具有积极的意义。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

（1）水泥： P.O42.5级。

（2）页岩陶粒：5～20mm连续级配，堆积密度705kg/m3，筒压强度7.5MPa,1h吸水率8%。

（3）碎石：5～20mm连续级配，堆积密度1540kg/m3。

（4）砂：河砂，细度模数2.7，堆积密度1630 kg/m3，含泥量1.6%。

（5）减水剂：聚羧酸减水剂，减水率25%，含气量3.4%。

（6）水：自来水。

1.2 配合比

依据《轻骨料混凝土技术规程》JGJ51-2002和《碎石混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011，设计页岩陶粒混凝土和碎石混凝土配合比，见表1。

表1 混凝土配合比设计

1.3 试件成型

试件制备前应将页岩陶粒预湿24h，之后沥干表面水分或用湿毛巾擦干。将预湿页岩陶粒、砂、水泥依次投入强制式搅拌机中搅拌1min，之后加入水和减水剂搅拌2min，搅拌后的页岩陶粒混凝土分两次装模，第一次装至试模高1/2以上，人工插捣密实；第二次装至高出试模 20mm，用平板振动器振捣至表面出浆，约5s，抹平后置于平整地面，此时仍会有少量陶粒上浮，间隔1h抹面1次，2次抹面后表面即平整。通过试验发现，在空气中养护36h，更易拆模，不会损伤试件。

2 试验结果及分析

2.1 长龄期力学性能

页岩陶粒混凝土及碎石混凝土28d、60d、90d抗压强度试验结果见表2，抗折强度试验结果见表3。结合表中试验数据，绘制两种试配强度的混凝土抗压、抗折强度随龄期变化趋势图（见图1、图2）。

表2 混凝土抗压强度

表3 混凝土抗折强度

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中抗压、抗折强度数据可知，两种试配强度的页岩陶粒混凝土均达到设计强度。从混凝土抗压强度随龄期变化可以看出，28d到60d龄期间，页岩陶粒混凝土和碎石混凝土抗压强度增长较快，60d龄期后碎石混凝土抗压强度趋于稳定，而页岩陶粒混凝土抗压强度继续增长。从混凝土抗折强度随龄期变化可以看出，28d到60d龄期间，页岩陶粒混凝土抗折强度增长幅度较碎石混凝土大；60d龄期后碎石混凝土抗折强度趋于稳定，而页岩陶粒混凝土抗折强度继续缓慢增长。

产生这种现象的原因较多，主要是因为混凝土中的骨料和水泥。混凝土成型初期，其水泥石部分的强度发展并不充分，此时混凝土强度的高低就取决于其界面的粘结程度。碎石多棱角，与水泥石产生较大的摩擦阻力，页岩陶粒虽然是碎石状，但棱角相对较少，产生的摩擦阻力小，从而导致成型早期页岩陶粒混凝土的强度比普通混凝土低。

2.2 抗冻性能

制作LC40页岩陶粒混凝土和C40碎石混凝土抗冻试块各2组，一组用于冻融循环，另外一组做抗压强度对比试件。从试件质量损失率随冻融次数变化可知，260次冻融循环内页岩陶粒混凝土的质量损失率低于碎石混凝土。冻融循环结束后页岩陶粒混凝土的抗压强度为 55.2MPa，对比组为 57.3MPa，抗压强度损失率为3.7%；冻融循环结束后碎石混凝土的抗压强度为51.9MPa，对比组为58.0MPa，抗压强度损失率为10.5%。

页岩陶粒混凝土的抗冻性能优于普通混凝土，这主要归因于以下两个方面：

（1）页岩陶粒内部含有大量封闭的小孔，不易被水饱和，加上陶粒的吸水作用，使陶粒同水泥浆体的界面区的水胶比减小，从而导致其界面区强度比碎石混凝土大。页岩陶粒混凝土受冻期间，陶粒内部的封闭小孔可对混凝土内水结冰时的冰晶压力起缓冲作用，起到减少膨胀压力和混凝土内应力的作用。

（2）在水化后期，页岩陶粒混凝土具有“内养”效应。随着陶粒混凝土中水泥石毛细孔中水分的不断减少，陶粒孔隙中存储的水分重新回到水泥浆体中，对界面层的水泥石起到养护作用，使得外部的水分不易进入混凝土内部，用于可冻结的水分十分缺乏，因此，在冻融交替的过程中，陶粒混凝土的抗冻性又得到进一步的提高。

2.3 抗渗性能

抗渗试验采用HS-4型混凝土渗透仪，采用渗水高度法进行抗渗试验，两种试配强度的混凝土分别在水压力0.8MPa和1.0MPa保持24h。页岩陶粒混凝土及碎石混凝土抗渗试验结果见图1。

图1 混凝土抗渗试验结果

从图 1可知，页岩陶粒混凝土的抗渗性优于碎石混凝土。一方面，页岩陶粒表面粗糙，可以增强与水泥砂浆的粘结性能，水泥砂浆将陶粒紧紧包裹，相互隔离，陶粒与陶粒之间并不能形成连续的渗水孔道，阻止了水的渗透；另一方面，页岩陶粒是多孔结构，随着龄期的增长，陶粒中存有的水将对混凝土产生“内养”作用，提高了陶粒表面胶凝材料的强度，也提高了混凝土的密实度。

2.4 干缩性能

页岩陶粒混凝土及碎石混凝土标准养护3d后置于干缩室内采用混凝土卧式收缩仪测量试件长度变化，180d干缩试验结果如图2所示。

图2 混凝土干缩率随龄期变化

由图2知，碎石混凝土14d前收缩变化快，之后收缩减缓；页岩陶粒混凝土前期收缩较小，后期收缩较大。页岩陶粒是一种多孔材料，预湿使微孔存储水分。干缩试验前期，页岩混凝土表面水分随时间延长逐渐减少，陶粒孔隙内的水分释放到水泥石中，补充蒸发掉的水分。干缩试验后期，混凝土内水分进一步减少，主要是因为页岩陶粒的弹性模量低于碎石，降低了粗骨料对混凝土收缩变形的抑制能力，所以在试验后期页岩陶粒混凝土干燥收缩幅度较大，并且大于碎石混凝土。

2.5 耐磨性能

由页岩陶粒混凝土及碎石混凝土耐磨试验结果可知，页岩陶粒混凝土的耐磨性与碎石混凝土相当。一方面，粗骨料的强度影响着混凝土的耐磨性，碎石的强度远高于页岩陶粒；另一方面，骨料和水泥石与界面黏结质量也影响着混凝土的耐磨性，陶粒表面具有一定的活性，能与吸入陶粒表面开口孔内的水泥颗粒发生就地反应，使界面强度提高，部分弥补了陶粒混凝土与碎石混凝土耐磨性的差距。

3 结语

通过页岩陶粒混凝土和碎石混凝土长龄期力学性能和耐久性能试验，可以得出在同坍落度和同水灰比的条件下，页岩陶粒混凝土与碎石混凝土达到相同的强度标号；28d后页岩陶粒混凝土抗压、抗折强度继续增长，抗折强度增幅较碎石混凝土大；页岩陶粒混凝土的抗冻性和抗渗性优于碎石混凝土；页岩陶粒混凝土的干缩性和耐磨性与碎石混凝土相当。因此，本文对于促进页岩陶粒混凝土的路面应用具有一定的价值。

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