轻骨料混凝土的强度影响因素分析

2015-12-04张庆兵周山山许梦飞

河南城建学院学报 2015年1期

张庆兵，周山山，许梦飞

(河南理工大学土木工程学院，河南焦作454000)

随着社会需求的增加和建筑行业的发展，对混凝土提出了轻质、高强、高性能、多功能等更高的要求，特别是在超高层、桥梁与大跨度建筑等大型工程中［1］。普通混凝土虽然强度较高，配制和施工技术较成熟，成本较低，但存在自重大、脆性大等缺点［2］。而将陶粒作为粗骨料浇筑而成的混凝土称为轻骨料混凝土［3］，它不但具有质轻、保温、隔声等性能，还具有良好的抗渗、抗震性能，能达到普通混凝土的强度，应用前景相当广泛［4］。

1 试验概况

1.1 试验材料

(1)本文选用的不同筒压强度的页岩陶粒全部由河南美赛克科技有限公司提供，其粒径的范围有5～10 mm、5～15 mm、5～20 mm三种，均采用连续级配。使用时，应提前24 h进行预湿处理，陶粒的主要物理性质如表1所示。

表1 陶粒的物理性能

(2)选用由河南美赛克科技有限公司生产的页岩陶砂，堆积密度为860 kg/m3，密度等级为900级，粒径为＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm三种，均为连续级配。

(3)选用P.O42.5R坚固牌普通硅酸盐水泥，由焦作市坚固水泥厂生产。

(4)选用由平顶山市姚孟电厂生产的一级粉煤灰。

(5)选用两种不同减水率的减水剂，分别为聚羧酸高效减水剂、普通减水剂，使用过程中均采用后掺法。两种减水剂的主要物理性质如表2所示。

表2 减水剂的物理性能

1.2 配合比

本文依据轻骨料混凝土技术规程，采用松散体积法配制出强度等级为LC30的基准配合比，减水剂的掺量宜为胶凝材料的0.8% ～2.0%，页岩陶砂的粒径为0～5 mm，取连续级配。配合比的各参数如表3所示。

表3 页岩陶粒混凝土选用的配合比

1.3 试验方法

(1)本试验的混凝土拌合物均采用强制式搅拌机进行搅拌，并采用后掺法投料的方式［5］。粗骨料提前24 h进行预湿处理，严格控制搅拌时间与加料的顺序。首先将细骨料与掺合料、水泥充分搅拌均匀，添加1/2的用水量，待拌合物搅拌1 min后，利用剩余的水稀释减水剂，均匀加入并进行搅拌，总搅拌时间控制在5 min左右。

(2)试验的步骤均参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081—2002)、《轻集料及其试验方法》(GB/T1743.1—2010)，采用标准试验方法进行测试。此次试验均采用100 mm×100 mm×100 mm的非标准立方体试件，采用洒水的方式进行养护，分别养护至3 d、7 d、14 d、28 d，然后采用SYE－2000型压力试验机测其抗压强度。在进行试验时，首先将试块放置在干燥处，使其表面水分蒸发完毕，表面无云状潮湿即可，以每秒钟0.3～0.7 MPa的速度均匀连续地对试块施加荷载，当施加荷载的速度逐渐变为零时，记录下破坏荷载。其立方体的抗压强度计算公式为

式中:fcu为试块立方体抗压强度(MPa);F为试块的破坏荷载(N);A为试块的承压面积(mm2)。

在不同龄期对试件进行抗压强度测试时，分别采用一组试块，如果检测的抗压强度的最大值与最小值的差大于15%时，则该组试块的抗压强度无效，应舍弃，并重新取样检测。在《混凝土结构设计规范》中要求试块采用边长为150 mm的标准立方体试件［6］，因此应采用式(2)［7］对其强度进行强度换算:

式中:fcu为换算后立方体试块抗压强度为边长为100 mm的立方体试件抗压强度。

2 试验结果分析与讨论

2.1 不同水胶比对试块抗压强度的影响

(1)本试验选取了3种不同的水胶比，分别为0.33、0.38、0.43，通过控制不同的水胶比、相同的粒径范围和砂率等，研究水胶比对混凝土抗压强度的影响规律。试验结果如表4所示。

表4 页岩陶粒混凝土配合比

(2)由表4发现，轻骨料混凝土与普通混凝土相似，混凝土的强度随着水胶比增大而降低。控制粒径范围为5～15 mm时，随着水胶比的增大，混凝土的强度分别降低了9.0%、18.8%，同时抗折强度也有所下降。经试验现场分析可得，随着水胶比的增大，混凝土试块内部含水量较多，由于骨料的上浮导致拌合物出现分层现象，并且产生较严重的泌水现象［8］，导致混凝土试块的强度降低。当水胶比为0.33时，混凝土试块的抗压强度最高。

2.2 不同的粒径范围对试块抗压强度的影响

(1)在采用水泥用量与砂率不变的情况下，通过选用不同粒径范围的陶粒，研究不同粒径范围的粗骨料对抗压强度的影响规律，结果分别如表4和图1所示。

(2)由上述试验结果可以看出，当粗骨料的粒径范围为5～15 mm时，陶粒混凝土的抗压强度最高，相对于粒径范围为5～20 mm的陶粒混凝土高出约11%，比粒径范围为5～10 mm的陶粒混凝土高出更多。陶粒具有轻质、高强等优点是由于陶粒内部为多孔的发泡结构，但拥有较大粒径范围的粗骨料周围水泥浆体的粘结力小于受到的浮力。在振捣成型的过程中，由于大粒径骨料上浮，从而造成试块内部上下分层，不能使骨料均匀地分布在浆体内部，则使试块抗压强度降低。对于粒径较小的轻骨料混凝土，骨料的表面积有了较大的改观，使得骨料在水泥砂浆中保持平衡趋势而不上浮，但是由于粗骨料粒径较小，依据陶粒混凝土的破坏机理，裂缝首先在骨料内部产生，骨料粒径较小就容易在骨料内部形成贯通裂缝，严重影响试块的抗压强度。由图1可以看出，当陶粒的粒径为5～15 mm时，粗细骨料孔隙率最低，配制的拌合物具有较高的和易性与密实度，砂浆基体能够充分包裹骨料使得拌合物更加密实，从而使混凝土的强度在此时达到最优。

图1 粗骨料的粒径范围对抗压强度的影响

2.3 筒压强度［9］对试块抗压强度的影响

(1)在此次试验中，保持粗骨料的粒径范围相同，对LC30混凝土分别采用两种筒压强度不同的粗骨料，保持筒压强度为浇筑混凝土试块时的单一变量。试验结果如图2所示。

(2)由图2可以清楚地看出陶粒的筒压强度对于陶粒混凝土强度有着很大的影响，在混凝土硬化的各个龄期，筒压强度较高的陶粒浇筑而成的混凝土强度，在各个龄期均大于低筒压强度的22.2%、21.5%、25.0%、20.5%。

首先从陶粒混凝土的破坏机理［9］分析，轻骨料的强度和弹性模量往往都低于水泥砂浆基体，当荷载作用在轻骨料颗粒时，在骨料两侧产生的是压应力，加上轻骨料表面粗糙，比表面积较大，与水泥砂浆的粘结力强，不宜产生裂缝。由于陶粒相对于水泥石强度较低，弹性模量较小，那么裂纹就会首先在陶粒表面产生，筒压强度较高的陶粒自然就能抵抗较高的应力，当陶粒抑制裂纹开展的能力丧失时，则在试块内部会快速形成贯通，从而使试块破坏，失去承受荷载的能力。通过试验现场观察，试块的断面结构较均匀完整，粗骨料上浮现象不明显，不具有明显的分层现象，断裂面是由于裂缝贯穿陶粒而形成。

2.4 减水剂对混凝土抗压强度的影响

(1)在此次试验中分别采用两种减水率不同的减水剂，对LC30混凝土采用相同的骨料和外掺剂，保持减水剂为单一变量因素，从而分析不同减水剂对混凝土抗压强度的影响。

(2)试验结果如表5所示。

图2 粗骨料的筒压强度对抗压强度的影响

表5 不同龄期的立方体试块抗压强度 MPa

本次实验共做了24组立方体试块，采用不同的减水剂各12组，在相同的条件下进行浇筑、养护。

(3)结果分析。

在保证水胶比不变的条件下，添加不同的减水剂，首先会对拌合物的坍落度产生较大的影响。

实验发现添加高效减水剂拌合物的流动性与粘聚性较好，同时并没有出现泌水现象，完全可以满足泵送的要求。

由图3中的折线可以看出，在龄期为3 d时，混凝土的抗压强度相差不大，分别达到28 d强度的30%左右，随着龄期的增长，在龄期为7 d时，A组的抗压强度低于B组22%左右，之后试块强度趋于稳定增长的状态。在龄期为28 d时，B组的抗压强度高于A组24%左右。从折线中可以清楚地看到，采用普通减水剂的陶粒混凝土的抗压强度在各个龄期均低于聚羧酸减水剂。对试验结果进行分析可知，当采用普通减水剂时，拌合物的粘聚性与流动性均较B组差，坍落度也达不到泵送的要求。在混凝土振捣成型过程中，试块内部形成较多孔隙，造成试块整体的密实度降低，在对试块施加荷载时，容易在内部产生较高的集中应力，从而使混凝土的抗压强度降低。在相同的水胶比条件下，由于拌合物的和易性并不理想，造成水泥砂浆基体不能够将骨料进行充分包裹，产生天然的缝隙，虽然粗骨料具有后期的返水作用，能够缓解后期混凝土内部的干燥环境，但并不能抵消由缝隙造成的混凝土抗压强度的降低。