1300～1800密度等级的板岩陶粒混凝土抗压强度和工作性能研究

刘哲，李玉平，谭勇波，王伟，胡小波（.湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙　4008；.中建西部建设湖南有限公司，湖南长沙　40004）



1300～1800密度等级的板岩陶粒混凝土抗压强度和工作性能研究

刘哲1，2，李玉平1，谭勇波2，王伟1，胡小波2
（1.湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410082；2.中建西部建设湖南有限公司，湖南长沙410004）

摘要：采用绝对体积法设计了1300～1800密度等级的板岩陶粒混凝土的配合比。随着粉煤灰掺量和砂率的增加，混凝土抗压强度有所提高，坍落度增大；但当砂率超过43%时，抗压强度和坍落度反而会有所降低。可加入HPMC和CMC改善拌和物的匀质性，可得坍落度和扩展度分别为264mm和595mm，且经时坍落度和扩展度降低速度缓慢，有利于混凝土的泵送施工。

关键词：板岩陶粒混凝土；配合比；砂率；抗压强度；匀质性

陶粒混凝土具有轻质、高强、抗震及保温性能好等优点，随着建筑的高层化和高效节能的发展要求，合理用于民用、工业建筑和其它构筑物结构自重能大大减轻，地基荷载能有效减少，材料用量和运输量能大大减小，建筑使用能耗能有效降低，具有优良的技术和经济优势[1-3]。陶粒混凝土具有优良的特性，其研究和应用发展很快。在我国发展和推广板岩陶粒混凝土，符合关于节能建材和绿色建材的要求。

陶粒混凝土由于陶粒本身表观密度小，同时在混凝土中加入发泡剂等方法使混凝土密度远远低于普通混凝土，且保温性能好，较多用作保温轻集料混凝土，但是混凝土强度较低。为了扩大板岩陶粒在混凝土中的应用范围，保证混凝土的强度，降低混凝土自重，同时考虑建筑物的节能效果来进行结构保温轻集料混凝土的研究很有价值。

本文采用板岩陶粒进行配合比设计以达到工程要求：混凝土密度等级为1300～1800kg/m3，抗压强度不低于15MPa，坍落度大于120mm，匀质性好。试验配合比依照JGJ51—2002《轻骨料混凝土技术规程》配合比计算方法中的松散体积法进行初步设计，并通过试验对配合比中各参数进行调整，研究高性能轻集料混凝土中各组分和参数对混凝土性能的影响。国外对于各密度等级的轻骨料混凝土的应用情况进行了大量的研究，挪威和日本学者就各密度等级与28 d强度及应用进行了探讨[4-5]。段军等[6]对1000～1400级结构轻骨料混凝土的密度与强度关系进行了大量的研究。不同砂率对板岩陶粒混凝土3 d、28 d强度和工作性能的影响研究具有工程价值，同时配制过程中出现的骨料上浮问题对于工程质量有很大的影响，应当合理解决。

1　实验

1.1主要原材料

（1）水泥：湖南宁乡南方水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，体积安定性合格，性能指标见表1。

表1　水泥的性能指标

（2）板岩陶粒：湖南益阳丰岩公司产，其主要性能见表2。

表2　陶粒的基本物理性能指标

陶粒的吸水率决定配合比中的附加用水量，而总用水量是净用水量和附加用水量之和。在配制混凝土时，混凝土骨料表面必须被水充分润湿，所以陶粒的吸水率对混凝土拌和物的工作性能即坍落度和扩展度有影响。另外，吸水率随时间的变化也决定了板岩陶粒不同时间的表观密度，而陶粒的表观密度与拌和物中浆体的密度差是影响骨料是否上浮的一个因素。

（3）砂：湘江河砂，Ⅱ区中砂，细度模数2.80。

（4）粉煤灰：湖南岳阳首度建材产，Ⅱ级粉煤灰，密度2.48 g/cm3，烧失量6.0%，需水比量95%，含水量0.5%，SO3含量2.5%，细度25%。

（5）外加剂：萘系减水剂，粉体。

1.2试验方法

1.2.1板岩陶粒混凝土试验配合比设计

依据JGJ51—2002的配制方法，板岩陶粒混凝土配合比设计时设计参数包括：试配强度、水泥的品种及强度、水泥用量、水灰比、堆积密度、颗粒级配、砂率及粗细骨料总体积等。设计参数的选择是板岩陶粒混凝土配合比设计的重要环节。若参数选择合适，可以配制出符合设计性能要求的混凝土，同时可以降低成本。试验配合比见表3。

表3　板岩陶粒混凝土配合比设计

1.2.2匀质性改善

采用羧甲基纤维素（CMC）和羟丙基甲基纤维素（HPMC）作为增稠剂，对1800密度等级混凝土进行改性，以期改善匀质性。CMC和HPMC可以降低水化放热（抑制水泥早期水化速度，从而减慢放热速率，降低放热峰值），削弱混凝土内部热量过度集中，造成内外温差过大导致裂缝发生的倾向，提高硬化混凝土的28 d强度。A-1组和A-2组采用CMC，B-1组和B-2组采用HPMC。试验配合比设计见表4。

表4　试验配合比设计

2　试验结果及分析

2.1混凝土的工作性能和抗压强度

混凝土的基本力学性能主要测试立方体7 d、28 d抗压强度。工作性能主要进行流动性、粘聚性和保水性测试。其中流动性主要测试混凝土拌和物在初始、20min、40min不同时间的坍落度和扩展度。试验结果如表5所示。

表5　混凝土的工作性能和抗压强度

由表5可见，除第1组外，所配制各等级混凝土强度均达到CL15级，工作性能也较好。对比表6，行业标准JGJ51—2002在工程实际中对轻集料混凝土的用途分类，可以根据需要选择合适的配合比。

表6　轻集料混凝土各等级对应强度和用途

各组试验中，初始、20min、40min坍落度和扩展度依次减小，这主要有2方面的原因，一是化学原因，水泥水化会消耗拌和水中一部分，形成CSH凝胶及AFt、AFm、CH晶体等，使浆体密度和稠度增加，坍落度和扩展度减小；二是物理原因，随着时间延长，陶粒通过孔洞微泵作用仍然不断吸收水分，陶粒湿密度增加，水泥石中水分减少，进而坍落度、扩展度随之减小。

由表5可见，当粉煤灰掺量小于22.2%时，随着粉煤灰掺量逐渐增加，混凝土的坍落度和扩展度相对增大，这是由于粉煤灰的形态效应所致。粉煤灰的矿物组成物粒度细、表面光滑、质地致密，在拌和物中起到微滚珠的作用，与高效减水剂减水效果协同作用下，大大提高了混凝土的流动性，改善了混凝土的施工性能。另外，粉煤灰的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒中，阻止了水泥颗粒的粘聚，改善了混凝土的粘聚性和可泵性。

从表5还可以看出，体积砂率从25%增加到43%，板岩陶粒混凝土的初始坍落度从118mm增加到265mm。砂率从25%提高到38%时，坍落度从118mm提高到262mm，增长速度非常快，之后坍落度增长不明显，砂率达到47%时，坍落度为240 mm甚至稍有降低。随砂率增大，板岩陶粒混凝土的抗压强度先提高后降低，在砂率为43%时，混凝土的7 d和28d强度均达到最大值，分别为26.8MPa和28.0MPa。分析原因认为，混凝土材料作为一种复合材料，各组成成分是否分布均匀对于其抗压强度有相当大的影响。当砂率超过43%时，板岩陶粒混凝土的砂浆密度继续增加，与陶粒的密度差拉大而引起各组分产生相对运动，板岩陶粒上浮，砂浆和水泥浆下沉，即混凝土发生分层离析，这使得混凝土稳定性变差，上下层强度差异，造成混凝土抗压强度降低[7]。因此，在配制板岩陶粒混凝土时，使用河砂可以增加新拌混凝土的工作性能和力学性能，但是也应根据所用陶粒的表观密度等因素适当控制河砂掺量。

2.2板岩陶粒混凝土匀质性的改善结果分析

由上可知，板岩陶粒粒径越小，相对运动速度越小，越不容易上浮，离析度减少。但若板岩陶粒粒径过小，集料比表面积增大，板岩陶粒表面的吸浆会增强，在一定的流动性前提下，既增加水泥用量，也在配合比的基础上会增加混凝土密度，从而浪费水泥，不利于配制相应级别的混凝土。由于本次试验所用的集料为板岩陶粒，不拟变更，即密度差（ρ－ρc）保持不变，故通过提高砂浆黏度来改善1800密度等级混凝土的匀质性。

分别测量和记录混凝土刚拌和完成初始、20min、40min的坍落度和扩展度，观察是否有泌水现象，测试试块的7 d、28 d抗压强度，查看骨料上浮情况。试验结果见表7。

表7　匀质性改善试验结果

由表7可知，A－1组，B－1组分别采用CMC和HPMC作为增稠剂，当增稠剂掺量为0.8%时，与未掺增稠剂的空白组6组相比，坍落度大小：B－1组＞A－1组＞6组，结合泌水情况和骨料上浮程度可知，6组混凝土泌水较严重，甚至引起了骨料不完全被浆料覆盖而裸露，新拌混凝土匀质性差，从而坍落度和28 d强度均小于5组。加入增稠剂后，A－1组和B－1组的坍落度、泌水情况、28 d强度和骨料上浮情况均有改善，且掺入HPMC的B－1组坍落度增幅为13.3%，掺入CMC的A－1组坍落度增幅为10.0%。从泌水情况和骨料上浮情况看，A－1组新拌混凝土还有少量的泌水现象，骨料上浮现象仍然存在，可见对流动性的改善，HPMC比CMC效果好。由于混凝土内部的均匀程度对强度的影响，B－1组的7 d和28 d强度也均高于A－1组，可见对强度的改善，HPMC也比CMC效果好。

从A－1组和A－2组对比可以看到，随着增稠剂掺量从0.8%增加到1.0%，板岩陶粒混凝土28 d强度从26.6MPa增长到28.2MPa。由于水泥砂浆的黏度更大，混凝土的泌水量减少，骨料上浮程度也减轻，均匀程度更好，但是伴随着增稠剂掺量的增加，黏度增加对坍落度和扩展度的降低作用已大于对泌水情况改善的贡献，所以新拌混凝土的坍落度和扩展度也开始由264mm和595mm降低到256mm和572mm。说明增稠剂的用量并不是越多越好。B－1组和B－2组的28 d强度和坍落度、扩展度的趋势同样可以说明这一问题。但是，掺入0.8%HPMC的组B－1的28 d强度和坍落度、扩展度还是比掺入1.0%CMC的A－2组大，同样大于掺入0.8%CMC的A－1组，所以综合考虑28 d强度和坍落度扩展度等因素，选用掺入0.8%HPMC的B－1组对混凝土的综合改善效果最佳。

综上所述，2种增稠剂适当的掺量为0.8%。从A－1组、B－1组刚搅拌完成到40min的坍落度和扩展度的变化可以看出，采用掺入0.8%HPMC对坍落度的保持效果要优于掺入0.8%CMC，掺HPMC的新拌混凝土泌水极少，上浮情况得到良好改善。

3　结论

（1）通过板岩陶粒性能测试和配合比设计，合理地配制出了1300～1800 kg/m3密度等级的混凝土，同时混凝土的力学性能和工作性能满足要求。各组试验中，初始、20min、40min坍落度和扩展度依次减小。砂率为43%时，混凝土的7 d和28 d强度均达到最大值，分别为26.8MPa和28.0MPa。

（2）从泌水、骨料上浮情况和抗压强度看，对于1800密度等级板岩陶粒混凝土匀质性的改善，HPMC比CMC效果好。当HPMC掺量为0.8%时，板岩陶粒混凝土的抗压强度为26.6 MPa，坍落度和扩展度分别为264mm和595mm，同时混凝土的经时坍落度和扩展度降低缓慢，有利于匀质性的改善。

参考文献：

[1]Se-Jin Choi，Keun-Hyeok Yang.Direct tensile strength of lightweight concrete with different specimen depths and aggregate sizes[J]. Construction and Building Materials，2014，63：132-141.

[2]Rasel Ahmmad.Ductility performance of lightweight concrete element containing massive palm shell clinker[J].Construction and Building Materials，2014，63：234-241.

[3]Yan He，Xiong Zhang，Yongjuan Zhang，et al.Effects of particle characteristics of lightweight aggregate on mechanical properties of lightweight aggregate concrete[J].Construction and Building Materials，2014，72：270-282.

[4]Dolby P G.Production and Properties of LytagTMAggregate Fully Utilized for the North Sea，Proc.Int.Symp[J].Structural Lightweight Aggregate Concrete，1995，4：326-336.

[5]Faust T.Properties of Different Matrices and Lightweight Aggregate Concrete.Proc.2nd Int.Symp[C].Structural Lightweight Aggregate Concrete 2000，Kristiansand：2000：502-511.

[6]段军，丁建彤，郭玉顺.1000～1400级结构轻骨料混凝土的密度与强度关系[C]//第七届全国轻骨料及轻骨料混凝土学术讨论会，北京，2004：319-324.

[7]Ahmed A Abouhussien，Assem A A Hassan，Mohamed K Ismail. Properties of semi-lightweight self-consolidating concrete containing lightweight slag aggregate[J].Construction and Building Materials，2015，75：63-73.

[8]刘丽芳.轻集料混凝土匀质性的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

Study on com pressive strength and workability of 1300～1800 grade slate ceram ic concrete

LIU Zhe1，2，LI Yuping1，TAN Yongbo2，WANG Wei1，HU Xiaobo2
（1.College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；
2.China West Construction Group Hunan Co.Ltd.，Changsha 410004，China）

Abstract：According to absolute volume method of grain bulk density，we make the mix design of 1300～1800 grade slate ceramic concrete.With increasing proportion of fly ash and sand ratio，the concrete compressive strength is also increasing，when the sand ratio is more than 43%，the compressive strength and slump reduce instead.HPMC and CMC was added into concrete for improvement of homogeneity，and it was found that the concrete slump and the expansion degree is 264mm and 595mm respectively.At the same time，time loss slump and the expansion degree of the concrete is to reduce the most slowly，in favor of concrete pumping construction.

Key words：slate ceramic concrete，mix，sand ratio，compressive strength，homogeneity

作者简介：刘哲，男，1989年生，湖南汨罗人，硕士研究生。通讯作者：李玉平，E-mail：liypli@hnu.edu.cn。

收稿日期：2015-08-15

中图分类号：TU528.2

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）01-0079-04