复合陶粒植生混凝土的力学性能试验研究

秦文博，彭 杰

复合陶粒植生混凝土的力学性能试验研究

秦文博，彭 杰

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454003)

通过大量的试配试验，分析了复合页岩陶粒植生混凝土在不同因素(水胶比、胶骨比、粉煤灰掺量、碎石取代率)影响下，其抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度的变化规律。研究结果表明，复合页岩陶粒植生混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度都会随着水胶比、粉煤灰掺量的增加呈先上升后下降趋势，且水胶比宜确定为0.26～0.30，粉煤灰掺量宜确定在20%左右；在骨料用量相同的条件下，胶骨比在0.60到0.80的范围内变化时，混凝土的立方体抗压强度有所提高，劈裂抗拉强度则呈现先上升后下降的趋势；随碎石取代率的提高，立方体强度呈现先上升后下降趋势，但对劈裂抗拉强度影响不大。

植生混凝土；页岩陶粒；力学性能；水胶比；胶骨比

现代城市建筑物多为钢筋混凝土结构，路面多为普通混凝土铺设。我国公共场所的路面主要是预制混凝土板材或者现浇混凝土路面[1-2]。因此，研究绿色生态混凝土将成为研究大自然的新课题，也是人类走可持续发展道路的必然选择[3]。植生混凝土主要是由水、胶凝材料、粗骨料、外加剂组成，由单一级配的粗骨料作为植生混凝土骨架，通过胶凝材料在粗骨料表面形成胶结层，经过胶凝材料的硬化与骨料胶结而形成的多孔生态混凝土。植生混凝土是一种能够减少资源浪费、改善人类生活环境的新型生态混凝土材料，植生混凝土具有以下生态效应[4-6]。

(1) 改善植被生长的土壤环境。

普通现浇混凝土路面不利于地表土壤和植物的生长环境，破坏自然生态平衡。植生混凝土能够显著提高地表土壤的透气性、储水性，进而使得土壤中的营养成分含量增加，有助于植被的正常生长。

(2) 缓解城市热岛现象。

植生混凝土用作路面时，由于其特有的多孔结构，其能够与外界环境中的空气和水直接接触，能够有效地减少土壤中水分的蒸发，在阳光直接照射下，由于植生混凝土的良好储水性，能够有效降低地表温度，缓解城市的热岛现象，同时能够减少阳光直射对地表植被造成损害。

(3) 地下水资源的保护。

由于植生混凝土的多孔结构使得雨水能够迅速渗漏到地表以下，减少地表水的积存，从而减小过度抽取地下水对地表建筑物以及植被造成的危害。同时，植生混凝土有利于减少城市的噪声污染、实现水资源的有效利用。

1 试验原材料

1.1集料

本文研究的复合页岩陶粒植生混凝土主要用于路面植生混凝土和预制植生混凝土构件，因此选用粒径为5～15 mm的页岩陶粒。见表1。

表1 页岩陶粒的物理性能

本文采用碎石取代部分陶粒的方法，配制高强度等级的复合页岩陶粒植生混凝土。本试验主要选用石灰岩碎石，粒径不超过10 mm，针片状含量小于8%，含泥量小于1.0%，堆积密度大约为1 450 kg/m3。

1.2水泥

根据骨料单位体积孔隙率，胶凝材料内的填充率一般为25%～50%，再根据水泥密度和所用骨料粒径定出水泥用量。本试验选用坚固牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。见表2。

表2 坚固牌 P·O 42.5级水泥的物理性能

1.3水

本试验采用的水与普通植生混凝土要求相同，要求清洁，不含杂质和有害化学成分。由于页岩陶粒吸水率较大，因此对于复合页岩陶粒植生混凝土的实际用水量，应由试验确定。水的用量直接影响到植生混凝土的透水系数以及抗压强度，因此试验中水的加入应采用少量多次的原则。

1.4矿物外加剂

用粉煤灰作为矿物外加剂可以提高植生混凝土的和易性，同时使用粉煤灰取代部分水泥能够减少水泥用量，节约水泥，降低造价。 见表3。

表3 粉煤灰物理性能指标

本次试验主要选用萘系高效减水剂，经试验测定，减水率约为15%，其适宜的掺加量为胶凝材料用量的0.5%。

2 试件制作与养护

2.1搅拌

植生混凝土在搅拌时的投料顺序、搅拌的时间、振捣时间直接关系到混凝土的均匀程度，也直接关系到植生混凝土的抗压强度和孔隙率的大小。本试验参考国外所用的搅拌工艺：先将拌和均匀的胶凝材料与陶粒搅拌1 min，然后加入2/3的水搅拌1 min，最后加入剩余的水和减水剂搅拌2 min，总搅拌时间为4 min。

2.2成型与养护

复合页岩陶粒植生混凝土由粗集料堆积而成，通过骨料表面胶凝材料的胶结作用，形成混凝土结构。植生混凝土胶凝材料用量较少，且坍落度较小，因此，应该对其成型过程进行改善，从而使得骨料与胶凝材料能够有效地黏结在一起[7—8]。复合页岩陶粒植生混凝土在振捣过程中，要对振捣时间进行严格控制，由于振捣时间过长会造成植生混凝土分层现象(上层为集料，下层为浆体)，从而影响混凝土的抗压强度和透水性，但是振捣时间过短，又会造成植生混凝土不密实的现象，同样会影响混凝土的抗压强度。经过多次试配试验，将振捣时间控制在6 s左右较为适宜。

复合页岩陶粒植生混凝的养护过程与方法和普通混凝土基本相同，当植生混凝土试件制作完成，养护24 h后，进行拆模，由于植生混凝土的强度较低，因此在脱模的过程中，要注意试件角部的完整，试件脱模完成后，将试件放入符合规范要求的养护室内进行养护，养护至相应天数后进行数据测定。

3 试验结果与分析

本试验前期所试配的配合比及相关参数如表4所示。

表4 前期试验结果

注：胶凝材料(B)=水泥(mc)+粉煤灰(mFA)；水胶比(W/B)=水/胶凝材料；胶骨比(B/G)=胶凝材料/骨料；Sa表示碎石的取代率，%，即Sa=碎石/骨料×100%；fcu3d、fcu7d、fcu28d表示 3 d、7 d、28 d复合页岩陶粒植生混凝土的立方体抗压强度，MPa；fst28d表示 28 d复合页岩陶粒植生混凝土的劈裂抗拉强度，MPa；G表示骨料用量，kg/m3；WT表示减水剂掺量，%；SFA表示粉煤灰取代率，即SFA=粉煤灰/胶凝材料×100%。

(1) 水胶比对复合页岩陶粒植生混凝土的性能影响

根据表4中的第A-1组到第A-6组和第A-11组到第A-14组的试验数据，可以得出水胶比对复合页岩陶粒植生混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度的影响，如图1所示。

图1 水胶比(W/B)对复合页岩陶粒植生混凝土的性能影响

由图1可知，在粉煤灰掺量相同的条件下，水胶比W/B由0.25增加到0.26时，fcu提高幅度比较大，这是由于当W/B小于0.26时，水胶比较小，胶凝材料呈现较干的状态，其在骨料之间不能提供较高的胶结作用，造成混凝土强度较低；W/B由0.26增加到0.28时，fcu的增加幅度有所放缓，这说明针对复合页岩陶粒植生混凝土的水胶比在0.28左右较为适宜；水胶比W/B由0.28增加到0.30时，抗压强度出现下降的趋势，这是由于复合页岩陶粒植生混凝土W/B过大，会造成包裹在骨料表面的浆体较稀，出现流淌的现象，在振捣的过程中，会出现浆体向下流淌，从而出现分层、沉浆、离析等不利于植生混凝土工作性能的现象，这也将导致混凝土fcu的下降。

水胶比W/B在0.22～0.30之间变化时，劈裂抗拉强度先上升后下降，这是由于当水胶比较小时，胶凝材料不能在骨料之间提供较高的黏结强度，从而造成复合页岩陶粒植生混凝土的劈裂抗拉强度fst较低，而当水胶比较高时，又会造成胶凝材料不能均匀的包裹在骨料的表面，从而影响其劈裂抗拉强度。

(2) 胶骨比对复合页岩陶粒植生混凝土的性能影响

根据表4中的第A-1组到第A-6组和第A-11组到第A-14组的试验数据，可以得出胶骨比B/G对复合页岩陶粒植生混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度的影响，如图2所示。

图2 胶骨比(B/G)对复合页岩陶粒植生混凝土的性能影响

由图2可知，在骨料用量相同的条件下，胶骨比在0.60到0.80的范围内变化时，立方体抗压强度fcu3d与fcu7d增长幅度较大，fcu28d增加幅度较小，这是由于胶骨比的提高必然导致植生混凝土中的胶凝材料用量的提高，随着胶凝材料用量的增加，提高了胶凝材料与骨料之间的黏结力，从而提高了植生混凝土的抗压强度，但是当胶骨比提高到一定限值时，会造成植生混凝土的强度降低；fst28d呈现先增加，后减小的趋势，这是由于随着胶骨比的提高，使得复合页岩陶粒植生混凝土中的水泥用量提高，从而增加了骨料与胶凝材料之间的黏结力，从而提高了植生混凝土的劈裂抗拉强度，但是当胶骨比增加过多时，fst28d会有所降低，这是由于胶凝材料过多，使得胶凝材料不能充分包裹在骨料表面，从而使得劈裂抗拉强度有一定幅度的降低。

(3) 粉煤灰掺量对复合页岩陶粒植生混凝土的性能影响

图3 粉煤灰掺量(SFA)对复合页岩陶粒植生混凝土的性能影响

由图3可知，随着粉煤灰掺量的提高，立方体抗压强度、劈裂抗拉强度都呈现先上升后下降的趋势，其原因是粉煤灰具有活性效应、形态效应和集料效应，其适当的SFA可提高浆体的黏度和混凝土强度；但当SFA较大时，粉煤灰又表现出很强的吸水性，如果保持W/B不变就会使拌合物的流动性下降，导致混凝土孔隙率增大而造成fcu和fst降低。另一方面，过大的SFA还会因混凝土的碱度降低而导致抗碳化能力下降[9]。

(4) 碎石取代率对复合页岩陶粒植生混凝土的性能影响

由表4中的第A-7组～第A-9组和第A-15组～第A-17组可知，随着碎石取代率的提高，复合页岩陶粒植生混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度呈现先上升后下降的趋势，且Sa对立方体抗压强度fcu的影响较劈裂抗拉强度fst明显。

图4 碎石取代率(Sa)对复合页岩陶粒植生混凝土的性能影响

由图4可知，当水胶比W/B、胶骨比B/G一定时，随着碎石取代率的提高，复合页岩陶粒植生混凝土的立方体抗压强度先上升后下降，这是由于碎石的强度和弹性模量高于页岩陶粒，陶粒中蓄含水分从而提高了混凝土内部湿度，使水泥的水化反应更加完全，从而提高复合页岩陶粒植生混凝土的抗压强度，而当碎石的取代率超过一定值后，由于碎石自身密实，孔隙率很低，吸水性能大大减弱，致使骨料整体储水能力降低，很大程度上减弱了骨料对浆体收缩所产生的补偿功效，这样就造成了复合页岩陶粒植生混凝土强度降低。随着碎石取代率的增大，fst也呈现先上升后下降的趋势，但碎石的取代对劈裂抗拉强度的影响并不是特别明显。

4 结论

(1) 在粉煤灰掺量相同的条件下，复合页岩陶粒植生混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度都随着水胶比的增加呈先上升后下降趋势，水胶比宜为0.26～0.30。

(2) 在骨料用量相同的条件下，胶骨比在0.60～0.80变化时，混凝土的立方体抗压强度有所提高，劈裂抗拉强度则呈现先上升后下降的趋势。

(3) 随着粉煤灰掺量的提高，混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度都呈现先上升后下降的趋势，掺量确定在20%左右较宜。

(4) 随碎石取代率的提高，混凝土强度呈现先上升后下降趋势，但对劈裂抗拉强度影响不大。

[1] 杨善顺.环境友好性混凝土—透水混凝土[J].广东建材,2010(10): 6-8.

[2] 李庆刚.生态混凝土的研究现状与展望[J].材料导报网刊,2013(5): 41-44.

[3] 王立久,艾红梅.绿色生态混凝土技术与循环经济发展[J].混凝土,2009(1): 6-11.

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[6] 刘翠萍.透水混凝土收缩性能试验研究[D].北京: 北方工业大学,2009.

[7] 张朝辉.多孔植被混凝土研究[D].重庆: 重庆大学,2012.

[8] 刘海峰.环境友好型植物生长多孔混凝土的研究与应用[D].南京: 东南大学,2009.

[9] 郑建岚,黄利频.大掺量矿物掺合料自密实混凝土抗碳化性能研究[J].建筑材料学报,2012,15(5): 678-683.

Experimentalstudyonmechanicspropertiesofcompositeceramsiteconcreteforplanting

QIN Wen-bo,PENG Jie

(HenanPolytechnicUniversity,SchoolofCivilEngineering,Jiaozuo454000,China)

Based on the exploratory experiments,the composite shale planting concrete in different factors (water cement ratio,bone ash ratio,fly ash and gravel content) under the influence of the cube compressive strength,flexural strength and splitting tensile strength of the changes are discussed.The results show that the compressive strength and splitting tensile strength of Composite Ceramsite Concrete for Planting will increase first and then decrease with the increase of water-cement ratio and fly ash content,and the water-cement ratio should be determined between 0.26 and 0.30.The amount of fly ash should be determined at about 20%.Under the same amount of aggregate,when the gel ratio varies within the range of 0.60 to 0.80,the compressive strength of concrete increases,and the tensile strength increases first and then decreases; with the increase of the substitution rate,the cube strength increases first and then decreases,but it has little effect on the splitting tensile strength.

planting concrete; shale ceramsite; mechanical properties; water binder ratio; glue to bone ratio

2017-03-20

国家自然科学基金项目(51608179)

秦文博(1993—)，女，河南驻马店人，硕士研究生。

1674-7046(2017)03-0067-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.012

TU528.2

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