轻质高强浮石混凝土早期强度变化研究

2020-07-14李佳鑫张晓东庞昭辉

黑龙江大学工程学报 2020年2期

李佳鑫，张晓东,丁琳，庞昭辉

(1.黑龙江大学 a.水利电力学院;b.建筑工程学院，哈尔滨 150080;2.黑龙江省隆业水利水电工程建设有限公司,哈尔滨 150080)

0 引言

建筑业是发展最快的行业之一，在全球能源消费中具有重要作用。特别是在中国，建筑物的能源消耗量约占总能源消耗量的27.9%[1]。建筑物最重要的部分是它的混凝土结构，建筑中使用的混凝土是所有其它建筑材料(钢材、木材、塑料等)的两倍[2]。水泥生产占世界二氧化碳排放量的8%。水泥生产成本的大部分来自于熟料生产过程中的能源消耗。使用1.6 t原材料可生产1 t水泥。因此，应用矿物质替代水泥具有重要意义。为了减少热损失和提高能源效益，有必要通过改善混凝土的特性来减少建筑物和建筑结构的能源消耗。伴随着经济和科技的不断发展，城市化的进程也越来越快，间接地带动了建筑物向超高层和大跨结构的方向发展[3]。为了达到抗震和减轻建筑物自重的要求，轻质高强混凝土应运而生[4]。高强浮石混凝土是以浮石取代部分或者全部粗骨料(石子)的混凝土。浮石作为一种轻质材料，拥有诸多优良特性，如密度小、强度高、吸水率优等，且在我国矿藏丰富。本文运用正交设计法[5]对高强浮石混凝土的配合比进行优化设计,并据此研究了水胶比、粉煤灰掺量和浮石掺量(浮石对石子的取代率)3个水平因素对高强浮石混凝土抗压强度的影响，为以后高层建筑和大跨结构设计混凝土配合比提供依据[6]。矿物添加剂，如粉煤灰、矿渣、硅灰和天然火山灰部分取代硅酸盐水泥的基本部分，以减少水化热量。矿物添加剂可提高混凝土的工作性、耐久性和长期性能[7-8]。最近一些学者将浮石粉作为辅助胶凝材料加入到混凝土中，研究了浮石粉的掺入对混凝土性能的影响。浮石具有火山灰性质，可以用于混凝土生产[9]，实践证明，由于未观察到离析现象，在应力损伤的结构中使用浮石是可行的[9]。浮石的重量比其他骨料轻，因此它被广泛用作轻质混凝土混合物中的粗骨料或细骨料[10]。Murat K等[10]研究了浮石粉作为填料在混凝土和硬化体中的适用性，并证实了其火山灰活性。掺有浮石的混凝土具有良好的工作性能，经过28 d的养护后可达到合理的抗压强度。为此，研究以浮石、粉煤灰和硅灰为辅助胶凝材料的混合体系在不同替代水平下的混凝土性能具有重要理论与应用价值。

混凝土的强度性能不仅与水泥浆体的性能有关，还取决于混凝土孔隙率和晶体的尺寸。混凝土的形态性能对混凝土的抗压强度和弹性模量有重要影响。尽管水泥浆体和骨料具有致密的结构，但作为弱粘结剂的混凝土对应力传递具有显著的影响。普通混凝土中使用的水泥净浆和骨料的抗压强度在100 MPa以上。然而，使用这些材料生产的混凝土抗压强度为20～40 MPa[11]。因此，为了增加强度而进行的研究都是加强水泥浆体强度。混凝土的骨料对混凝土的形态性能有很大的影响。用普通骨料生产普通承重混凝土，用轻质骨料生产轻质混凝土或半轻质混凝土。随着增塑剂外加剂的发展，开始用天然轻骨料生产承重轻 / 半轻混凝土。由于人造轻骨料的生产需要能源消耗，造成了不可再生资源的消耗，增加了结构成本，故人造轻骨料不是经济的生态材料。因此有关承重轻 / 半轻混凝土时使用天然轻骨料的研究成为热点。由于浮石具有优异的轻质和导热性，本文重点研究优于“碱性浮石”的酸性浮石，关于这种材料的研究很少。

在美国，轻度混凝土(lwc)被定义为平均密度为1 440～1 840 kg/m3的混凝土。在日本，混凝土的密度值没有规定，是用轻质粗骨料和细骨料制成的混凝土。在欧洲，lwc 按照密度和抗压强度分类[12]。目前，轻质混凝土广泛应用于建筑物砌块、墙板、轻质地板填充、屋面板和预制混凝土构件[13]。轻骨料本身及其级配在提供硬化混凝土所需的强度和密度以及新拌混凝土的和易性方面起着重要作用。由于内部空隙和重量轻，lwc 在混合过程中很容易吸收混合水或浮在水面上，在这两种情况下，混凝土的工作性能都会恶化，除非充分预湿并且混凝土的配合比适当。水泥混合初期的高吸水率也引起水泥的团聚和坍落度的损失。最低碳水化合物的特性取决于混合前的骨料含水量。如果在混凝土生产过程中没有考虑骨料的含水量过高，就会导致总含水量增加，可能导致骨料与砂浆之间缺乏粘合力[14]。另外,低的骨料含水量可能导致骨料吸收部分混合水。这两种情况都可能降低其抗压性能，骨料适度浸润对于混凝土拌制质量影响很大。混凝土的吸水性质要求在加入混凝土的其他成分之前，尽可能使混凝土的含水量保持均匀。预湿作用使混合水被骨料吸收的程度降到最低，从而使坍落度损失降到最低。由于浮石具有多孔结构和较高的吸水率，因此在低水量混凝土拌制中应格外小心。

1 试验材料及设备

1.1 试验原材料

水泥：亚太集团生产的天鹅牌P.O42.5复合硅酸盐水泥，其物理力学性能指标见表1。

表1 水泥物理力学性能指标Table 1 Physical and mechanical properties of cement

粉煤灰：黑龙江省双达电力设备有限公司的Ⅰ级灰，其化学成分见文献[9];硅粉：超晶牌硅微粉，表面积为1.8×105cm2/g，其化学成分见表2;浮石：长白山保护开发区池北富鑫浮石厂出产，孔隙率为7l.8%～81%，吸水率为50%～60%,粒径为5～20 mm，比重为2.85，细度为3 200 m2/kg，浮石中SiO2、Al2O3和Fe2O3总含量约为73%；石子：采用粒径为5～20 mm的碎石，比重为2.78，吸水率为1.9%，含泥量低于1%；砂子：选用天然中粗河砂，细度模数2.79，比重为2.6，饱和面干吸水率为3.8%，含泥量2.5%; 减水剂：黑龙江省低温科学研究所生产的聚羧酸高性能减水剂。使用比重为1.08的聚羧酸高性能减水剂可保证混凝土达到预期的和易性。水：哈尔滨市自来水厂生产的自来水。

表2 硅粉化学成分Table 2 Chemical composition of silicon powder

1.2 试验仪器：

HJW60型单卧轴强制式混凝土搅拌机：搅拌粒直径3～5 cm，搅拌时间≤45 s；电子计数天平，规格15 kg，精度0.1 g； TCS-300电子台秤：最大称量300 kg,最小称量2 kg,分度值100 g; 1 m2振动台; 101-2A电热鼓风干燥箱：最高温度300 ℃； 150×150×150标准混凝土试块模具； NYL-3000型压力试验机：试验机级别Ⅰ级。

2 试验方法

2.1 设计试验组配合比

本次高强浮石混凝土试验的配合比设计方案采用正交设计法并参照《普通混凝土配合比设计规程》和《轻骨料混凝土技术规程》等相关规范。水胶比(0.3，0.4，0.5)、粉煤灰掺量(10%，15%，20%)和浮石掺量(30%，60%，90%)作为3个水平因素对其配合比进行正交设计。在设计水胶比这一因素时，胶凝材料的总量不变，改变用水量从而达到对水胶比的控制；在胶凝材料总量不变且硅粉(硅粉占总胶凝材料的12.5%)为定量的情况下，改变粉煤灰和水泥的用量达到控制粉煤灰掺量的目的；粗骨料的总体积不改变，用浮石等体积替代石子的用量，达到控制浮石掺量的目的。试验中除硅粉掺量不变以外，细骨料(砂子)和减水剂的用量也设计成定量。

本次试验中，掺入不同掺量的浮石和粉煤灰作为二元混合料，以评价和比较这些矿物掺合料对混凝土早期强度性能的影响。同时，设计了浮石和硅灰三元胶凝体系，以探究这些矿物掺合料对早期混凝土变化的影响。用硅粉取代12.5%的胶凝材料，轻骨料混凝土一般很难达到设计配合比时设计的混凝土强度等级，而添加适量的硅粉可以在不影响混凝土其他理化性质的前提下，增加浮石混凝土的强度等级，以达

到设计时所需要的浮石混凝土强度等级。掺入粉煤灰可以降低混凝土凝固时产生的水化热，从而规避因水化热带来的混凝土损伤，增加浮石混凝土的强度等级。

本试验考虑3个水平因素，每个水平因素相应设置3个变量，因此本试验共设置9个试验组，其正交试验的因素水平见表3，试验配合比见表4。

表3 因素水平表Table 3 Factor level table

表4 试验配合比Table 4 Table of test mix ratio

2.2 混凝土试件制作：

搅拌混凝土之前对浮石进行24 h预湿处理，混凝土搅拌完成之后，用混凝土标准试件模具制作标准试块，并用振动台对其震动密实(震动密实时防治轻骨料出现上浮现象)；试块制作完成后在20±5 ℃的环境中静置24 h，然后脱模并放入标准养护室进行标准养护。到达试验龄期之后参照《普通混凝土力学性能试验方法》并运用NYL-3000型压力试验机测定其抗压强度。

3 试验结果分析

3.1 3 d龄期试验分析

当试块在标准养护室内养护3 d后，每个验组取出3个试块进行无侧限单轴压缩试验。取这3组试验的平均值作为本次测试的最终结果；如果本组数据中的最大值或最小值有一组偏离中间值超过15%，就舍去最大值或最小值，取剩下的两组数据的平均值作为最终测试结果；如果其最大值和最小值均偏离中间值超过15%，则将本次试验视为无效，其数据作废。本次试验结果表明，每组数据都是真实且效的。3 d龄期无侧限单轴压缩试验结果见表5。

高强浮石混凝土3 d龄期无侧限单轴压缩试验数据分析如下：

对比水胶比的因素可知当水胶比为0.5时，高强浮石混凝土的抗压强度达到较优水平,此时其抗压强度均值为25.42 MPa。当水胶比由0.3上升至0.5，高强浮石混凝土3 d龄期抗压强度并不呈现出单一的增

长趋势，而是先下降再上升，因为正交实验法设计配合比时，各个水平因素之间会相互影响。

对比粉煤灰的掺量对混凝土试块抗压强度的影响可知，当粉煤灰掺量为15%时，本次试验中混凝土试块抗压强度达到最大值24.40 MPa，当粉煤灰的掺量超过15%时，抗压强度下降趋势明显，此时粉煤灰对混凝土水化热的影响小于粉煤灰对混凝土抗压强度的影响，不再继续添加更多的粉煤灰以降低水泥凝固时产生的水化热。

对比浮石的掺量(即浮石等体积取代粗骨料的取代率)对高强浮石混凝土抗压强度的影响可知，当浮石对粗骨料的取代量由30%增长至90%，高强浮石混凝土的抗压强度由23.28 MPa递减至22.43 MPa，高强浮石混凝土的抗压强度随着浮石对粗骨料取代率的增加而逐渐减小。高强浮石混凝土3 d龄期无侧限单轴压缩试验结果见表6。

表5 高强浮石混凝土3 d龄期无侧限单轴压缩试验结果Table 5 Unconfined uniaxial compression test results of high strength pumice concrete at 3 days age

表6 高强浮石混凝土3 d龄期无侧限单轴压缩试验结果Table 6 Results of unconfined uniaxial compression test for high strength pumice concrete at 3 days age

3.2 7 d龄期试验分析

7 d龄期高强浮石混凝土试验的数据同3 d龄期，试验结果表明，7 d龄期高强浮石混凝土试验的每组数据都是真实有效的。7 d龄期高强浮石混凝土无侧限单轴压缩试验结果见表7。

高强浮石混凝土7 d龄期无侧限单轴压缩试验数据分析如下：

当水胶比为0.4时，混凝土试块的抗压强度达到最大值28.95 MPa,相对于水胶比为0.3时混凝土试块抗压强度27.79 MPa以及水胶比为0.5时混凝土试块抗压强度为27.82 MPa，水胶比为0.4时，抗压强度增加的幅度并不是特别明显。

针对于粉煤灰掺量，依然是15%的粉煤灰掺量时混凝土试块抗压强度达到较为理想的状态，此时其抗压强度为30.27 MPa,相对于粉煤灰掺量为10%(26.31 MPa)和20%(27.98 MPa),混凝土试块的抗压强度提升的较为显著。

表7 高强浮石混凝土7 d龄期无侧限单轴压缩试验结果Table 7 Unconfined uniaxial compression test results of high strength pumice concrete at 7 days age

浮石掺量对高强浮石混凝土抗压强度的影响呈现出先下降再上升的趋势，当浮石掺量(对粗骨料的取代率)为30%时抗压强度为28.41 MPa，掺量为60%时抗压强度为27.87 MPa，掺量为60%时抗压强度为28.28 MPa，出现这种趋势，原因是水胶比和粉煤灰的掺量也影响了试块的抗压强度。

高强浮石混凝土7 d龄期无侧限单轴压缩试验结果见表8。

表8 高强浮石混凝土7 d龄期无侧限单轴压缩试验结果Table 8 Results of unconfined uniaxial compression test for high strength pumice concrete at 7 days age

3.3 对比分析3 d龄期和7 d龄期试验研究

通过对3 d龄期和7 d龄期试验结果对比发现，7 d龄期试块的抗压强度大都大于3 d龄期试块的抗压强度。当水胶比为0.5时，3 d龄期的抗压强度达到了最大值，当水胶比为0.4时，7 d龄期的抗压强度达到了最大值。当粉煤灰掺量为15%时，它们的早期强度均达到了最大值，如果继续添加粉煤灰，其强度反而会下降，这样在很大程度上会影响到高强浮石混凝土在工程中的应用与实践。浮石的掺量(对粗骨料的等体积取代率)越小，混凝土试块的抗压强度越大，但是其质量相对越大，因此，应考虑高强浮石混凝土在每一个实际工程中的用途来确定其掺量。