珍珠岩混凝土基本力学性能试验分析▲

王英杰

摘 要：应用珍珠岩复合混凝土有利于环境的可持续发展，但目前有关于珍珠岩混凝土的应用和研究并不完善，在各个领域运用好珍珠岩优异的性能仍然是一个需要解决的问题。基于此，采用XRD、XRF等显微试验方法，对珍珠岩混凝土原料进行研究，分析其基本性能。

关键词：混凝土；珍珠岩；基本力学性能

中图分类号：TQ174.7                            文献标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）10-0107-03

0 引言

近年来，作为基础设施建设不可或缺的重要材料，混凝土的用量在不断增加，其组合材料物质也不断被开发研究。基于可持续发展的需求，研究不同种类其他物质取代石子、砂子、水泥的新型复合混凝土正在被越来越多的学者所关注。

水泥种类很多，研究不同种类的水泥，满足市场需求是科研工作与实际工程相结合发展的一大突破。建筑施工大部分采用的砂子主要来源于河砂，但是采砂手段远远满足不了工程需求，且由于一些发展地区建筑工程发展过快，甚至出现砂荒、普通硅酸盐水泥严重不足现象。

针对这些现象，寻找新的材料替代普通硅酸盐水泥、砂子已经成为迫切需要。将珍珠岩矿砂用来替代部分水泥做掺合料，不仅节约了普通硅酸盐水泥的用量，还降低了工业生产成本，社会经济效益显著。使用人造普通大粒径膨胀珍珠岩取代部分砂子做轻骨料，能够减轻混凝土质量，增强保温性能，抗震性能较好，吸收冲击能力快且不容易受到破坏。

珍珠岩作为我国重要的矿产资源，储量充足，成本低廉，在建筑中具有重要的应用价值。在试验配置膨胀珍珠岩混凝土的时候发现，膨胀珍珠岩具有质量轻、保温性好等优点，是非常优秀的轻骨料[1]。深入研究珍珠岩砂浆和混凝土的物理力学性能，对珍珠岩的广泛使用具有重要意义。

1 珍珠岩材料微观测试

本次实验所使用的水泥为水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，使用的砂子为天然河砂，珍珠岩是在普通生产车间生产出来的，石紫为普通的矿山压碎碎石。XRD分析图谱表明，珍珠岩的主要成分是SiO2。通过XRF分析表明，膨胀珍珠岩的化学成分中含有一些活性物质[2]。

通过混凝土搅拌试验了解到膨胀珍珠岩混凝土的保水性较好，但在搅拌过程中容易断裂。分析表明，细骨料的表面形状和光滑度对净浆胶合性及保水性有一定影响。

2 膨胀珍珠岩基本力学性能分析

通过对原材料分析，20～30目膨胀珍珠岩具有质量轻、保温性能好等特性，在商业和民用建筑中的应用效果明显。用不同替代率的20～30目膨胀珍珠岩代替砂子做细骨料，分析膨胀珍珠岩混凝土的基本力学性能，并且把普通的混凝土与不同代替率的膨胀珍珠岩混凝土作对比，可找出膨胀珍珠岩的最佳代替率。

2.1 膨胀珍珠岩混凝土抗压强度试验结果分析

本次实验使用20～30目的膨胀珍珠岩代替一定量的细骨料，来测试抗压强度，实验产生的结果如表1所示。

开始试验之后，先逐渐增加压力机的荷载，直到达到膨胀珍珠岩混凝土的破坏载荷后，一部分地膨胀珍珠岩混凝土开始开裂并且伴有碎片脱落。保持压力机的荷载值不变，发现动态荷载值显著减小，并且随着时间的推移，发生开裂的程度也在逐渐变大，一直到所有的碎片都脱落。

根据表1可以分析得出，如果使用膨胀珍珠岩混凝土取代掉部分砂土作为细骨料，那么抗压强度就随着代替率的增加逐渐降低，总体上有一个下降的趋势。试验中，当剪切速率由10%提高到40%（10%变化）时，膨胀珍珠岩混凝土在28 d的抗压强度分别比普通的混凝土降低了1.5 MPa、2.8 MPa、3.5 MPa和4.8 MPa。百分比分别降低了3.89%、7.13%、8.88%、12.12%。

随着20～30目膨胀珍珠岩替代率的不断提高，混凝土标准试块的抗压强度降低值也随之增加，降低的速率基本保持不变。当膨胀珍珠岩含量为40%时，其抗压强度约为35.2 MPa，大于原始设计值（30 MPa）。

2.2 膨胀珍珠岩混凝土抗弯曲强度试验结果分析

用20～30目膨胀珍珠岩代替砂土称为细骨料，制成的混凝土试样的抗弯曲強度试验结果如表2所示。

结合表2可以得出以下结论，膨胀珍珠岩的代替率不断增大时，其抗弯强度并不是单纯地一直下降，而是先增加后降低。当膨胀珍珠岩含量从10%增加到40%时，混凝土28 d的抗弯强度变化不大，膨胀珍珠岩混凝土的抗弯强度与最普通的混凝土相比变化值分别为+0.6 MPa、+0.8 MPa、+0.5 MPa、-0.4 MPa。百分比变化分别为+4.56%，+8.14%，+3.67%和-2.78%。

因为做的试验数据较少，离散数据数量比较多。资料显示，膨胀珍珠岩导致天然砂的颗粒级配变得更好。从文献中可以了解到膨胀珍珠岩存在着一定的活性，由此导致膨胀珍珠岩混凝土的抗弯曲强度，会在开始含量较低时随着代替率的增大逐渐增大，直到代替率增加到某一数值后，抗弯曲强度又会随着代替率的增加而呈现下降趋势。综上所述，膨胀珍珠岩的最佳置换率约为20%。

2.3 膨胀珍珠岩混凝土劈裂抗拉强度试验结果分析

用20～30目膨胀珍珠岩代替砂作细骨料制成的混凝土试件劈裂强度试验结果如表3所示。

在进行劈裂抗拉实验后，混凝土试块被破坏之后的形态，与普通的混凝土在劈裂抗拉实验中的破坏形态基本上一致。混凝土破坏属于脆性破坏，只有当劈裂强度达到极限值时，混凝土才会开始断裂一直到全部断裂。在这个状态下，保证压力机的数值不变，发现动态压力值不断减小。混凝土试块的断裂虽然由于水泥砂浆与骨料的粘黏强度有所延缓，但是效果终究是有限的，最终可以从断裂段看出膨胀珍珠岩被压裂的现象。

从表3可以看出，膨胀珍珠岩的代替率不断增大的同时，其劈裂抗拉强度并不是一直降低，而是呈现一个先升高再减少的趋势。当替代率从10%逐渐升高到40%时，其劈裂强度变化+0.12 MPa、+0.14 MPa、 -0.04 MPa、-0.16 MPa，相应的百分比变化+3.86%、+4.53%、-0.89%、-4.86%。其升高和降低的比例都保持在5%以内，并不是很多。

因此，可以得出结论：当膨胀珍珠岩的代替率较高时，膨胀珍珠岩会大大影响混凝土的开裂抗拉强度；代替率较低时，对混凝土的开裂抗拉强度影响较小。

2.4 膨胀珍珠岩混凝土轴心抗压强度试验结果分析

用20～30目膨胀珍珠岩代替砂作细骨料制成的混凝土试件轴心抗压强度试验结果如表4所示。

膨胀珍珠岩混凝土轴向抗压强度试验在最开始时未出现明显裂缝。随着实验的进行，逐渐加大压力载荷，直到压力载荷达到某一个临界点时，表面开始出现裂缝，并且棱柱表面也有碎渣的产生，裂缝的方向大约平行于压力载荷的方向。此外，混凝土棱柱体的侧面随着轴向压力的急剧下降开始出现肉眼可见的裂缝，并且裂缝的宽度以及深度也在随着压力机压力的增大以肉眼可见的速度扩大。最终在压力的作用下，混凝土棱柱被压碎[3]。

根据表4可以分析出，膨胀珍珠岩的代替率不断增大的同时，其轴心抗压强度并不是一直降低，而是呈现一个先升高再减少的趋势。当膨胀珍珠岩的替代率从10%依次增加到40%（10%波动）时，膨胀珍珠岩在28 d的抗压强度分别变化了+0.4 MPa、+0.6 MPa、+0.2 MPa、-1.3 MPa。百分比分别变化了+1.19%、+2.44%、+0.26%、-4.45%。

结合各种实际情况以及参考文献，一般可以得出以下结论：膨胀珍珠岩导致天然砂的颗粒级配变得更好。膨胀珍珠岩存在着一定的活性，导致膨胀珍珠岩混凝土的轴心抗压强度，在开始含量较低的时候随着代替率的增大逐渐增大，直到代替率增加到某一数值后，轴心抗压强度又会随着代替率的增加而呈现下降趋势。综上所述，膨胀珍珠岩的最佳置换率约为20%。

2.5 膨胀珍珠岩混凝土弹性模量試验结果分析

用20～30目膨胀珍珠岩代替砂作细骨料制成的混凝土试件弹性模量试验结果如表5所示。

如表5所示，随着膨胀珍珠岩替代率的增加，膨胀珍珠岩混凝土枝柱体的弹性模量在逐渐下降。通过分析图表可以得出：替代率从10%变化为40%的过程中，所研究的混凝土的弹性模量与含量相比分别降低了140 MPa、210 MPa、290 MPa、620 MPa；相应的跌幅分别为0.55%、0.57%、0.83%和1.88%，降幅相对较小。

据此可以得出结论，弹性模量主要与骨料有关，粗骨料的弹性模量起着决定性作用，所以20～30目膨胀珍珠岩对混凝土的弹性模块影响不大。

3 结束语

在实验中，分析了膨胀珍珠岩不同的替代率对混凝土的影响。可以得出结论：对于不同的基本力学性能，珍珠岩混凝土对其影响效果不完全相同，但是根据表1～5及绘制的图纸可以分析出，膨胀珍珠岩的最佳替代率为20%。

参考文献

[1] 温虹，魏婷，郑柏存，等.聚乙二醇/膨胀珍珠岩复合相变材料的制备与性能研究[J].新型建筑材料，2015，42（6）：73-77.

[2] 申进文，冯雅岚，王振河，等.利用膨胀珍珠岩生产平菇菌种技术研究[J].食用菌，2007（4）：27-28.

[3] 李卫东，王著强，陈稳霞，等.利用珍珠岩工业尾矿低温快烧制备轻质陶瓷砖的研究[J].佛山陶瓷，2014，24（2）：11-14.