不同种类轻骨料混凝土力学性能和耐久性研究进展

2024-05-31钱言宏王洪亮李学奎宋普涛卢嘉一冷发光

建材世界 2024年1期

高峰,钱言宏,王洪亮,李学奎,宋普涛,卢嘉一,王晶,冷发光

(1.聊城市交通发展有限公司,聊城 252000;2 .中国建筑科学研究院有限公司,北京100013; 3.山东高速青岛建设管理有限公司,青岛266300;4.建研建材有限公司,北京 100013)

当代混凝土的骨料因经常采用河砂、碎石等造成了天然资源的损耗。利用固废作为掺合料制备混凝土有利于减少天然资源的消耗,特别是资源化利用煤矸石制备轻骨料混凝土,不仅节约天然骨料资源,还能减少固废对环境的污染。轻质骨料混凝土具有很多优势,比如建筑物自重低,地基承载力小,抗震性能强。为了推动轻质骨料混凝土的发展进程,众多学者开展了大量相关研究,论文重点概述了各种轻骨料对混凝土力学性能和耐久性能的影响规律,总结了功能性外加剂、掺合料及纤维对轻骨料混凝土力学和耐久性能的提升作用。

1 轻骨料混凝土的力学性能

1.1 煤矸石骨料混凝土的力学性能

煤矸石是在煤矿开采过程中排放的固体废弃物,如果大量堆积会对环境造成严重污染。由于我国是煤炭生产大国,所以应该尽快资源化高效利用煤矸石。传统建筑行业大量消耗天然砂石作为混凝土的骨料已不符合可持续发展的理念。因此,煤矸石资源化利用作为混凝土的骨料,将促进煤矸石骨料混凝土在建筑结构领域的广泛应用。综合利用煤矸石和矿渣制备混凝土是一种可提高抗压强度的方法[1]。然而,原始煤矸石掺量过大会影响混凝土的抗压强度。若煤矸石经过煅烧,其火山灰活性会提升,可明显提高混凝土的抗压强度。还得出结论,钢管混凝土比钢筋混凝土更适合使用煤矸石作为结构粗骨料。总体来说,使用煤矸石和矿渣制备的混凝土具有较高的抗压强度,而煅烧煤矸石可以替代原始煤矸石来进一步提高混凝土的抗压强度[2]。然而,需要注意的是,在煤矸石替代率较高时,混凝土的力学性能会受到一定的影响,所以钢管混凝土更适合使用煤矸石作为结构粗骨料。

1.2 陶粒混凝土力学性能

陶粒混凝土是一种绿色建筑材料,符合国家绿色建筑标准,因其具有自重和强度低的特点,主要应用于非承重墙领域。因为陶粒内部孔隙较大,抗压强度低于普通砾石,所以陶粒制成轻骨料混凝土的强度通常低于普通混凝土。除此之外,陶瓷本身的粒径、形状和颗粒级配等参数也会影响混凝土性能。因此,为了加强陶粒在混凝土工程中的应用,相关学者开展了提高陶粒混凝土力学性能的研究。Liu等[3]研究了城市污泥和陶粒协同制备轻骨料混凝土的性能和反应机理。结果发现,大粒径陶瓷会减小混凝土的强度和工作性能。但是,在此基础上添加一定的外加剂可提高混凝土的强度和工作性能。此外,作者还发现随着混凝土中水灰比减小和砂率增大,混凝土的抗压强度也会升高。赵威等[4]探究了陶粒的形状对混凝土性能的影响。结果表明,当陶粒的形状是球形时混凝土抗压强度较高;若陶粒的形状是棒状,则混凝土抗折强度更高;综合发现采用球形、方形和棒状陶瓷时混凝土具备优异的力学性能。

1.3 浮石混凝土力学性能

浮石指火山喷发后岩浆冷却形成的一种矿物质,主要成分是二氧化硅、质地软、比重小能浮于水面,故称浮石,通常被用作天然轻质骨料。浮石体内存在较多孔隙,导致它的强度低于普通碎石。将浮石作为粗骨料制备混凝土,具有轻质、吸水率高等特点。同时,因浮石内部存在气孔,浮石轻骨料混凝土的强度较低。浮石资源丰富、重量轻,被广泛应用制作轻质骨料混凝土。OZ等[5]开展了酸性浮石部分取代碎石制备混凝土及其性能研究。结果发现,酸性浮石取代一半的碎石,混凝土的总孔隙率会升高,其中酸性浮石多孔,可提高混凝土的渗透系数。因此,酸性浮石混凝土具有轻质和吸水高的特点。Hariyadi等[6]参照普通骨料多孔混凝土,研究了不同比例的火山浮石骨料对混凝土力学性能的影响。结果发现,随着火山浮石的掺入可以升高混凝土孔隙,降低混凝土的弹性模量和强度,可制备成一种吸收冲击的轻质多孔声学结构材料。

1.4 其他轻骨料混凝土力学性能

Shafigh等[7]对比研究了油棕榈壳混凝土与膨胀粘土料混凝土的力学性能。结果表明,油棕榈壳轻质骨料混凝土的干密度高于膨胀粘土轻集料混凝土(约5%),油棕榈壳轻骨料混凝土的劈裂强度比膨胀粘土轻骨料混凝土提高了16%～44%。油棕壳混凝土的水化初期干收缩率比膨胀粘土混凝土高出1倍;但是在水化后期90 d时干缩率减少至35%。此外,Srinivas等[8]研究了用椰壳和聚苯乙烯泡沫微珠代替粗骨料制备混凝土。结果发现,当聚丙烯纤维掺量为1%时,混凝土的抗压、抗弯和劈裂拉伸强度最佳,这表明聚苯乙烯微球可以制备轻质混凝土。

2 轻骨料混凝土耐久性能

2.1 煤矸石混凝土耐久性能

煤矸石资源化利用可作为混凝土的轻质粗骨料。然而,煤矸石骨料本身存在着吸水率大和多孔的问题,这可能会影响混凝土的整体性能。另外,煤矸石还包括原状煤矸石和自燃煤矸石等不同类型,这些不同类型的煤矸石在混凝土中应用会导致不同的效果。因此,煤矸石混凝土的耐久性成为了研究人员们关注的焦点之一。为了推进煤矸石资源化利用,学者们通过从不同的角度研究煤矸石混凝土的耐久性问题,为煤矸石进一步应用和发展提供了有价值的信息和建议。Ma 等[9]先将煤矸石煅烧700 ℃,然后作为粗骨料,结合碱激发矿渣胶凝材料制备混凝土。主要研究了该混凝土耐久性,具体探究了煤矸石掺量对混凝土耐久性的影响。结果表明,冻融循环前期,煅烧煤矸石对混凝土的抗冻性提升高于原煤矸石,但是后期相反。此外,随着煤矸石掺量增加,混凝土的抗Cl-渗透和抗硫酸盐侵蚀性能提升。Guan等[10]调研了煤矸石替代率对混凝土抗冻性的影响。结果表明,在冻融循环作用下,掺入煤矸石的混凝土,其力学性能损失率低于普通混凝土,但是过量的煤矸石掺入,导致煤矸石混凝土的抗冻性低于普通混凝土。

2.2 陶粒混凝土耐久性能

陶粒与普通碎石和天然砂对比,因其粗糙多孔和水泥浆体易包裹在一起,粘结性较好。同时,水泥能对陶粒内的孔隙起到很好的填充效应。因此,陶粒混凝土比普通混凝土具有更优异的抗冻抗渗性,服役寿命更长。陶粒的耐久性能与骨料预湿程度、骨料取代率等有关,所以通过添加纤维、外加剂等外掺料可显著改善陶粒混凝土的耐久性能。

Gong等[11]对比探究了减缩剂、聚丙烯纤维及两种添加剂协同作用对混凝土耐久性的影响规律。结果发现,当掺加一种减缩剂时,随掺量升高混凝土的早期膨胀值升高,体积收缩减小;同时掺入聚丙烯纤维到混凝土,混凝土的早期体积膨胀值下降,体积收缩变化不大,提高了混凝土体积稳定性;因此,两种添加剂的协同作用对混凝土的体积收缩贡献较大。Ji等[12]对比探究了不同陶粒预湿程度对混凝土早期体积自收缩的影响规律。结果发现,在水化初级阶段,一天的预湿陶粒可提高混凝土早期体积自收缩。在水化后期阶段,混凝土膨胀应变明显减小。所以随陶粒预润湿度升高,混凝土的早期体积自收缩降低。

2.3 浮石混凝土耐久性能

浮石外表面具有一定的火山灰活性,而且浮石本身具备较高的耐久性。为了充分利用浮石的特征,相关学者深入研究了浮石的耐久性,比如长期的抗冻性、抗渗性和抗碳化性能等。Wang等[13]深入分析并建立了浮石制备混凝土的冻融损伤模型。研究过程中,作者采用劳伤理论具体地分析了浮石混凝土的物理特性,修正了静压力计算方法。研究结果为:实验中浮石混凝土的静水压主要在-20～-5 ℃,普通混凝土的静水压在-5～0 ℃的范围。通过对比孔压温度的区别,表明浮石混凝土比普通混凝土抗冻性更加优异。如果再加入引起气剂,浮石混凝土的静水压显著下降,进一步说明引气剂能强化混凝土抗冻性。此外,Madani等[14]开展了浮石和硅灰协同制备绿色混凝土的耐久性研究。结果表明,单掺浮石无法增强混凝土的抗渗透性和毛细管吸水率。然而,当硅灰和浮石协同掺入量为60%,水化28 d时,浮石被很好地扩散。当水化90 d时,浮石进一步强化了混凝土耐久性,这主要与硅灰对混凝土中浆体微观孔结构及水化产物的改善作用有关。

2.4 其他轻骨料混凝土耐久性能

相关学者还研究了其他轻骨料混凝土的耐久性,比如,Dong等[15]利用不同比例的风积沙代替河砂制备轻骨料混凝土,并详细分析了风积沙的混凝土抗冻性。当风积沙掺量大于1/3时,混凝土的抗冻性变差;当风积沙的掺量小于1/3时,混凝土抗冻性升高。作者经过大量研究发现风积沙最佳掺量范围是20%～30%。此外,卢文明[16]探究了不同比例的橡胶颗粒作为集料制备混凝土,并研究其抗渗和抗冻性。结果发现,随着橡胶颗粒掺入量提升,混凝土的抗渗性降低。试验的混凝土与普通混凝土相比,抗渗性更优异。抗冻性结果表明,橡胶颗粒最佳掺量为20%,混凝土具备最优异的抗冻性。