铁板砂岩陶粒混凝土工作性能的研究

陈连发，田淑梅，王新元，刘迪

（1.吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林 132022；2.大庆石化公司信息技术中心，黑龙江 大庆 163714；3.内蒙古大唐呼伦贝尔化肥有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021012；4.辽宁盘锦长连化工有限公司，辽宁 盘锦 124221）

铁板砂岩陶粒混凝土工作性能的研究

陈连发1，田淑梅2，王新元3，刘迪4

（1.吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林 132022；2.大庆石化公司信息技术中心，黑龙江 大庆 163714；3.内蒙古大唐呼伦贝尔化肥有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021012；4.辽宁盘锦长连化工有限公司，辽宁 盘锦 124221）

研究了铁板砂岩陶粒最大粒径、胶凝材料用量、砂率、矿物掺合料、外加剂、陶粒预吸水对铁板砂岩陶粒混凝土工作性能的影响规律。阐述了铁板砂岩陶粒混凝土拌合物浆体的特征以及工作性能的控制方法。基于对铁板砂岩陶粒混凝土的坍落度、扩展度、分层度和泌水度等因素的分析得出了对工作性能的评价方法。采用铁板砂岩陶粒混凝土配合比优化配制技术，配制出了工作性能良好的铁板砂岩陶粒混凝土。

铁板砂岩陶粒混凝土；最大粒径；砂率；坍落度和扩展度；泌水度；工作性能

吉林市冀东水泥永吉分公司利用当地资源铁板砂岩成功烧制出了铁板砂岩陶粒轻集料，该铁板砂岩陶粒与页岩陶粒相比独具特点[1-6]，首先具有轻质、高强和低于页岩陶粒的吸水率，其次是发掘了吉林省丰富的资源并加以利用。通过对铁板砂岩陶粒所配制的混凝土各项性能指标的研究表明：铁板砂岩陶粒轻集料混凝土是一种高性能轻集料混凝土，具备了轻质、高强、耐久稳定、工作性能良好，完全适合于高层、超高层工业及民用建筑、轻架桥梁以及东北地区对条件要求苛刻的结构工程中，具有广阔的推广使用价值和巨大的应用前景。

1 实验

1.1 原材料

（1）水泥：吉林冀东永吉水泥厂生产的P·O 42.5水泥，密度3.2 g/cm3，比表面积385 m2/kg；

（2）粉煤灰：吉化热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，细度（45 μm筛筛余）7.2%，密度2.3 g/cm3，比表面积520 m2/kg；

（3）矿渣：吉林通化金珠钢厂生产的粒化高炉矿渣超细粉，密度2.9 g/cm3，比表面积450 m2/kg；

（4）轻集料：吉林冀东水泥永吉分公司生产的铁板砂岩陶粒；

（5）细集料：吉林松花江河砂，细度模数3.1，堆积密度1570 kg/m3，表观密度2630 kg/m3，含泥量＜1%，Ⅱ区级配；

（6）外加剂：上海某厂生产的萘系高效减水剂（粉状），减水率15%～25%；SJ-2型引气剂；

（7）水；自来水。

水泥的主要性能指标见表1，水泥、粉煤灰和矿渣的化学成分见表2，轻集料的主要性能指标见表3。

表1 水泥的主要性能指标

表2 水泥、粉煤灰和矿渣的化学成分 %

表3 铁板砂岩陶粒的主要性能指标

1.2 试验方法

配合比设计利用松散体积法，按照JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》进行，研究铁板砂岩陶粒最大粒径、水泥用量、砂率、矿物掺合料取代率、减水剂和引气剂用量对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响规律。铁板砂岩陶粒轻集料试验前未做预吸水处理，铁板砂岩陶粒混凝土的力学性能按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试。抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

1.3 铁板砂岩陶粒混凝土工作性能评价方法

铁板砂岩陶粒混凝土的流动性和抵抗分层、离析的性能是评价其工作性能的标准。因此，采取测试混凝土四度值即（坍落度、扩展度、分层度和泌水度）的方法来评价工作性能。坍落度、扩展度和分层度依据GB/T 50080—2006《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行测试，泌水度按照式（1）进行计算。

式中：w1——4.8 mm筛上浆体的质量，kg；

w2——筛下托盘上物质的质量，kg。

2 结果与讨论

以表4中M2配比为基准，胶凝材料组成为90%水泥+ 10%粉煤灰，用量为540 kg/m3，水胶比为0.29，砂率40%，减水剂掺量占胶凝材料质量的0.5%。

2.1 铁板砂岩陶粒最大粒径对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

铁板砂岩陶粒的性质是决定混凝土工作性能的关键，减小铁板砂岩陶粒的最大粒径或增加陶粒颗粒密度由此降低铁板砂岩陶粒与水泥浆体的密度差，都能提高铁板砂岩陶粒混凝土浆体的工作性能。而提高铁板砂岩陶粒颗粒的密度也会增加混凝土的密度，削弱铁板砂岩陶粒混凝土轻质高强的特性，所以采用降低铁板砂岩陶粒的最大粒径是首选方法[7-10]。按照基准配合比，改变轻集料最大粒径，研究其对混凝土性能的影响，结果见表4。

表4 铁板砂岩陶粒最大粒径对混凝土性能的影响

由表4可见，铁板砂岩陶粒的最大粒径越大，陶粒混凝土坍落度和扩展度就越大，混凝土浆体的分层、离析及泌水情况也就越严重，导致硬化混凝土强度下降。相反当铁板砂岩陶粒的最大粒径变小，陶粒分布变得均匀，强度就会提高。然而也不是陶粒最大粒径越小越好，铁板砂岩陶粒的最大粒径也存在一个最佳范围。本试验铁板砂岩陶粒的最大粒径为14～20 mm时，试配的混凝土强度高，坍落度、扩展度、分层度和泌水度都较小。

2.2 胶凝材料用量对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

按照基准配比，其它条件不变，只改变胶凝材料用量，探讨其对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响，结果见表5。

表5 胶凝材料用量对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

由表5可见，随着胶凝材料用量加大，铁板砂岩陶粒在拌合物浆体中所占的相对比例将减少，砂浆黏度提高，有效地阻止了铁板砂岩陶粒的上浮，分层、离析现象减弱。同时也使陶粒和砂浆间密度差加大，铁板砂岩陶粒上移速度加快。但二者综合作用的结果是胶凝材料用量加大对浆体粘滞性的影响大于了对密度差的影响，使得铁板砂岩陶粒的上移速度减慢，导致浆体分层度和铁板砂岩陶粒分层度都降低。当胶凝材料用量为540 kg/m3左右时，铁板砂岩陶粒混凝土浆体的分层度、泌水度和流动度较好，抗压强度较高，再增加胶凝材料用量，混凝土的工作性能和抗压强度变化已不明显。

2.3 砂率对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

按照基准配合比，探讨在铁板砂岩陶粒和河砂总体积不变的条件下，不同砂率体积百分比（38%、40%、42%、44%）对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响，结果见表6。

表6 砂率对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

由表6可见，砂率在38%～44%时，铁板砂岩陶粒混凝土的坍落度和扩展度分别处于180 mm和430 mm以上，并且随着砂率的加大而增大。河砂的增多可以提高铁板砂岩陶粒混凝土的黏聚性，直接导致混凝土的分层度和泌水度下降[11-12]。但砂率一旦超出合理的范围后，砂浆和铁板砂岩陶粒间的密度差将增大，使得混凝土的稳定性和和易性变差。砂率超过42%以后，铁板砂岩陶粒混凝土显现出分层、离析和泌水现象，28 d抗压强度降低，44%砂率的混凝土28 d抗压强度刚刚达到40 MPa以上。本试验中砂率最佳为40%～42%。

2.4 矿物掺合料对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

固定胶凝材料用量为540 kg/m3，探讨粉煤灰和矿渣取代水泥量对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响，结果见表7。

表7 矿物掺合料对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

由表7可知，当用粉煤灰和矿渣部分取代水泥后，可改善铁板砂岩陶粒混凝土的工作性能。原因是粉煤灰和矿渣的密度分别为2300、2900 kg/m3，都小于水泥的密度3100 kg/m3，掺入后可降低砂浆的密度及铁板砂岩陶粒与浆体的密度差，导致陶粒混凝土的分层度以及上浮速度都下降[13]。同时粉煤灰和矿渣的加入也会使铁板砂岩陶粒混凝土的黏度提高，最终使得配制的陶粒混凝土分层、离析和泌水性能变好。粉煤灰取代率从10%提高到20%时，铁板砂岩陶粒混凝土的流动性能提高，坍落度由190 mm增加到235 mm，球形的粉煤灰颗粒在形态效应发挥的同时也会导致铁板砂岩陶粒上浮，因此单掺粉煤灰对陶粒混凝土拌合物浆体的稳定性的改善效果有限，当掺量超过20%后，陶粒混凝土还容易导致分层、泌水和离析现象的发生，最终使得28 d抗压强度降低。虽然矿渣对陶粒混凝土的润滑效果不如粉煤灰，但矿渣可以增加浆体的黏聚性，同样会降低陶粒混凝土浆体的分层度和泌水度，最终提高抗压强度。因此，采用双掺矿渣和粉煤灰的方法，发挥两者的优势互补、协调增强的作用，使铁板砂岩陶粒混凝土浆体在高流动性的情况下还具有良好的黏聚性及和易性。

2.5 外加剂对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

外加剂的合理使用可以显著改善铁板砂岩陶粒混凝土的工作性能，从而提高陶粒混凝土的流动性、和易性、力学性能以及耐久性能。按照基准配合比，研究了引气剂和减水剂掺量对混凝土性能的影响规律。

2.5.1 减水剂对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响（见表8）

表8 减水剂掺量对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

由表8可见，随着减水剂掺量的增加，铁板砂岩陶粒混凝土的流动性增加，分层度、泌水度也增大，抗压强度先提高后降低。这是因为，减水剂可分散水泥水化生成的水化产物，释放出水化产物内部包裹的自由水，在水灰比不变的条件下，可显著改善铁板砂岩陶粒混凝土的流动性及和易性。但当减水剂掺量过大时，铁板砂岩陶粒混凝土中水泥浆体的黏聚性会被严重破坏，导致拌合物浆体的工作性能变差，并产生分层、离析和泌水现象，给硬化陶粒混凝土的强度及耐久性造成不良影响。本试验减水剂最佳掺量为0.5%～1.0%。

2.5.2 引气剂对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

在基准配比的基础上，添加占胶凝材料质量0.05%、0.10%的引气剂，研究其对混凝土性能的影响，结果见表9。

表9 引气剂掺量对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

由表9可见，引气剂掺量由0增加到0.05%，铁板砂岩陶粒混凝土的分层度有明显的降低，引气剂掺量增加到0.10%后，分层度和泌水度反而增加，陶粒质量分层度从5.8%增加至15.5%，增幅加大。引气剂掺量对陶粒混凝土坍落度的影响不明显，坍落度都在200 mm以上。当铁板砂岩陶粒混凝土中加入引气剂后，就在混凝土中产生了大量的微小气泡，相当于无数的小滚珠，提高了陶粒混凝土浆体的流动性，改善陶粒混凝土的密实度，降低混凝土浆体与陶粒间的密度差。抑制陶粒的上浮速度，分层度和泌水度降低，最终导致陶粒混凝土的稳定性及和易性提高。但引气剂掺量过高会使铁板砂岩陶粒混凝土的流动性大增，陶粒和砂浆间很容易产生分离、上浮等现象[14]。本试验引气剂最佳掺量为0.05%。

2.6 预吸水对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

铁板砂岩陶粒由于具备微孔特征，所以具有吸水功能。在常温常压下预吸水0、1、8、12、24 h后拌制铁板砂岩陶粒混凝土，测试混凝土的坍落度、扩展度、泌水度及分层度等指标，研究预吸水时间对铁板砂岩陶粒混凝士性能的影响，结果见表10。

表10 预吸水时间对铁板砂岩陶粒混凝土性能的影响

由表10可见，铁板砂岩陶粒预吸水时间对混凝土工作性能影响较小，吸水1 h几乎就使铁板砂岩陶粒颗粒达到饱和状态。并且同页岩陶粒相比，铁板砂岩陶粒的吸水率低20%左右[15]。因此，使用铁板砂岩陶粒配制混凝土时，最佳预吸水时间控制在1 h以下即可。从28 d抗压强度可以看出，预吸水可以提高铁板砂岩陶粒混凝土的强度。这是利用了铁板砂岩陶粒的保水和自养护作用，随着水泥水化、硬化过程的进行，铁板砂岩陶粒表面水分减少，导致陶粒内部的水分缓慢地由里向外释放，使陶粒与砂浆界面处的水泥颗粒得到充分的水化，增强了界面处的粘结力。

3 结论

（1）本试验分析了铁板砂岩陶粒混凝土拌合物浆体的结构特性，研究了影响铁板砂岩陶粒混凝土工作性能的因素和计算公式，建立了以坍落度、扩展度、分层度、泌水度等因素作为综合评价铁板砂岩陶粒混凝土浆体工作性能的方法。

（2）利用铁板砂岩陶粒作为轻集料，在保证陶粒混凝土的密度、强度等性能得到满足的条件下，严格控制铁板砂岩陶粒的最大粒径在20 mm以下，胶凝材料用量控制在540 kg/m3左右；体积砂率宜选择40%～42%；双掺粉煤灰和矿渣等矿物掺合料，粉煤灰掺量宜控制在10%左右，矿物掺合料的总掺量应控制在20%以内为宜，并通过试配严格控制外加剂的掺量。

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Study on the working performance of iron sand ceramsite concrete

CHEN Lianfa1，TIAN Shumei2，WANG Xinyuan3，LIU Di4
（1.School of Material Science and Technology，Jilin University of Chemical Technology，Jilin 132022，China；2.Information Technology Center of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China；3.Datang Hulunbeir Group Chemical Fertilizer Co.Ltd.，Hulunbeir 021012，China；4.Liao Ning Pan Jin Chang Lian Chemical Industry Co.Ltd.，Panjin 124221，China）

The effects law of the maximum particle size，cementious material dosage，sand ratio，mineral admixtures，additives，the pre-absorption of ceramsite on the working performance of iron sand ceramsite concrete were studied.The control method of working performance and characteristic of iron sand ceramsite concrete mixture slurry were set forth.Based on the analysis of slump，divergence，stratification，bleeding of iron sand ceramsite concrete，evaluation method of the work performance was considered. The iron sand ceramsite concrete with good working performance was prepared by using the mix ratio optimization preparation technology.

iron sand ceramsite concrete，the maximum particle size，sand ratio，slump and divergence，bleeding，working performance

TU528.2

A

1001-702X（2016）08-0092-04

2015-10-29；

2015-12-13

陈连发，男，1962年生，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，主要从事无机非金属材料及应用研究。