页岩陶粒混凝土强度影响因素的试验研究

李培涛，范利丹，余永强，张子建（1.河南理工大学 河南省高等学校深部矿井建设重点学科开放试验室，河南 焦作　454000；.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作　454000）

页岩陶粒混凝土强度影响因素的试验研究

李培涛1，2，范利丹1，2，余永强2，张子建1，2
（1.河南理工大学 河南省高等学校深部矿井建设重点学科开放试验室，河南 焦作454000；2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作454000）

针对不同骨胶比、粉煤灰掺量、养护温度和页岩陶粒预湿程度对页岩陶粒混凝土强度的影响进行试验研究，并分析其作用机理。试验结果表明，当水泥用量适宜时，混凝土抗压强度随着骨胶比的增大逐渐增大；粉煤灰掺入量在0～20%时，随着掺入量的增加，混凝土在养护初期的强度增长率降低，但对28 d强度影响不大；养护温度的升高会加速混凝土凝结硬化，大幅度提高1 d强度，但是会产生“高温负效应”，导致后期强度损失较大；对页岩陶粒进行不同程度的预湿处理，对“高温负效应”有一定的减缓作用，混凝土强度有所提高。

页岩陶粒混凝土；强度；影响因素

0　引言

页岩陶粒混凝土作为一种新型建筑材料，与传统混凝土相比具有轻质、高强、隔热、抗震、环保等诸多优势，在建筑结构保温和高层建筑、桥梁等大跨度结构工程中具有广阔应用前景［1］。

目前对页岩陶粒混凝土的研究主要在高强轻骨料混凝土、自密实轻骨料混凝土和轻骨料混凝土的抗冻性、耐久性、隔热性和工作性等方面［2-3］，而不同养护温度环境及页岩陶粒的预湿处理对页岩陶粒混凝土的强度影响研究较少。本文在对页岩陶粒混凝土的配合比、外掺料研究基础上，探究在不同养护温度下页岩陶粒混凝土强度变化规律及其作用机理，并对页岩陶粒进行不同程度的预湿处理，探究预湿处理对降低“高温负效应”的作用规律，以减少页岩陶粒混凝土在较高养护温度下的后期强度损失。

1　试验

1.1原材料

水泥：焦作市中晶水泥厂P·O42.5水泥，主要性能指标如表1所示。砂：天然中砂，颗粒级配为Ⅱ级，细度模数为2.8。粉煤灰：焦作电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。页岩陶粒：河南美赛克科技有限公司生产的700级碎石型陶粒，主要性能指标如表2所示。水：普通自来水。

表1　水泥的主要性能指标

表2　页岩陶粒的主要性能指标

1.2试验初步设计

根据JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》，选用绝对体积法进行配合比试算；并借鉴文献［4-5］中的方法进行试配和调整，得到页岩陶粒混凝土的初步配合比（kg/m3）为：水泥∶水∶细骨料∶粗骨料=490∶214∶780∶390。

1.3试验方法

混凝土单轴抗压实验参照JGJ51—2002和GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。将拌合后的页岩陶粒混凝土均制成100 mm×100 mm×100 mm非标准立方体试块，在养护箱内养护到一定龄期后，用SYE-2000型压力试验机以0.5～0.8 MPa/s的速度均匀连续加荷，当试块破坏后，记录破坏荷载；因试块为非标准立方体试块，所得强度值再乘以系数0.95进行换算。

2　试验结果与分析

2.1骨胶比对抗压强度的影响

在初步配合比的基础上，保持水泥用量、水灰比和砂率不变，选择不同骨胶比进行页岩陶粒混凝土抗压强度试验。试块在标准养护箱内养护，试验设计与结果如表3所示。

表3　不同骨胶比页岩陶粒混凝土设计及其抗压强度

由表3可以看出，页岩陶粒混凝土的抗压强度随着骨胶比的增大呈增大趋势。当骨胶比由3.0∶1.0增加到3.4∶1.0时，页岩陶粒混凝土的28 d抗压强度由30.06 MPa增加到33.68 MPa，并且混凝土早期抗压强度也有不同程度的提高。

这是因为页岩陶粒混凝土可以看作由3部分组成：页岩陶粒、水泥砂浆和两者界面过渡区。页岩陶粒混凝土的陶粒与水泥砂浆的界面过渡区有很好的啮合力，且水泥砂浆的强度高于页岩陶粒，因此，破坏主要发生在骨料处［6］。页岩陶粒作为混凝土的粗骨料，承担着主要骨架作用；在水泥用量适宜时，粗骨料用量的增加，有助于提高混凝土骨架结构的稳定性，从而提高了页岩陶粒混凝土的抗压强度。因此，页岩陶粒作为粗骨料，在水泥用量适宜时，随着骨胶比提高，抗压强度也逐渐提高。

2.2粉煤灰对抗压强度的影响

根据2.1部分试验结果及页岩陶粒混凝土的结构特点，同时为提高骨架结构的稳定性，进一步优化骨料的颗粒级配，基准配合比（kg/m3）为：水泥∶水∶细骨料∶粗骨料=490∶214∶750∶395。

粉煤灰颗粒基本是由玻璃体和极少数碳粒组成，这些球状玻璃体能够显著降低混凝土拌合物的屈服剪切应力，从而提高混凝土拌合物的和易性［7］。为探究粉煤灰对页岩陶粒混凝土的强度影响，参考普通混凝土粉煤灰掺量，选取10%、15%、20%的粉煤灰掺量，等质量替代水泥。试块均在标准养护箱内养护，试验设计及结果如表4所示。

表4　不同粉煤灰掺量页岩陶粒混凝土设计及其抗压强度

由表4可以看出，粉煤灰掺量由0增加到20%时，页岩陶粒混凝土早期强度增长变缓，且不同掺量的粉煤灰试块早期强度均低于未掺粉煤灰的试块；但在养护后期，掺有粉煤灰的混凝土强度增长率变大，各组试件的28 d抗压强度无明显差别。

在掺入粉煤灰的页岩陶粒混凝土中，水泥发生水化反应生成氢氧化钙，并释放水化热，而包裹在页岩陶粒外部的粉煤灰并未发生水化反应，但能够吸收水化热，降低混凝土内部的温度，使得混凝土的早期强度增长变缓。因此，在养护初期，粉煤灰仅起填充作用，并未发生化学反应。在养护后期，随着粉煤灰颗粒表面的水化产物逐渐增多，粉煤灰与氢氧化钙发生二次水化反应，产生大量的水化硅酸钙和水化铝酸钙纤维状晶体。这些水化硅酸钙和水化铝酸钙纤维状晶体能够填塞页岩陶粒的内部孔隙，提高页岩陶粒的强度；且晶体有良好的粘结性，相互交叉连接在页岩陶粒与水泥砂浆之间，使得水化硅酸钙和水化铝酸钙晶体、页岩陶粒和水泥砂浆之间紧密连接，形成了稳定的骨架结构，并增强了页岩陶粒混凝土的内部密实度，从而使得后期强度增长率较大。

如果粉煤灰掺量过大，在二次水化作用后，包裹在页岩陶粒外部的粉煤灰颗粒会形成一层界面覆盖在浆体周围，造成混凝土内部产生多层界面，使得内部稳定性变差，直接影响页岩陶粒混凝土的强度，造成掺量与强度成反比［8］。

2.3养护温度对抗压强度的影响

混凝土凝结硬化过程主要是通过水泥的水化作用来实现的，混凝土的养护温度和湿度对水泥的水化快慢及均匀程度有着直接影响，尤其是在页岩陶粒混凝土的养护初期阶段，影响更为明显。为探究养护温度对页岩陶粒混凝土强度的影响，试验采用基准配合比，将拌制的页岩陶粒混凝土试块放在湿度皆为96%，温度分别为20、40、60℃的养护箱内养护，试验设计与结果如表5所示。

表5　不同养护温度下页岩陶粒混凝土设计及其抗压强度

从表5可以看出，60℃养护条件下1 d强度相对20℃条件下提高76.6%在40℃和60℃的条件下，1 d抗压强度大幅度提高，但混凝土后期强度增长率明显降低，28 d抗压强度较20℃条件下降低很多，尤其60℃条件下下降更为明显，28 d强度仅为20℃条件下的68.1%，呈现出“高温负效应”现象。

在页岩陶粒混凝土养护初期，水泥浆内部湿度较大，高温条件会促进水泥水化反应，加速混凝土的凝结硬化，使得强度快速增长。因此，页岩陶粒混凝土的1 d强度随着养护温度的提高大幅度提高。在养护后期，养护温度越高，水化反应的程度越高，消耗的自由水分也越多，且养护温度过高会导致页岩陶粒混凝土的表面湿度比较低，甚至出现没有表面吸附水的现象，导致水泥浆内部湿度较低；另一方面，随着养护温度的提高，因页岩陶粒自身内部孔隙较多，吸水率较大，使得页岩陶粒不断吸收混凝土内部自由水分，水泥浆湿度进一步降低。因此，页岩陶粒混凝土在高温养护条件下，由于养护后期内部自由水分较少，水泥浆湿度过低，无法保证水化反应得以继续进行，导致后期抗压强度损失较大，出现“高温负效应”现象。高温负效应的产生是由于水化速度不均衡、水化产物分布不均匀引起的，因此，可以采取降低混凝土的水灰比或掺入硅灰、粉煤灰、矿渣等方法部分消除高温负效应［9］。

2.4预湿对抗压强度的影响

页岩陶粒作为混凝土粗骨料，因自身多孔和吸水率较大的特性，使其在拌制和装模过程中吸收混凝土拌和物中的水分较多，而导致混凝土拌和物的黏聚性降低，坍落度损失较快；而且从2.3试验结果可以看出，在较高养护温度下抗压强度损失较大。因此，为了保证页岩陶粒混凝土拌合物的和易性，同时提高高温养护条件下混凝土的后期强度。

本试验在基准配合比的基础上，参考2.2试验结果，掺加15%粉煤灰，并对页岩陶粒进行不同程度预湿处理，探究预湿处理对高温养护条件下页岩陶粒混凝土抗压强度的影响。对页岩陶粒分别预湿10 min、1 h、24 h，将没有预湿和经不同时间预湿的页岩陶粒混凝土试块放在湿度为96%，温度为60℃的养护箱中养护，试验设计与结果如表6所示。

表6　不同预湿时间页岩陶粒混凝土设计及其抗压强度

从表6可以看出，随着页岩陶粒的预湿时间由0增加到24 h，页岩陶粒混凝土的早期和后期强度都得到提高，尤其是对页岩陶粒预湿24 h后，页岩陶粒混凝土的抗压强度提高较明显。28 d强度较未预湿的页岩陶粒混凝土提高18.4%。

在高温养护条件下，高温会促进水泥水化反应，从而使得混凝土内部自由水和周围的水泥基体不断进行水分转移，以保证水泥水化作用的不断进行；较快的水化反应消耗自由水速度加快，水泥浆体内部湿度降低。若页岩陶粒没有预湿处理，且高温养护条件下混凝土表面湿度较低，水分的缺乏导致水泥水化速度降低；而预湿后的页岩陶粒处于饱和面干状态，陶粒孔隙中包含的水分在湿度差压力下，从孔隙内部转移到水泥基体，可以起到“微泵”的作用，供水泥继续水化［10］，使得页岩陶粒与水泥砂浆的界面过渡区水化程度相对较高，界面过渡区的啮合力也相对提高。因此，预湿处理可以促进高温养护下页岩陶粒混凝土抗压强度的增长。

2　结论

（1）在水泥用量适宜且不变的条件下，抗压强度随着骨胶比增大而逐渐增大，骨胶比由3.0∶1.0增加到3.4∶1.0时，其28 d抗压强度由30.06 MPa增加到33.68 MPa。

（2）粉煤灰掺量为0～20%时，随着掺入量的增加，页岩陶粒混凝土的前期强度增长逐渐变缓，但28 d强度影响不大；当掺入量大于一定量时，随掺量增加，混凝土后期强度降低；粉煤灰掺量为10%～15%比较合适。

（3）页岩陶粒混凝土在不同养护温度下养护，早期强度会随着温度的提高而显著提高，60℃养护条件下，1 d强度相对20℃条件下提高76.6%，但后期强度增长会随着养护温度的提高明显下降，28 d强度仅为20℃条件下的68.1%。

（4）粗骨料进行不同程度的预湿处理对“高温负效应”有一定减缓作用；试验范围内，对页岩陶粒预湿处理24 h较好，28 d强度较未预湿的页岩陶粒混凝土提高18.4%。

［1］焦楚杰，高俊岳，王龙，等.轻骨料混凝土的研究进展［J］.混凝土，2014（8）：111-114.

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Experimental study on the influential factors of shale ceramsite concrete strength

LI Peitao1，2，FAN Lidan1，2，YU Yongqiang2，ZHANG Zijian1，2
（1.Open Laboratory of Deep Mine Construction Key Discipline of Henan Province Colleges and Universities，Henan Polytechnic
University，Jiaozuo 454000，China；2.School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

In this paper，the experiments about the influence of the bone glue ratio，fly ash dosage，curing temperature and degree of shale ceramsite prewetting on the shale ceramsite concrete strength are carried out，and the mechanisms are analyzed. The results show that the concrete compressive strength gradually improves with the increase of the bone glue ratio when the dosage of cement is appropriate.The strength of concrete at the early curing decreased with the increase from 0 to 20%of fly ash replacement of cement，but it had little effect on the strength of 28 d.Curing temperature rise will accelerate concrete condensation sclerosis，greatly improve the intensity of 1 d.However，it will produce"high temperature negative effect"，resulting in the loss of strength of late.To varying degrees of shale ceramsite prewetting processing，it has a certain effect on offsetting"high temperature negative effects"，concrete strength increased.

shale ceramisite concrete，strength，influential factor

TU528.2

A

1001-702X（2016）04-0014-03

河南省高等学校深部矿井建设重点学科开放试验室开放基金项目（2014KF-02）；中铁隧道集团有限公司科技创新计划项目（H14-233）

2015-12-08；

2016-01-21

李培涛，男，1991年生，河南信阳人，硕士研究生。E-mail：2297692230@qq.com。通讯作者：范利丹，地址：河南省焦作市高新区世纪大道200号，E-mail：lidanfan@hpu.edu.cn。