轻质高强浮石混凝土抗压强度试验研究

郭玉娟，丛宇婷，孙剑飞，吴金华

(1.黑龙江省拜泉县水利服务中心，黑龙江 拜泉 164700； 2.黑龙江大学 建筑工程学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

天然浮石是一种由于熔融的岩浆随火山喷发冷凝而成的密集气孔的玻璃质熔岩，具有质量轻、强度高、耐酸碱、耐腐蚀且无污染、无放射性等优点，是理想的绿色环保产品[1]。国内外对浮石混凝土的研究都有不同进展和发现，由于其特殊的孔状结构和资源优势，在建筑、医疗、渔业、化工等领域有着广泛的应用[2]。

我国浮石资源十分丰富，以北方地区为多且质量较好，因此研究浮石在轻骨料混凝土中的应用具有重要意义。目前，我国北方浮石资源储量丰富的地区已经对浮石混凝土的研究与应用取得一定成果[3]。申和庆[4]等通过包裹强化提高浮石的筒压强度，采用不同粒径规格的浮石粗骨料及以部分浮石砂取代普通砂等措施，成功研制出抗压强度超过45 MPa的轻质高强度混凝土。霍俊芳[5]等通过核磁共振与压泵相结合建立相关模型，研究发现天然浮石混凝土内部孔结构与其抗压强度之间存在一定的关系。刘倩[6]等通过基于核磁共振技术，选取不同种类的浮石作为粗骨料，研究不同粗骨料混凝土内部孔隙特征，发现黑浮石混凝土强度最高。董伟[7]等通过在配制浮石轻骨料混凝土中添加等质量的偏高岭土替换水泥试验中发现，偏高岭土对浮石轻骨料混凝土的硬度有很大提高，尤其是早期混凝土强度。

国外对于浮石混凝土的研究比我国要早，德国是最早记载关于浮石混凝土的国家。此外，美国、意大利、日本等国都对浮石混凝土展开相应的研究，并取得一定成果[8]。如Marish Sabiniano Madlangbayan[9]等通过以稻壳灰为原料合成非晶纳米硅，加入到火山浮石混凝土中，实验结果表明其抗压和劈裂抗拉强度均高于未添加纳米硅试件。Affetzakis[10]等通过利用不同长度高弹性模量的钢纤维和低弹性模量的聚丙烯纤维混杂，配制混杂纤维增强浮石混凝土，研究表明适量混杂纤维掺入能够有效提升浮石混凝土弯曲韧性、抗折强度以及耐冲击。Yasar[11]等通过利用粉煤灰作为掺和料配制浮石混凝土，研究表明当粉煤灰掺量为20%左右时能够显著改善浮石混凝土拌和物的均匀性和黏聚性，保证浮石混凝土强度指标，且具有良好的经济价值。

1 材料和方法

1.1 试验设备及其原材料

试验使用仪器设备为混凝土搅拌机、振动台、压力试验机等。各仪器的具体参数如下：①HJW60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；②电子计数天平:规格15 kg，精度0.1 g；③TCS-300电子台秤：最大称量300 kg,最小称量2 kg,分度值100 g；④1 m2振动台:振幅0.5 mm；⑤101-2A电热鼓风干燥箱：最高温度300℃；⑥150×150×150标准混凝土试块模具(材质为聚乙烯)；⑦NYL-3000型压力试验机：试验机级别Ⅰ级。

试验中所用的原材料有胶凝材料、浮石、碎石、河砂、水以及减水剂。具体参数如下。

1) 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 P.O42.5水泥物理力学性能指标Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

2) 粉煤灰。黑龙江火电公司的Ⅰ级灰，其化学成分见表2。

3) 粗骨料：①浮石采用长白山保护开发区池北富鑫浮石厂出产，其化学成分见表3。②石子采用粒径为5～20 mm的碎石，含泥量低于1%,依据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52-2006)对其进行筛选。

4) 细骨料。砂子选用天然中粗河砂，级配良好，细度模数2.69，饱和面干吸水率为3.8%，含泥量2.5%。作为混凝土的添加剂，起到骨架及填充作用，以增加其耐磨性。

5) 硅粉。鞍山市意通微硅粉有限公司生产，表面积为1.8×105cm2/g，其化学成分见表4。

表2 粉煤灰化学成分表Tab.2 Chemical compositionTable of fly ash

表3 浮石化学成分表Tab.3 Chemical compositionTable of pumice

表4 硅粉主要化学成分Tab.4 Main chemical constituents of silicon powder

6) 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。

7) 水。哈尔滨市自来水厂生产的自来水。

1.2 试验设计

通过阅读大量文献和国内外所用数据，本次试验以胶凝材料480 kg/m3为定量，分析水胶比、粉煤灰掺量及浮石掺量(粗骨料用浮石等体积替代)3个因素，将正交试验定为L9(33)方法，各影响因素及各水平值关系见表5，正交试验浮石混凝土配合比见表6。本试验为消除基体混凝土的变异对试验结果的影响，在浇筑浮石混凝土的同时，浇筑同强度等级的素混凝土作为对比(水胶比为0.4，粉煤灰掺量为15%，浮石掺量为0)。

表5 正交因素水平表Tab.5 Orthogonal test factor levelTable

表6 浮石混凝土配合比Tab.6 OrthogonalTable and mix ratio

1.3 试验过程

混凝土的拌和首先依次加入粗骨料、细骨料搅拌，再加入胶凝材料搅拌均匀，搅拌时间1 min。然后，将减水剂放入水并搅匀后，缓慢加入到搅拌机中以调节拌和物稠度，并搅拌得到均匀混凝土拌和物，将拌和物倒入内壁涂有机油的试膜中，并在振动台上振动直至表面出现浮浆。放在室温为20±5℃环境下静止24 h后拆模编号，放进标准养护室(相对湿度95%)进行养护，养护期为3 d、7 d和28 d。取出试块观察表面是否有裂缝，将试块平整一面放置于压力试验机承压板上，按仪器规定进行操作，对试块均匀加荷，加载速度为2.4 kN/s。试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)规定进行。见图1。

图1 试验过程

1.4 立方体抗压强度试验方法

立方体抗压强度公式如下：

(1)

式中：fce为混凝土立方体抗压强度，MPa；P为破

坏荷载值，kN；A为试件受压面积，mm2。

2 结果与分析

2.1 试验结果

28 d浮石混凝土正交试验结果见表7。

表7 28 d浮石混凝土正交试验结果[12]Tab.7 28 d Pumice concrete orthogonal test results

通过正交试验进行数据分析，分别得出7 d和28 d的抗压强度损失率(图2)。影响浮石混凝土抗压强度的主次因素为：水胶比>粉煤灰掺量>浮石掺量。

图2 抗压强度损失率

2.2 浮石混凝土28 d抗压强度结果分析

测量并记载浮石混凝土的3 d、7 d和28 d的抗压强度，见图3。对于水胶比，3 d时的影响因素水胶比明显比7 d和28 d的水胶比影响大，随着水胶比增大，拌和物的流动性增加，试块中自由水含量增加，使得密实度降低，导致抗压强度降低明显，水胶比在0.5时相对达到最大值。对于粉煤灰，3 d时抗压强度最小，此时是因为刚掺入进去的粉煤灰并未与周围的物质充分发挥，水化反应很大程度上由于所加的胶凝材料引起；与3 d时相比，7 d时抗压强度有了明显的提升，此时粉煤灰表面光滑，所需的水量相对较少，粉煤灰细小的颗粒使得浮石与水泥、沙子间的空隙被填满，从而使得混凝土的抗压强度得到提升。28 d时粉煤灰水化反应基本充分发挥，能为水泥水化反应提供更多的水化产物沉淀场合，促进水化反应更加充分，提高了强度。但随着粉煤灰掺量增加，所用胶凝材料的相对含量减少，降低了混凝土后期的强度，因此粉煤灰掺量在15%相对达到最优值。对于浮石掺量，浮石本身的强度相对其它粗骨料来说，硬度相对较大，随着浮石掺量的增加，浮石混凝土的整体强度也会增加。

图3 浮石混凝土的3 d、7 d和28 d的抗压强度

通过对 9组试验的抗压强度数据进行直观分析，分别得到极差与方差分析表，见表8。K1、K2、K3表示各因素每一水平的抗压强度试验结果均值，Rf表示各因素每一水平的极差，F表示各因素每一水平的方差。

表8 抗压强度极差和方差分析表Tab.8 Extremely low compressive strength and analysis of variance

通过表8结果显示，极差及方差越大，则该因素对其抗压强度影响越大。3个因素对浮石混凝土抗压强度的影响顺序为：水胶比>粉煤灰掺量>浮石掺量。轻质浮石混凝土的主要评价指标为抗压强度，综合考虑各因素每一水平的要求，根据抗压强度的均值大小，得到浮石混凝土的各因素水平最佳组合采用 ：A3B2C3。

为了观察各因素的水平变化对抗压强度的影响，作出各因素的不同水平下的抗压强度折线图，见图4。图4中横轴表示各因素水平值，纵轴表示浮石混凝土抗压强度值。

图4 各因素不同水平下的抗压强度折线图

图4显示水灰比在0.5时，浮石混凝土抗压强度值达到峰值。水灰比在0.3～0.4之间，水灰比的增加降低浮石混凝土抗压强度，反而不易于强度的增长。粉煤灰掺量存在谷值和峰值，当粉煤灰掺量为10%～15%时，抗压强度幅度提升，这说明掺入粉煤灰的作用有助于抗压强度的增长；而掺量在15%～20%时，抗压强度值浮动不明显。浮石掺量在30%～90%时，抗压强度随掺量的增加而增长，说明浮石代替粗骨料既能降低混凝土自重，又不减小其抗压强度。

3 结 论

本次试验利用正交设计调配浮石混凝土，以7 d和28 d抗压强度为参考指标，考虑了水胶比、粉煤灰掺量和浮石掺量3个因素的影响，得出以下结论：

1) 水胶比一定的条件下，利用粉煤灰等体积替换细骨料时，混凝土的抗压强度要比无掺入粉煤灰高。

2) 采用极差与方差展开对正交试验下抗压强度结果的分析。试验结果证明，在浮石混凝土各组成因素中，水胶比对其抗压强度变化的响应最明显。浮石混凝土各因素水平的最佳组合为 ：水胶比0.5、粉煤灰掺量15%、浮石替代率90%。