粉煤灰陶粒混凝土的研究*

祁会军，张慧爱，李彦岗，蒋瑞斌

（1.山西职业技术学院，山西 太原 030006；2.山西中旺伟业建材科技有限公司，山西 太原 030031）

随着社会的发展，越来越多的建筑对混凝土提出了新的要求，混凝土不仅强度要高，耐久性要好，质量还要轻。采用高强轻骨料混凝土建设超高层建筑、大跨度桥梁等工程在上海、天津、南京、湖北、珠海、北京、昆明等地成功应用，技术和经济指标较佳[1]。轻质高强混凝土（HSLC）已成为了当今世界混凝土技术的发展方向之一。粉煤灰陶粒具有质轻、利废、环保等特点，用粉煤灰陶粒配制的混凝土称为粉煤灰陶粒混凝土，其特点是重量轻，耐久性和保温隔热性好，更难能可贵的是抗震性好，体现出明显的经济、社会效益[2]。

本试验以粉煤灰陶粒作为混凝土用轻骨料，以水泥、粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰作为胶凝材料，采用聚羧酸高性能减水剂来配制LC80轻质高强大流动性混凝土，以利于工程施工。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：考虑实用性，目前混凝土搅拌站大多数采用P·O42.5普通硅酸盐水泥进行生产，因此本实验采用的是山西吉港水泥有限公司生成的P·O42.5普通硅酸盐水泥，其主要物理性能指标见表1。

表1 水泥的主要物理性能指标

（2）粒化高炉矿渣粉：太原钢铁集团公司生产的S95级粒化高炉矿渣粉，其物理性能指标见表2。

表2 粒化高炉矿渣粉物理性能指标

（3）粉煤灰：太原第二热电厂生产的I级粉煤灰，其物理性能指标见表3。

表3 粉煤灰物理性能指标

（4）硅灰：外购，其平均粒径为0.1 μm，比表面积为1.5×104m2/kg，体积质量为 2.26 g/cm3。

（5）减水剂：山西华凯伟业科技有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，其物理性能指标见表4。

表4 聚羧酸高性能减水剂物理性能指标

（6）粉煤灰陶粒：外购，粉煤灰陶粒有3～5 mm和5～10 mm两种，其物理性能指标见表5，6。

表5 5～10 mm粉煤灰陶粒物理性能指标

2 实验方法

本实验采用粉煤灰陶粒全部作为轻骨料来进行轻质高强大流动性混凝土LC80的配制。拟采取粉煤灰陶粒骨料作为填充和强度的补充，胶凝材料作为强度的主要来源进行混凝土的配合比设计。

表6 3～50mm粉煤灰陶粒物理性能指标

2.1 设计要求

考虑到混凝土泵送的需要，故和易性要求拌合的混凝土的坍落度在160 mm以上，质量均匀，无骨料上浮现象和泌水、离析现象；表观密度：达到轻质混凝土的要求，表观密度不超过1 900 kg/m3；抗压强度：考虑到施工性能，28 d混凝土立方体抗压强度配合比试配强度94.0 MPa。

2.2 配合比设计

为保证混凝土的强度和耐久性，在配合比设计过程中，部分内容参考了JGJ/T 12—2019《轻骨料混凝土应用技术规程》、JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》和JGJ/T 281—2012《高强混凝土应用技术规程》等标准，共选取水胶比0.18、0.20、0.22、0.24、0.26、0.28来进行混凝土的配合比设计，根据不同水胶比和陶粒掺量共设计18组配合比。在进行配合比设计过程中考虑到轻质高强大流动性混凝土的水泥石结构密实性，降低混凝土浆体的表观密度，提高胶凝材料强度。由于硅灰对强度有更好的促进作用[6]，根据经验数据，向晓峰[7]等配制高强轻骨料混凝土硅灰掺量一般在10%左右，本试验采取硅灰掺量为10%，粉煤灰掺量为20%，粒化高炉矿渣粉掺量为20%。设计配合比见表7。

表7 混凝土试验配合比 kg/m3

2.3 混凝土拌制

本试验考虑到粉煤灰陶粒属于多孔结构，具有吸水性，可以降低集料周围浆体的水胶比，会在拌合过程中造成混凝土拌合物的流动性减小，而且粉煤灰陶粒密度较小，容易在混凝土拌合物中出现上浮的现象。故预先对粉煤灰陶粒进行了预湿处理，拌合过程中采用强制式混凝土搅拌机，先进行浆体的拌制，再将预湿处理后的陶粒加入混凝土中进行搅拌1～2 min，直至拌合均匀。

2.4 最佳配合比

2.4.1 混凝土工作性

和易性又称工作性，是指混凝土拌合物在一定的施工条件下，便于各种施工工序的操作，以保证获得均匀密实的混凝土性能。和易性是一项综合技术指标，包括流动性（稠度）、粘聚性和保水性三个主要方面。从混凝土出机状态来看，混凝土拌合物的和易性良好，流动性大，骨料包裹性好，没有出现骨料上浮、离析、泌水现象，能满足施工操作要求。

在混凝土中加入硅灰、粉煤灰等掺合料：①由于硅灰具有很高的无定形SiO2成分，其颗粒致密而极其微小，在拌和过程中，硅灰颗粒能够对混凝土内部大量自由水进行约束，减少了混凝土拌合物的泌水，改善了混凝土内部的级配，使得混凝土的粘聚性，粘滞性增强，有效防止了拌合物出现离析、泌水，抑制了粉煤灰陶粒出现上浮现象。②粉煤灰颗粒大部分是球形的玻璃微珠，粒径较细，可以有效改善胶凝材料的颗粒级配，使得水泥颗粒均匀分散，释放出空隙中的水，降低混凝土用水量，使混凝土具有较好的流动性和较大黏度。

按照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》标准中坍落度试验方法来进行混凝土拌合物坍落度的测定，扩展度试验方法来进行混凝土拌合物扩展度的测定，测定结果见图3。从图中可以看出，随着水胶比的增大混凝土坍落度及坍落扩展度均出现增大，这是由于随着水胶比增大，水的用量增加，胶凝材料用量减少，使得混凝土拌合物的浆体变稀，流动性增大，但流动性的增加会逐渐减小。从本次试验的6组18小组配合比中，每组选取最佳效果的一个混凝土X*来进行比较。从图3中可以看到选出的6个配合比的流动性均能满足混凝土拌合物性能要求，达到泵送的施工条件要求。

图3 混凝土坍落度及坍落扩展度

2.4.2 混凝土的强度

按照GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定，采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试模，成型混凝土试件，静置24 h脱模，在标准养护箱内标养28 d后，采用标准规定的抗压强度试验方法进行混凝土抗压强度检测。试验过程中，粉煤灰陶粒混凝土在压力机的荷载作用下，随着压力的增大，混凝土试件会发出细小的开裂声，直至在混凝土的侧面出现竖向的裂缝，最终达到混凝土的极限抗压强度。从图2混凝土破型后情况来看，可以看到混凝土中水泥石结构致密，水泥石和陶粒紧密连接在一起，陶粒内部破碎，结合相关资料分析主要是由于陶粒表面粗糙，陶粒内的水分具有一定的养护作用，随着水泥水化的进行，当浆体中水分不足时，陶粒中所吸收的水分释放出来，对界面层水泥石进行养护，因而形成加强的界面[8]。

从图4中可以看出，混凝土试件随着表观密度的增大，轻骨料混凝土的强度也在不断上升，抗压强度与表观密度基本是线性关系。这是由于随着水胶比的逐渐减小，胶凝材料的增加，粉煤灰陶粒用量的降低，在一定范围内作为降低混凝土轻质来源的陶粒的数量在减少，而作为承重体系的浆体相数量在增大。均有利于提高混凝土的强度，但其表观密度也会增大。

图4 混凝土表观密度和28 d抗压强度的关系

从图5中可以看出，本试验轻质高强大流动性混凝土在早期强度增长最快，7 d到28 d增长趋势逐渐变缓，28 d后增长缓慢，表观密度为1 730 kg/m3的轻骨料混凝土立方体抗压强度7 d能够达到28 d强度的80%左右，但表观密度为1 960 kg/m3的轻骨料混凝土7 d到28 d立方体抗压强度增加更为明显。由此可见，随着龄期的增加混凝土的立方体抗压强度也在逐渐变大，但其趋势会逐渐变缓。这是由于随着胶凝材料的增加，混凝土的表观密度增大，水泥水化产物增多，胶凝材料中的粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、硅灰中的SiO2、Al2O3与水泥水化产物Ca（OH）2作用，生成具有胶凝性质的二次产物，逐渐填充水泥石内部的空隙，增强了骨料界面之间的粘结力，随着养护龄期的延长，混凝土的内部结构愈发密实，混凝土的立方体抗压强度也逐渐变大。从图5中可以看出编号为1和2的两组混凝土28 d抗压立方体强度均达到了LC80混凝土的设计强度。

图5 混凝土龄期和立方体抗压强度的关系

综合分析可以得出，水胶比为0.20的混凝土配合比，其坍落度为180 mm，表观密度为1 860 kg/m3，28 d的混凝土强度为95.2 MPa，满足设计强度，此混凝土配合比为最佳配比。

3 结论

（1）采用粉煤灰陶粒作为骨料，可制备出表观密度不大于1900kg/m3、强度为LC80的高强轻质大流动性混凝土。

（2）增加胶凝材料用量、降低水胶比、降低粉煤灰陶粒的掺量均有利于提高粉煤灰陶粒混凝土的强度，但表观密度会有一定的影响。