火山渣混凝土力学性能优化试验研究

肖力光，张金宏，刘燕峰

1吉林建筑大学 材料科学与工程学院，长春 130118

2吉林省保障性住房建设投资有限公司，长春 130012

0 引言

混凝土是我国建筑行业中使用最广泛的建筑材料之一,轻质高强绿色环保是混凝土的发展方向,火山渣是火山爆发的产物,是一种天然轻骨料,世界各国研究人员对火山渣混凝土在建筑上的应用进行了大量研究.Aho等[1]人研究发现,火山渣可作为粗骨料用于生产轻骨料混凝土,该混凝土具有足够的强度,有利于降低建筑结构中的恒荷载;李晟[2]利用火山渣为骨料制备出具有良好透水性能的透水混凝土用于道路市政路面；在轻质结构混凝土的生产过程中,利用火山渣和硅灰、粉煤灰矿物掺合料配制的的火山渣轻骨料混凝土,其在比强度方面表现出色[3].蹇守卫等[4]人利用水稻秸秆对水泥基材料进行研究发现,水泥基材料的韧性得到明显增强;Xijun Zhang等[5]人利用聚合物制备出的水泥砂浆能够更好的解决传统砂浆耐久性和韧性较差的缺点.

但由于火山渣质量较轻,在制备火山渣轻骨料混凝土过程中容易出现分层离析强度低,严重影响了火山渣轻骨料混凝土的工程应用,本试验研究的意义在于,通过对火山渣混凝土中掺加适量泡沫剂、聚合物和秸秆纤维提高其和易性改善火山渣混凝土的力学性能.

1 实验设计

1.1 原材料

水泥: 长春亚泰水泥厂生产的P.042.5普通硅酸盐水泥,28 d抗压强度为45.5 MPa.

火山渣: 来自于吉林省辉南县,粒径为0.15 mm～4.75 mm细骨料,5 mm～12 mm为粗骨料,火山渣主要化学成分、物理力学性能见表1，表2.

表1 火山渣主要化学成分

表2 火山渣物理力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of scoria slag

1.2 实验设计

为了研究秸秆纤维、聚合物和泡沫剂对火山渣混凝土力学性能的影响,参照JGJ55《普通混凝土配合比设计规程》[6]在基准配合比基础上按照聚合物(A1-1 %，A2-2 %，A3-4 %，A4-8 %，A5-16 %);泡沫剂(B1-0.01 %，B2-0.05 %，B3-0.1 %，B4-0.2 %，B5-0.3 %);秸秆纤维(C1-1 %，C2-2 %，C3-3 %，C4-4 %，C5-5 %),分别制备出单掺聚合物、泡沫剂、秸秆纤维的火山渣混凝土试块.

依据单掺试验的实验结果,制备聚合物、泡沫剂和秸秆纤维复掺的火山渣混凝土试块,在实验过程中的水胶比保持0.60不变,利用正交试验对配合比进行设计见表3.标准养护28 d按照GB/T 50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》对混凝土试块进行力学性能测试.

表3 正交试验设计Table 3 Orthogonal design

2 实验结果与讨论

2.1 聚合物对火山渣混凝土力学性能的影响

加入聚合物的目的是改善火山渣混凝土和易性,有效解决火山渣混凝土的分层问题,聚合物能够稳定附着在水泥颗粒表面上,对保水性起着重要作用.

从图1中可以看出,随着聚合物掺量的增加,火山渣混凝土抗压强度先增加后降低,并在掺量为2 %时,混凝土7 d和28 d抗压强度达到最大值36.8 MPa.根据与未掺聚合物时相比抗压强度提高了20.7 %,聚合物最佳掺量为2 %.

图1 聚合物对火山渣混凝土抗压强度的影响Fig.1 Compressive strength of single doped polymer

2.2 泡沫剂对火山渣混凝土抗压强度的影响

由图2看出,B1组(泡沫剂掺量0.01 %)火山渣混凝土28 d抗压强度达到32 MPa,较未掺泡沫剂时抗压强度相比提高了4.9 %,随着泡沫剂掺量的增加发现火山渣混凝土抗压强度呈一种不规则的变化下降.少量泡沫剂的掺入使火山渣混凝土中的轻骨料分散均匀和易性提高,抗压强度略有提高且使得火山渣混凝土封闭孔增加,经过实验测试发现火山渣混凝土抗冻性同时得到提高,泡沫剂最佳掺量为0.01 %.

图2 泡沫剂对火山渣混凝土抗压强度的影响Fig.2 Compressive strength of single foam additive

2.3 秸秆纤维对火山渣混凝土抗压强度的影响

由图3可以看出,在秸秆纤维掺量为1 %和2 %

图3 秸秆纤维对火山渣混凝土抗压强度的影响Fig.3 Compressive strength of single straw doped fiber

时,火山渣混凝土7 d抗压强度基本一致,但随着掺量的增加混凝土抗压强度急剧降低;在28 d时发现掺量为1 %时明显高于2 %的抗压强度,且随着掺量的增加混凝土抗压强度呈下降趋势.

另外，在对试块进行抗压强度测试时发现,掺入秸秆纤维后的火山渣混凝土试块的破坏形式不是原来的脆性破坏,而是塑性破坏,证明掺入秸秆纤维后火山渣混凝土的脆性减低塑性提高,可以大大提高建筑物的抗地震性能.秸秆纤维最佳掺量为1 %.

2.4 聚合物、泡沫剂、秸秆纤维复掺对火山渣混凝土抗压强度的影响

当聚合物、泡沫剂、秸秆纤维同时掺入混凝土中时,泡沫剂产生的气泡和聚合物的凝胶颗粒起到“滚珠”作用,使得秸秆纤维以及火山渣混凝土的孔隙率降低,大大的改善了混凝土内部的流动性,通过抗压试验看到试块破坏时呈“漏斗”状开裂且开裂时并没有全部“炸开”,由此可以看出混凝土为脆性破坏,且混凝土抗震性能增强.

由表4可以看出,测试结果分为三组:第一组D1-D3;第二组D4-D6;第三组D7-D9,在每一组测试结果中7 d和28 d抗压强度均呈下降趋势,且在D4时抗压强度7 d和28 d分别达到最大值,再对其进行50次冻融循环测试发现该组抗冻性能标准最佳.

表4 正交试验结果测试

根据实验结果分析,当聚合物掺量为2 %、泡沫剂掺量为0.01 %、秸秆掺量为2 %时,火山渣混凝土抗压强度、抗冻性能达到最佳.

3 结论

(1) 聚合物的掺入使得混凝土内部出现凝胶颗粒，在混凝土内部中凝胶颗粒使得各成分之间的黏结性增强,从而使得混凝土内部结构更加稳定,当聚合物掺量为2 %时,火山渣混凝土抗压强度得到极大地提高.

(2) 泡沫剂的掺入使得火山渣内部的孔隙得到有效地填充,当泡沫剂掺量为0.01 %时,火山渣混凝土抗压强度有小幅度提高,密闭孔的加入使得混凝土抗冻性能得到改善.

(3) 秸秆纤维通过碱处理后,由于表面糖分的缺失使得秸秆表面粗糙,掺入混凝土中使得各成份间的摩擦力增大能够很好抑制混凝土内部的流动性,当秸秆纤维掺量为1 %时,混凝土28 d抗压强度达到最大值.

(4) 将泡沫剂、聚合物和秸秆纤维复掺于火山渣混凝土中,会使火山渣混凝土性能得到明显改善,火山渣混凝土抗压强度得到明显提高,优于各组分单掺,能够有效地解决火山渣混凝土中由于骨料轻产生的分层离析问题.