蒸压陶粒轻骨料混凝土的力学性能研究

王冬云,崔 崇,项 洲,孙宇航

(1.黄冈师范学院 建筑工程学院,湖北 黄冈 438000;2.黄冈市生态建筑与可再生资源研究中心,湖北 黄冈 438000;3.南京理工大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 210094)

混凝土具有成本低、强度高和耐久性能良好的特点,在高层建筑、大跨度桥梁、水力工程等建设领域内得到广泛的应用[1-2],是一种消耗量最大的人造材料。据统计,混凝土每年消耗量可达100亿吨。在混凝土原材料中,石子消耗量最大,约占混凝土总体积的40%～50%。也就是说,每年将有至少40亿吨的石子被消耗。石子是一种天然不可再生资源,需从矿山中开采,这不仅破坏生态环境,也使得矿产资源不断被消耗[3-5]。许多学者利用粘土、页岩或者工业固废制备人造陶粒来取代石子。陶粒混凝土不仅轻质高强,而且具备优异的保温隔热和抗震性[6-8]。目前,在我国市场上的轻骨料主要有烧结陶粒轻骨料混凝土和免烧结陶粒轻骨料混凝土,以及南京理工大学团队研发的蒸压陶粒轻骨料混凝土。

蒸压陶粒是一种粒径大于5mm的新型人造硅酸盐粒子,它是以火山灰(或具有火山灰特质原料)和石英砂为硅质原料,采用适量水泥和氧化钙为钙质材料,外掺适量添加剂、水,经搅拌混合、造粒、静养和蒸压养护工艺制备而成[9-10]。前期研究[10-14]已发现,在具有相同的水泥砂浆基体条件下,蒸压陶粒轻骨料混凝土具有与普通混凝土相当的强度,但密度却降低17.5%。这说明蒸压陶粒有比石子在混凝土中更强的市场竞争力。但蒸压陶粒轻骨料混凝土的研究仅处于起步阶段,有必要对其力学性能展开进一步研究。

力学性能决定了混凝土抵抗外力产生的某种应力的能力。立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均是混凝土力学性能的重要特征,分别决定了混凝土的强度等级和混凝土的抗裂能力[1]。而水灰比是影响混凝土强度的重要因素之一[15],另外,密度决定混凝土的自重,影响材料的结构效率,而超声波可以对混凝土的强度进行无损检测[16]。基于此,本研究开展了水灰比对蒸压陶粒轻骨料混凝土密度、立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和超声波声速的研究,以期为蒸压陶粒在工程中的应用提供理论价值和技术支撑。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

粗骨料分别为蒸压陶粒和石子。蒸压陶粒为浙江中劲环保科技有限公司实验室自制。河砂,作为混凝土中的细骨料,表观密度为2.64g/cm3,细度模数为2.4。选用的水泥是南京小野田公司生产的普通硅酸盐水泥。

1.2 配合比设计

表1为混凝土的配合比设计。陶粒混凝土编号为M1～M5,对应的水灰比分别为0.3、0.35、0.4、0.45和0.5。在混凝土配合比中,水泥用量和陶粒用量分别固定为430kg/m3和763kg/m3。减水剂是聚羧酸减水剂,减水率30%,以使混凝土拌合物达到合适的坍落度。

表1 混凝土配合比设计

拌合前,陶粒在水中预先浸泡1小时。然后,用湿毛巾擦干预湿陶粒至饱和面干状态,将混凝土拌合物浇筑至70.7mm×70.7mm×70.7 mm的立方体模具中,振动成型,覆盖塑料保鲜膜至混凝土表面,室内静置24小时后拆模,放入20±2 ℃的水中养护至需要规定的龄期。

1.3 测试方法

混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度依据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[17]进行测试。

2 结果和讨论

2.1 干表观密度

陶粒混凝土的28d干表观密度见表2。可见,随着水灰比的增加,陶粒混凝土的干表观密度逐渐降低,这是由于水灰比增加,混凝土密实度降低。

表2 陶粒混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和干表观密度

JGJ51-2002[18]规定干表现密度小于1 950kg/m3的混凝土可定义为轻骨料混凝土,密度等级介于1 950～2 300kg/m3之间的混凝土定义为次轻混凝土。编号M1、M2混凝土干表观密度分别为1 988 kg/m3、1 954kg/m3,介于1 950～2 300kg/m3之间,为次轻混凝土;M3-M5的干表观密度小于1 950kg/m3,为轻骨料混凝土。

2.2 陶粒混凝土的抗压强度

陶粒混凝土不同龄期(1d、3d、7d和28d)的强度见表2。随着水灰比从0.3升高0.5,混凝土在不同龄期的强度均降低。原因在于,水灰比升高导致多余水分增加,多余水分蒸发形成气孔,减少了混凝土抵抗荷载的有效断面,在荷载作用下,孔隙周围产生了应力集中,使得水灰比增加混凝土强度降低。

陶粒混凝土7d强度是28d强度的84%～92%。对于普通混凝土,7d强度仅是28d强度的70%～80%。说明陶粒混凝土具有早强的特征。另外,还发现1d和3d的陶粒混凝土强度分别是28d强度的37%～66%和73%～76%。

编号M1～M5的28d抗压强度分别为66.9MPa、74MPa、50.5MPa、39.8MPa和34.8MPa。GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[19]规定混凝土强度等级高于C15,可作为结构混凝土使用,制备的混凝土强度等级均高于C15,满足结构混凝土要求。

强度预测模型有助于混凝土的施工质量控制,可以做到结构混凝土存在质量问题早发现,早解决。其存在对于加快施工进度,缩短施工周期具有较为重要的意义。因此,根据1d、3d、7d和28d 的强度,通过拟合,构建了陶粒混凝土强度的预测模型,结果见图1。可以发现,陶粒混凝土的早期强度(1d、3d和7d)和28d抗压强度有较好的线性关系。

图1 陶粒混凝土的早期强度(1d、3d、7d)与28d抗压强度之间的关系

2.3 劈裂抗拉强度

混凝土是一种典型的脆性材料,在外界荷载作用较小就会出现裂缝。混凝土的抗拉强度很小,一般只有抗压强度的1/10～1/20,且随着混凝土强度等级提高,拉压比值减小,混凝土脆性增加,更易出现裂缝。混凝土在工作时不依靠抗拉强度,但抗拉强度对于开裂性有重要意义。在结构设计中,抗拉强度是确定混凝土抗裂能力的重要指标,是混凝土结构构件正常使用极限状态裂缝控制验算的重要指标。在《混凝土结构设计规范》[19]中规定,钢筋混凝土和预应力混凝土构件,应按规定进行受拉边缘应力或正截面裂缝宽度验算。

混凝土抗拉强度可采用直接测试法和劈裂试验测得,分别称为轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度。为了保证结构混凝土的正常使用,规范对抗拉强度指标作了具体规定。GB50010-2010[19]规定结构混凝土的轴心抗拉强度不低于1.27MPa。ASTM C330/C330M-2017[20]规定可作为结构用的混凝土的劈裂抗拉强度不低于2MPa。

M1～M5的28d劈裂抗拉强度分别为7.57MPa、8.33MPa、5.05MPa、4.61MPa和3.84MPa,陶粒混凝土的劈裂抗拉强度为3.84～8.33 MPa,大于2MPa,满足要求。陶粒混凝土的劈裂抗拉强度随着抗压强度的增大而增大。根据表1结果拟合,可发现陶粒混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度有很强的指数关系,结果见图2。

图2 陶粒混凝土28d抗压强度与劈裂抗拉强度之间的关系

2.4 超声波声速

波在固体、气体和液体中的传播速度不同,因此混凝土强度和缺陷通常也采用超声法进行无损检测。已有较多研究对石子混凝土和轻骨料混凝土超声波声速进行了检测,但关于蒸压轻骨料混凝土的超声波声速报道还很少。因此,对陶粒混凝土的超声波声速进行测定,结果见表3。

表3 陶粒混凝土的超声波声速(m·s-1)

由表3可以发现,随着龄期的增加,水泥继续水化,混凝土变得致密,它的超声波声速逐渐增加;水灰比增加,孔隙增多,混凝土的超声波声速降低。图3拟合了超声波声速与混凝土强度之间的关系。可见,强度与声速之间的拟合度很好,存在良好的指数关系。

图3 陶粒混凝土抗压强度与超声波声速之间的关系

通过本实验,可以得出以下结论:蒸压陶粒轻骨料混凝土在1d、3d和7d的强度分别是28d强度的37%～66%、73%～76%和84%～92%。劈裂抗拉强度满足结构混凝土的要求。陶粒混凝土1d、3d和7d的抗压强度与28强度具有良好的线性关系;28d劈裂抗拉强度与28d抗压强度有良好的指数关系,陶粒混凝土的强度与超声波声速存在较强的指数关系。该研究成果将为蒸压陶粒在混凝土中的应用提供技术支撑。