烧结粉煤灰陶粒混凝土工作性能及力学性能试验研究.pdf

文章编号：1 0 0 7 0 4 6 X( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 0 卜0 4 霪 烧结粉煤灰陶粒混凝土工作性能及力学性能试验研究 E x p e r i m e n t a l S t u d y o f Wo r k a b i l i t y a n d Me c h a n i c a l P e r f o r m a n c e o f S i n t e r e d F l y A s h A g g r e g a t e C o n c r e t e 孔哲，李秋义，张修勤，郭远新，谢汝朋 ( 蓝色经济g- r 程建设与安全协同创新中心， 青岛理工大学，山东青岛2 6 6 0 3 3 ) 摘要：通过采用粉煤灰烧结而成的陶粒作为轻集料 ，在不同的胶凝材料体系下掺加一定量的粉煤灰制备陶粒混凝 土。系统研究了胶凝材料用量与粉煤灰掺量对其工作性能和力学性能的影响。结果表明，胶凝材料总量为 3 0 0 k g m 且粉煤灰掺量为0 时混凝土净用水量达到最太，为1 5 1 k g m3 ；随着胶凝材料用量及粉煤灰掺量的增 加 ，其净用水量逐渐减 少；当粉煤灰掺量为1 5 时。陶粒混凝土的后期强度达到最高，胶凝材料 总量为 3 0 0 k g m 的2 8 d 强度为3 8 7 MP a ，相 比早期强度增大幅度达1 2 0 3 。 关键词： 陶粒混凝土；配合比；粉煤灰掺量；净用水量；抗压强度 中图分类号 ：T U 5 2 8 2 文献标志码 ：A 0 前 言 中国是以煤炭为主要能源的国家，其中 7 6 的电力 由煤炭供应 ，由于燃煤产生的粉煤灰总堆存量已超过了 1 0亿 t ，而且还在以每年 0 8 亿 一1 亿 t 的速度增加，因 此而成为世界上最大的排灰国 2 - 3 。粉煤灰存放不仅占用 了大量的土地，还会造成严重的环境污染 4 - 5 1 ，其中中国 西部地区这一现状尤为严重，因此粉煤灰的有效利用已 成为亟待解决的问题之一 【 6 1 。在我国，利用粉煤灰生产混 凝土用的轻集料是粉煤灰资源利用的发展方向之一，粉 煤灰烧结陶粒是以粉煤灰为原材料，经成球、热加工而 成的圆球形多孔轻质集料 7 - 8 。 本研究将粉煤灰作为矿物掺合料，采用陶粒全部取 代天然粗集料制备陶粒混凝土。按照 J G J 5 1 2 0 0 2 轻 骨料混凝土技术规程中的试验方法，测定陶粒混凝土 拌合物的净用水量及不同龄期的陶粒混凝土立方体抗压 强度，研究在不同胶凝材料体系下陶粒集料和粉煤灰掺 量对混凝土工作性能和力学性能的影响。 1 试验原材料 物理力学性能指标见表 1 。 陶粒：山西长治某陶粒厂生产的陶粒， 使用前预湿 处理，基本性能指标见表2 。 河砂： 符合 J G J 5 2 2 0 1 2 普通混凝土用砂石质量 及检验方法标准 要求， 级配良好， 细度模数为 2 4的中砂， 堆积密度为 1 4 8 9 k g m 。 。 粉煤灰：青岛电厂产 I 级灰。 外加剂：青岛市某建材公司生产聚羧酸高效减水剂。 水：自来水。 表 1 水泥的物理力学性能指标 项 目 吸水率 表观密度 堆积密度 0 5 h 1 h 3 h 6h k g k g r r i 指 标 姜 霎 萎 ，s s s 。 2 试验方案 水泥：山水水泥厂生产的 P O 4 2 5普通硅酸盐水泥， 本试验中体积砂率为 4 0 ，聚羧酸高效减水剂用量 基金项目：山 东省高校优秀科研创新团队计划资助 5 2 0 1 5 粉 煤灰 为胶凝材料用量的 1 2 ，通过调整用水量控制陶粒混凝 土的坍落度在 1 8 0 2 2 0 m m范围内。本试验同时考虑了以 下三个因素对陶粒混凝土性能的影响： ( 1 )胶凝材料用量：分别取 3 0 0 k g m 、3 5 0 k g m 、 4 0 0 k g m 、4 5 0 k g m 、5 0 0 k g m。 和 5 5 0 k g m ； ( 2 ) 粉煤灰掺量：依次取O 、1 5 、3 0 和4 5 ； ( 3 ) 试块养护龄期：3 d 、7 d和2 8 d 。 试验中陶粒混凝土的具体试验配合比见表 3 。 表 3 陶粒混凝土试验配合 比 3 试验结果与分析 本试验通过调整净用水量控制混凝土的坍落度在 1 8 0 2 2 0 m m 范围内，同时考虑了水泥用量、粉煤灰掺量 对陶粒混凝土净用水量以及抗压强度的影响。试验测得 的陶粒混凝土拌合物的净用水量以及不同龄期的抗压强 度值见表4 。 3 1 胶凝材料用量和粉煤灰掺量对陶粒混凝土工作 性能的影响 利用不同掺量的粉煤灰制备陶粒混凝土，测试其坍 落度工作性。胶凝材料用量不同时，试验测得不同粉煤 灰掺量下混凝土拌合物的净用水量变化情况， 如图1 所示。 2 COAL ASH 5 2 01 5 1 6 0 1 5O 1 4 0 1 3 0 器 1 2 0 l 1 0 1 0 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 胶凝材料总量 k g m 。 +线性 ( F A = O ) +线性 (F A = 1 5 ) 线性 (F A = 3 0 ) 一 * _线性 f F A = 4 5 ) 图 l 不同粉煤灰掺量时胶凝材料用量 与净用水量关系线性回归 表 4 陶粒混凝土的净用水量和抗压强度 由表4以及图1 分析可以得出以下结论： ( 1 )当陶粒混凝土的胶凝材料用量一定时，随着粉煤 灰掺量的增加，陶粒混凝土达到 1 8 0 2 2 0 m m的坍落度时 所需要的净用水量随之减少，总体呈现出不同程度的下 降趋势。其中在胶凝材料总量为 3 0 0 k g m 。 且粉煤灰掺量 为 0时混凝土净用水量达到最大 ， 为 1 5 1 k g m ， ，当粉煤 灰掺量依次为 1 5 、3 0 和 4 5 时，其各自陶粒混凝土 拌合物的最大净用水量分别达到 1 4 5 k g m 、1 2 6 k g m 和 1 1 9 k g m s ， 相比较未掺加粉煤灰的陶粒混凝土拌合物， 其净用水量分别减少了 4 0 、1 6 6 和 2 1 2 ，即随着 粉煤灰掺量的增加，陶粒混凝土拌合物的净用水量减小。 这是因为粉煤灰的密度小于水泥的密度，在胶凝材料用 量相同的情况下，粉煤灰明显增大了新拌混凝土的浆体 的体积，大量的浆体填充了集料间的空隙，提高了混凝 土的流动性，从而降低了混凝土拌合物的净用水量。 ( 2 )当陶粒混凝土的粉煤灰掺量一定时，随着胶凝 材料用量的增加，陶粒混凝土达到 1 8 0 2 2 0 m m的坍落度 时所需要的净用水量随之减少，总体呈现出不同程度的 下降趋势，其中在粉煤灰掺量为 0且胶凝材料总量为 3 0 0 k g m 时混凝土净用水量达到最大为 1 5 1 k g m ， 。当胶凝材 料 用 量 依 次 为 3 5 0 k g m 3 、4 0 0 k g m 4 5 0 k g m 、5 0 0 k g m 。 和 5 5 0 k g m 3时，其各自陶粒混凝土拌合物的最大 净用水量分别减少了 3 k g m 3 、3 k g m 3 、5 k g m 3 、9 k g m 3 和 1 2 k g m ，即随着胶凝材料用量的增加，陶粒混凝土拌 合物的净用水量逐渐减小。这是因为胶凝材料的增多会 使填充集料空隙的胶凝浆体增多，浆体的润滑作用增大 了混凝土的流动性，使达到所需坍落度的净用水量减少。 3 2 胶凝材料用量、净水胶比和粉煤灰掺量对陶粒 混凝土力学性能的影响 ， 在利用不同掺量的粉煤灰制备陶粒混凝土，养护至 一 定龄期后，测其立方体抗压强度，观察试块破坏的全 过程及其断裂面形态，可知，陶粒混凝土受压破坏时一 般分为以下三种情况： ( 1 ) 在早期或混凝土强度较低时，水泥砂浆的强度 低于陶粒的强度，立方体试块受压后，只有极少部分陶 粒被破坏，混凝土 3 d强度的断裂面破坏形态，主要为界 面破坏。 ( 2 )当混凝土强度高于陶粒强度时，水泥砂浆的强 度及弹性模量增大，立方体试块受压后，水泥砂浆承载 较多，先被破坏，应力重分布后，陶粒被压坏，使整个 混凝土结构破坏，混凝土 7 d强度的断裂面破坏形态，一 部分陶粒破坏。 ( 3 )当混凝土强度比陶粒强度大很多时，在荷载达 到混凝土强度之前，一部分陶粒先破坏，其荷载主要依 靠水泥砂浆来承担，此时，水泥砂浆的强度要高于混凝 土的强度，混凝土的破坏表现为脆性破坏，断裂面平整。 试验测得的陶粒混凝土标准养护 3 d 、7 d和 2 8 d 抗 压强度的变化情况如图2 7 所示。 4 0 0 3 0 0 譬 2 0 0 出 1 0 0 0 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 胶凝材料总量 k g n l 40 0 3 0 0 宝 警 2 0 0 出 1 0 0 0 0 皇 趟 酲 蝠 F A掺量 回归方程 相关系数 0 Y= 0 0 7 2 x 一 5 7 1 7 R = 0 9 9 5 1 5 Y = O 0 4 9 x + 1 2 1 6 R = 0 8 1 2 3 0 Y= 0 0 5 0 x 一 6 7 8 1 R = O 9 8 4 4 5 v = O 0 2 6 x 一 1 2 0 9 R = O 7 9 4 +线性 fF A = 0 ) 十线性 (F A = 1 5 ) +线性 (F A = 3 0 ) *线性 (F A = 4 5 ) 图 2 不同粉煤灰掺量时胶凝材料用量 与 3 d抗压强度关系线性回归 F A掺量 回归方程 相关系数 0 y ： 0 0 5 0 x 9 0 0 2 R ： 0 7 0 8 1 5 Y = 0 0 5 6 x + 6 5 2 1 R = 0 7 3 6 3 0 Y= 0 0 6 5 x 一 3 7 l 3 R = O 9 6 5 4 5 v = O 0 4 7 x 一 1 2 6 2 R 2 = 0 9 4 4 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 胶凝材料总量 k g m _ _ 线性( F A = 0 ) +线性 ( F A = 1 5 ) +线性 ( F A = 3 0 ) * _线性( F A = 4 5 ) 图 3 不同粉煤灰掺量时胶凝材料用量 与 7 d抗压强度关系线性回归 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 胶凝材料总量 k g -m F A掺量 回归方程 相关系数 0 Y= 0 0 7 0 x + 1 0 8 5 R = 0 9 3 8 1 5 Y= 0 0 5 2 x + 2 3 8 4 R = 0 9 5 0 30 Y= O 08 4 x 一0 1 1 5 R =0 91 1 4 5 Y= O 0 5 3 x - 8 1 5 3 R = O 9 1 7 +线性( F A = 0 ) +线性( F A = 1 5 ) _ -线性( F A = 3 0 ) _ * _线性( F A = 4 5 ) 图 4 不同粉煤灰掺时胶凝材料用量 与 2 8 d抗压强度关系线性回归 回归方程 相关系数 v= - 7 2 2 9 x + 5 1 1 4 R = 0 9 7 2 Y= - 4 9 5 7 x + 3 8 1 6 R ： 0 8 8 7 y= 一 5 5 1 4 x + 3 0 7 5 R 2 = 0 9 6 3 Y= 一 3 3 7 7 x + 1 9 5 3 R = 0 8 9 7 +线性 ( F A = 0 ) +线性 ( F A = 1 5 ) 线性 ( F A = 3 0 ) _ * _线性 ( F A = 4 5 ) 图 5 不同粉煤灰掺量时净水胶比 与 3 d抗压强度关系线性回归 5 2 o 1 5 粉煤灰 3 0 O 0 0 0 O 如 加 m F A掺量 回归方程 相关系数 0 v- 4 9 8 t x + 4 8 2 6 R = O 6 8 6 1 5 Y = 一 5 8 9 4 x + 4 9 3 0 R2 = 0 8 7 9 3 0 一 7 1 9 4 x + 4 4 9 4 W = O 9 6 6 4 S v 一 5 7 0 S x + 3 4 6 5 ： o 9 7 3 +线性 ( F A = 0 ) +线性f F A = 1 5 ) 线性( F A = 3 0 ) *一 线性( F A = 4 5 ) 净水胶比 图 6 不同粉煤灰掺量时净水胶比 与 7 d 抗压强度关系线性回归 A 掺量 回归方程 相关系数 0 Y- - 6 8 5 2 x + 6 5 6 0 R = 0 8 6 5 1 5 Y= 一 5 0 0 2 + 6 2 o o R = 0 9 5 3 3 0 Y = 一 9 4 8 0 x + 6 3 o l R - o 9 6 4 4 5 Y 一 6 6 0 7 x + 4 9 4 1 R = 0 9 7 4 线性f F A = 0 ) 一线性fF A = 1 5 1 线性f F A = 3 0 ) *线性( F A = 4 5 ) 图 7 不同粉煤灰掺量时净水胶E 匕 与 2 8 d抗压强度关系线性回归 由表 4以及图2 7分析可得以下结论： ( 1 ) 随着胶凝材料用量的增加，陶粒混凝土立方体 抗压强度逐渐增大。分析粉煤灰掺量为 1 5 时的2 8 d强 度可知，胶凝材料用量为 3 0 0 k g m 3 时为 3 8 7 M P a ；随着 胶凝材料用量的增加至 5 5 0 k g r n 3 时，其抗压强度为 5 1 3 MP a ，增长幅度约 3 2 6 。 ( 2 ) 随着粉煤灰掺量的增加，陶粒混凝土的早期抗 压强度逐渐减小，如图 2 、3所示的 3 d 、7 d抗压强度。 当养护龄期增长达到 2 8 d时，粉煤灰掺量为 1 5 的抗压 强度最大， 说明粉煤灰在早期只起填充作用，活性没有 被充分激发出来，而随着粉煤灰中活性 S i O ， 和 A 1 ， 0 与 水泥水化产物 C a ( O H ) 作用，生成具有胶凝性质的二次产 物， 强化了集料界面的粘结力， 提高了混凝土的后期强度， 表明粉煤灰需要较长的时间才能有效地发挥其活性，且 最佳掺量为 1 5 。 ( 3 ) 随着净水胶比的降低，陶粒混凝土的抗压强度 会有一定的提高。但由于轻集料混凝土集料分布不均匀， 因此降低净水胶比时，轻集料混凝土抗压强度的提高幅 度要小于普通混凝土。 4 coAL ASH 5 201 5 4 结 论 ( 1 ) 随着胶凝材料用量的增加， 其净用水量逐渐减小， 其中 在胶凝材料总量为3 0 0 k g m 且粉煤灰掺量为0 时混 凝土净用水量达到最大为 1 5 1 k g m 3 ， 当粉煤灰掺量为 4 5 时，其最大净用水量为 1 1 9 k g m ， 相比较未掺加粉 煤灰的陶粒混凝土拌合物减少了2 1 2 。 ( 2 ) 当 粉煤灰掺量为1 5 时，陶 粒混凝土的2 8 d 抗 压强度相比 3 d时增加约 8 0 5 ，即粉煤灰对提高陶粒混 凝土的后期强度有较明显的作用。随着粉煤灰掺量的增 加，其抗压强度随之减小，且最佳掺量为 1 5 。 ( 3 ) 随着净水胶比的降低，陶粒混凝土的抗压强度 会有一定的提高，但其提高幅度小于普通混凝土。 ( 4) 粉煤灰不仅可以改善混凝土的工作性能，还可 以降低陶粒混凝土的成本，对于粉煤灰资源化利用具有 重要的现实意义。 参考文献 1 孙德强，丁建彤，郭玉顺 采用不同陶粒的轻质混凝土普通混凝土 的水渗性和氯离子渗透性比较【 J 】 混凝土， 2 0 0 5 ， 1 8 4 ( 2 ) ： 3 6 3 8 2 刘巽伯， 计亦奇从混凝土的性能看陶粒的吸水性能 J 建筑技 术开发， 2 0 0 1 ， 2 8 ( 9 ) ： 2 4 - 2 6 3 】李寿德，陈烈芳，宋淑敏我国人造轻骨料及轻骨料混凝土的现状 与发展概况 J 砖瓦， 2 0 0 6 ( 2 ) ：1 7 2 0 4 】AL S HI HR I B M， A Z MY A M， E1 一 B I S Y M S N e u r a l n e t wo r k s f o r p r e d i c t i n g c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f s t r u c t u r a l l i g h t we i g h t c o n c r e t e 【 J 】 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ，2 0 0 9 ， 2 3 ( 6 )： 2 2 1 4 2 2 1 9 5 5 C HI A K S Z H A NG M H Wa t e r p e r me a b i l i t y a n d c h l o r i d e p e n e t r a b i l i ty o f h i g h - s t r e n g t h l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e J Ce me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 2 ， 3 2 ： 6 3 96 45 6 邵永健 轻骨料混凝土材料的强度指标及其统计参数 J 工业建筑 2 0 0 7 ( 8 ) ： 8 2 - 8 5 7 程多松，尚建丽， 孙立春，等轻集料混凝土早期强度预测的试 验研究 J 】 混凝土， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 3 2 3 4 8 S HE N D S ，QU Q Y，L I Y HP h i l o s o p h y o f mi x e s p r o p o r t i o n i n g o f f l y a s h c o n c r e t e-p o t e n t i a l i z a t i o n C 】 Na n j i n g ： I n t e r n a t i o n a l Sy m - po s i um o n Ne w De ve l o p m e n t i n Con c r e t e Sc i e n c e a n d Te c hn o l o g y ， 1 9 9 5 作者简介：孔哲 ( 1 9 9 l 一)，女，山东省济宁人，硕士研究生，主要从 事建筑材料的应用研究。 E m a i l ：5 8 2 1 2 9 3 5 2 q q c o m 。 李秋义 ( 1 9 6 3 一 )， 男，黑龙江人，博士，教授，博士生导师， 主要从 事建筑材料研究。E m a i l ： l q y y x n 1 6 3 t o m。 通信地址：山 东省青岛市 市北区抚顺路1 1 号 青岛理工大学土木工程学院 ( 2 6 6 0 3 3 ) 收稿日期： 2 0 1 5年 3月 3 0日