多相复合轻骨料混凝土制备及其性能试验研究.pdf

2 0 1 3年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C H I N A C O N C R E T E A N D C E ME N T P R O D U C T S 201 3 No 8 Au g us t 多相复合轻骨料混凝土制备及其性能试验研究 麻建锁 ， 孙 婧 ， 蔡焕琴 ， 白润 山 ( 河 北建 筑工 程学 院 ， 张 家 口 0 7 5 0 0 0 ) 摘要 ： 利用-,4 - 农作物玉米秸秆、 橡胶颗粒 、 聚苯颗粒及天然浮石作为轻骨料 ， 与水 泥等原料 复合制备成一种 新型 多相 复合轻骨料混凝 土。研 究了四种原材料的预处理方法 、 多相复合轻 骨料混凝 土的制备 工艺及配合 比设计 并对混凝土的和 易性 、 力学性 能和表观 密度 等性 能进行 了测定。结果表 明， 原材料 经预处理后 ， 可与水泥形成 良好的 界面结合 ， 提 高硬化 混凝 土的性 能。 多相复合 的轻骨料混凝土 可实现 自然条件下的养护。 配比 中。 -3秸秆纤维与聚苯 颗粒总掺量 3 5 ， 浮石掺 量3 0 时即可保证 混凝土获得 良好的和易性、 一定的强度和较小的表 观密度。 关键 词 ： 轻骨料混凝土 ； 多相 复合 ； 节能利废 ： 综合性 能 Ab s t r a c t ：A n e w mu l t i p h a s e l i g h t w e i g b t a g g r e g a t e s c o n c r e t e i s ma d e o f c e me n t ， n a t u r a l p u mi c e ， a b a n d o n e d c r o p C O 1T I s t r a w， r u b b e r p a r t i c l e s a n d p o l y s t y r e n e p a r t i c l e s w h i c h a r e ma d e f r o m i n d u s t r i a l wa s t e s T h e r e s e a r c h i s f o c u s e d o n t h e p r e t r e a t me n t me t h o d o f f o u r k i n d s o f r a w ma t e r i a l s ，t h e p r e p a r a t i o n p r o c e s s o f c o mp o s i t e l i g h t we i g h t c o n c r e t e a n d c o n c r e t e mi x d e s i g n T h e p e rf o r ma n c e o f c o n c r e t e s u c h a s t h e w o r k a b i l i t y ， me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d a p p a r e n t d e n s i t y a r e t e s t e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t r a w ma t e ri a l s c a n f o l if t a g o o d i n t e r f a c e wi t h t h e c e me n t a f t e r t h e p r e t r e a t me n t ， a n d t h e D r o p e r t i e s o f h a r d e n e d c o n c r e t e w i l l b e i mp r o v e d e c u ri n g o f t h e mu h i p h a s e l i g h t we i g h t a g g r e g a t e s c a n b e r e a l i z e d u n d e r t h e n a t u r a l c o n d i t i o n Wh e n t h e a mo u n t o f t h e s t r a w fi b e r a n d t h e p o l y s t y r e n e p a r t i c l e s i s l e s s t h a n 3 5 a n d t h e p u mi c e i s mo r e t h a n 3 0 ， t h e f r e s h c o n c r e t e wo u l d b e h a d a g o o d wo r k a b i l i t y ， a c e rta i n s t r e n g t h a n d s mall e r a p p a r e n t d e n s i t y Ke y wo r d s ：L i g h t we i g h t a g g r e g a t e s c o n c r e t e ；Mu l t i p h a s e c o mp o s i t e ；En e r g y c o n s e r v a t i o n a n d u t i l i z a t i o n o f wa s t e s ； Co mpr e he ns i v e pe rfo rm a nc e s 中图分类号 ： T U 5 2 8 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 8 2 1 0 4 0前 言 轻骨料混凝土是用轻骨料配制成的 、 干表观密 度不大于 1 9 0 0 k g m 。 的轻混凝土 。也称多孔骨料轻 混凝 土。由于轻骨料混凝 土中含有大量封 闭的孔 隙 ， 使其具有轻质 、 保温隔热好 、 施工方便 等性 能 ， 与相 同强度 等级 的普通混凝土相 比 ，可减轻 自重 2 0 3 0 以上_ l J 。 目前 。 轻质原料主要采用陶粒 、 炉 渣 、 浮石 、 膨胀珍珠岩 、 聚苯 乙烯泡沫塑料颗粒等 ， 但 由 于 上 述原 料 产 量 小 ， 分 布 不 均 ， 异 地 运 输 成 本 高等原因 ， 所以客观上我 国轻质原料的整体产能不 足 、 致使一些地 区轻质保温材料 的发展受到制约 。 尤其是天然轻骨料应用技术水平落后 ， 开发利用天 然轻骨料 的总量及其在轻骨料混凝土 中所 占比例 都较小。因此 ， 针对不同地区的天然轻骨料品种 ， 进 行系统 、 因地 制宜 的应用 技术研究 ， 对 于轻骨料混 凝 土 的 发 展 和 当地 经 济 水 平 的 提 高 具 有 重 要 的 现 实意 义 基金项 目： 河 北省 自然科学基金 资助项 目( E 2 0 1 2 4 0 4 0 0 4 ) 、 河 北省科技支撑计划项 目( 1 1 2 1 5 6 0 8 D) 。 利用工业或农业 的废弃物( 节能材料) 和天然轻 骨料复合制备混凝土是发展轻骨料混凝 土的新途 径 。河北 、 山西、 内蒙及东北地区有储量巨大的天然 轻骨料浮石 ， 更好地进行该地区浮石资源开发， 推广和促进天然轻骨料 的应用，不但有利于建筑结 构和建筑节能 ， 还有利于带动当地的经济发展和社 会就业5 。一些工业废弃物 ， 例如 ： 废橡胶有很强的 抗热 、 抗生物 、 抗机械性 ， 但很难 降解 ， 几十年甚至 上百年都不会 由于 自然力而消失掉6 1 ； 而聚苯 乙烯 具有抗老化 、 防腐蚀等特点， 所以在 自然界中不易腐 烂也不易被微生物降解。如两者均做简单焚烧处 理。 则又会严重污染空气及大气环境。 对废橡胶和废 聚苯乙烯泡沫塑料进行 回收利用， 将其 由环境公害 变成绿色建材 ， 既可减少环境污染， 又能变废为宝， 节约能源7 。此外 ， 作为农业废弃物的玉米秸秆在 广大农村地区资源也非常丰富， 而传统将秸杆作为 生活燃料 、 牲畜饲料 的需求逐年减少 ， 导致 了剩余 秸 杆处 理难 的问题 十分突 出嘲 。基 于 以上所 述情况 ， 本试验将废弃农作物玉米秸秆 、 工业废弃物制成的 橡胶颗粒 、 聚苯颗粒以及天然浮石作为轻骨料按照 一 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 8期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 8期 一 定的比例与水泥有机地结合在一起 ， 制成了一种 新型多相复合轻骨料混凝土 ， 并对其制备技术和性 能进行 了研 究 。 1 试验 原材 料 浮石砂 ： 产地张家 口张北县 ， 颜色呈灰黑色或 红褐色 ；有发达的气孔构造 ，气孔尺寸约为 0 2 4 mm。 一般呈 圆至椭圆形 ， 孔壁光滑。浮石砂是将大 颗粒浮石破碎。 经筛分后制得 。 粒径范围 0 1 6 5 m m。 其 性 能指标 见表 1 。 表 1 浮 石 砂 的 性 能 指 标 秸秆纤维 ： 试验采用玉米秸秆 ， 取 自张家 口市 市郊 ，干燥后机械粉碎成长 1 l O mm、宽小于 2 m m 的纤 维状 聚 苯颗 粒 ： 由废 旧聚 苯泡 沫 包装 材 料 经机 械 破 碎而得 ， 粒度范 围 3 6 mm， 5 m m筛孑 L 筛余为 4 ， 堆 积密度 l O k m 。 橡胶 颗粒 ： 购 自北京某精细化学 品厂 ， 细度 为 1 8目， 基本性能见表 2 。 水泥：由张家 口某水泥有 限公 司生产 的 P 0 4 2 5级 水泥 。 粉煤灰： 河北张家口市某发电厂产 级粉煤灰。 减水剂 ： 北京某外加剂公司生产的聚羧酸系高 效减水剂 J K 一 4， 褐色液体 ， 含固量 2 0 。 2多相复 合轻 骨料混 凝土 的制 备 2 1 浮石砂及秸秆纤维的裹覆预处理 为充分利用浮石多孔质轻的优点 ， 改善其孔结 构 。 在制备混凝土之前 ， 对浮石进行裹覆处理 ， 以减 少吸浆率 ， 提高混凝土性能。具体 的浮石裹覆处理 工艺为 ：先将 浮石浸水 5 l O m i n使其吸水 接近饱 和 ， 并控 干水分使其达到面干。其 次 ， 将适量的水 泥 、 粉煤灰、 水在搅拌机中搅拌 ， 然后将预湿的浮石 砂投入搅拌机 中继续搅拌 。最后 ， 将经过搅拌裹覆 的浮石砂 自然养护 2 4 h后备用。 玉米秸秆纤维是一种生物质纤维 ， 由玉米秸秆 杆茎粉碎制得 ， 其孔 隙度大 、 重量轻 、 保温性能好 ， 但其中所含糖类 、 单宁和盐类等成分会使水泥凝固 延缓【 8 】 ， 所以不宜直接在水泥 中使用 ， 也要经过裹覆 处理再拌制混凝土。具体操作是先用一定浓度的硅 酸钠水溶液均匀喷淋在玉米秸秆纤维表面 铺开晾 晒 2 4 h后备用 ， 这样利用硅酸钠包覆在玉米秸秆纤 表 2 橡胶颗粒的性 能 维表 面形 成 致 密层 ， 实现 了对 秸 秆纤 维 中缓凝 成 分 的有效 封 堵 。 2 2 橡胶颗粒及聚苯颗粒的界面处理 由于橡胶颗粒及聚苯颗粒都是憎 水性高分子 材料 ， 属 于有机相 ， 不易在 混凝 土中与其他无机相 的成分形成 良好的界 面结合 ，易形成 内部结构缺 陷 ， 影响混凝土的性能。因此 ， 本试验采用一定浓度 的硅烷偶联 剂对橡胶颗粒及 聚苯颗粒进行界面处 理后 ， 再拌制混凝土。 2 3 混凝土的制备工艺 由于本试验所用聚苯颗粒、浮石均为轻骨料 ， 采用通常所用 的振动成型工艺时易 出现分层现象 ， 致使混凝土内部各相分布不均匀 ， 从而影响了其性 能 ； 另外在试验过程中还发现 ， 由于橡胶颗粒 、 聚苯 颗粒的弹性都较大 ，混凝土拌合物浇入模具后 ， 若 直接采用振动成型工艺 ， 拌合物在经过一定时间的 振动后 ， 会出现膨胀现象 。综合以上两方面因素， 采 用加压振动成型工艺。这样上浮骨料受到压力的作 用与冲击 ， 减少了其分层和膨胀现象。具体制备工 2 2 艺流程 如 图 1 所 示 。 浮石 拌合均匀 压振动成型 脱模 养护 图 1 多相复合轻骨料混凝土制备工艺流程 2 4混凝 土的配 合 比设计 本试验 主要是 以调整多相复合轻骨料混凝土 中各轻骨料用量 ，来获得综合性能优 良的混凝土。 经过原材料用量的调整及试配研究 ， 最终确定基本 配合比为水泥 ： 粉煤灰 ： 浮石砂 ： 外加剂 ： 水= 1 ： 0 4 3 ： 2 3 6 ： 0 0 1 0 ： 0 5 5 ， 玉米秸秆纤维、 聚苯颗粒和橡胶颗 粒则是以不同的体积取代率来取代浮石砂 ， 具体混 凝土中各骨料体积掺量设计见表 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 麻建销 ， 孙 婧 ， 蔡焕琴 ， 等 多相复合轻骨料混凝土制备及其性能试验研究 表 3 多相复合轻 骨料 混凝 土中各轻 骨料体积掺量 3试 验结 果与 分析 在进行多相复合轻骨料混凝土性能试验前 已 做 了大量的基础试 验研究 ，发现采用 的四种集料 中， 玉米秸秆纤维由于其生物缓凝性对混凝土性 能 影响较大 ， 而聚苯颗粒则是和其它骨料密度相差较 大 ， 故对 混凝 土 性能影 响 也较大 。因此 在 研究 多相 复合轻骨料混凝土性能时 ， 主要是将玉米秸秆纤维 和聚苯颗粒两者综合起来考虑。 3 1 混凝土的坍落度 将所用轻骨料经过相应的预处理后 按照 2 3 小节中所述的制备工艺进行混合搅拌 ， 进行了混凝 土坍落度的测定 ， 得到了玉米秸秆纤维和聚苯颗粒 总掺量对坍落度的影响 ， 试验结果如图 2所示 。 7 5 7 0 莹 6 5 6 0 女 5 5 5 0 4 5 2 O 2 5 3 O 3 5 40 4 5 5 0 5 5 6 0 秸秆纤维与聚苯颗粒的总掺量 2秸 秆 纤 维 与 聚 苯 颗 粒 总 掺 量 对 混 凝 土 坍 落 度 的 影 响 由图 2可知 ， 在 固定橡胶颗粒掺量不变的情况 下 ， 调整秸秆纤 维与聚苯颗粒 的总掺量 。 混凝土 的 坍落度有显著 变化。从整体趋势看 ， 混凝土坍落度 随 秸 秆纤 维 与 聚苯 颗粒 总 掺量 的增 加 而不 断 减 小 。 二者总掺量 4 0 时 ， 则由聚苯颗粒体积 掺量的增加引起混凝土坍落度下降， 但 由于所用聚 苯颗粒较小 ， 表面较 为平整 ， 在拌合物 中起 到一定 的润滑作用 ， 故混凝土坍落度下降幅度较小。 3 2 混凝土的抗压强度 将 j x j 1组到 J ) ( J 8组不 同配比的多相复合轻骨 料 混 凝 土 拌 合 物 分 别 制 作 成 l O O mm x l O O m m l O O mm立方体试块 。 拆模后直接堆放在室内环境 中 进行 自然条件下的养护 ，测试其 7 d 、 2 8 d的立方体 抗压强度 ， 试验结果如图 3所示。 矮 秸 秆纤 维 与 聚 苯颗 粒 的总 掺 量 图 3 秸秆纤维与聚苯颗粒 总掺量对混凝土强度 的影响 由 图 3可知 ，混凝 土立 方试 块 7 d 、 2 8 d的抗 压 强度 曲线总体都是下降的。这是因为在混凝土配比 中， 保持橡胶颗粒 的掺量不变 ， 随着玉米秸秆纤维 和聚苯颗粒总掺量的增加 ， 浮石砂的掺量就相应减 少 ， 而 复合 轻 骨 料混 凝 土 的强度 主要 是 由浮 石砂 提 供的 ， 因此混凝 土的强度相应降低 。当玉米秸秆纤 维和聚苯颗粒 的总掺量为 5 5 时， 浮石砂的掺量是 1 5 。 即 J X J 8组 混 凝 土 ， 其 2 8 d抗 压 强 度 下 降 到 了 5 MP a 左 右 。 从 图 3中还 可 以看 出 ， 玉米 秸 秆 纤 维和 聚 苯颗 粒 掺 量 的增 加 对 混 凝 土 7 d早 期 强 度 影 响 较 大 ， 混 凝土强度随掺量增加下降较快 ， 分析其原因是 由于 随着玉米秸秆纤维和聚苯颗粒掺量 的大幅增加 ， 相 应 的用 于秸 秆 纤 维 包 裹 层 的物 质 和 聚 苯颗 粒 表 面 处理剂的量也在加大 ，这些物质在新拌混凝土 中， 会游离到水泥浆体 中，对水泥起到一定的缓凝作 用 ， 故而 7 d早期强度发展缓慢。比较 而言 ， 昆 凝土 2 8 d的强度 下降幅度小些 ，当浮石砂掺量减少 至 3 0 时 ， 秸 秆纤 维和 聚苯 颗粒 总掺量 在 3 5 左 右 时 ， 混凝土仍可保持 7 5 MP a以上 的强度 。在混凝土搅 拌过程中发现 ， 由于玉米秸秆纤维 、 浮石砂 、 聚苯颗 粒 间形状各异 ， 形成较大的摩擦阻力 ， 使得原料分 散得 比较均匀 ， 有效减少 了由于聚苯颗粒密度小而 一 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 8期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 8期 出现 的混凝土分层现象 。 所 以混凝土仍能保持较好 的力 学性 能 。 混凝土试块拆模后 直接堆放在室 内环境 中进 行 自然条件下 的养护 。 室 内湿度 为 6 0 左右 ， 平均 温度为 l 5 。由图 3可知 ， 混凝土强度初期发展 比 较缓慢 ， 但 2 8 d强度仍可正常增长 ， 说 明这种 多相 复合轻骨料混凝土对养护条件要求不是很苛刻 ， 完 全可以实现混凝土的 自养护。 3 3 混凝 土 的破 坏形 态 破坏后 的立方体混凝土试块如图 4所示。从 图 中可以看到 ， 试块受压后只在与受压面垂直的侧面 上 出现 了几 条细 小 的裂 缝 ， 整个 试 块 的破 坏 模 式 与 普通混凝土有很大不同 表现 出良好的韧性 。这说 明多相复合轻骨料混凝土 中聚苯颗粒 、 橡胶颗粒这 类 弹性体的加入 ， 以及玉米秸秆纤维都大大屏蔽了 裂纹 的扩展 。 导致混凝土内部有很多并不相互贯通 的小裂纹 ， 而在宏观上却看不到裂纹的贯通。 一 图 4混 凝 土 的 破 坏 形 态 3 4 混凝 土 的表 观密 度 对 J ) ( J 1 组到 J ) ( J 8组试块进行每组平均表观密 度 的测定 ， 测试 结果 如 图 5所 示 。 暑 梅 饔 秸 秆 纤 维 与 聚 苯 颗 粒 的 总掺 量 图 5 秸秆纤维与聚苯颗粒总掺量对混凝土表观 密度的影响 由图 5可 以看 出， 总体而言 ， 8组多相复合轻骨 料混凝 土的表 观密度都 比较小 ， J X J 1组混凝土 的 表观密度为 1 1 2 0 k g m 。 ， 而随着秸秆纤维与聚苯颗粒 总掺量的增加 ， 其余几组的表观密度逐渐减小。当 秸秆纤维与聚苯颗粒的总掺量到达 5 5 时 混凝土 表观密度 已减至 8 5 0 k g m 。 分析其原因主要是 ， 制备 一 2 4 一 多相 复合轻骨料混凝 土所掺 的玉米秸秆纤维密度 较小 而聚苯颗粒的密度更小 ， 所 以当二者总掺量 4 0 时 。由聚苯颗粒体积掺量增大带来的减重效果 很明显 。 减少幅度更大。 4结论 ( 1 ) 在使用玉米秸秆纤维和浮石砂拌制混凝土 前必须经过裹覆预处理 。 减少其吸水或生物缓凝物 质的析 出 ， 来改善新 拌混凝土 的工作性 ， 并使混凝 土凝结硬化能够顺利进行。聚苯颗粒和橡胶颗粒这 两种憎水性有机材料也须进行界面处理 ， 来增大其 与水泥的界面结合 ， 从而提高混凝土的性能。 ( 2 ) 虽然四种原材料的密度不 同 ， 易 出现骨料 分层 ， 但其形状各异 ， 通过控制掺量 、 调整和易性及 加压振动成型可 明显改善各物料的分布 ， 得到分散 均匀的多相复合混凝土。 ( 3 ) 利用废弃农 作物玉米秸秆 、 废 旧的橡胶颗 粒 、 聚苯颗粒和河北地 区资源丰富的浮石复合制作 的混凝土不仅具有一定 的强度 、 较好 的韧性 且表 观密度小 ， 既实现 了固体废弃物的资 源化 ， 又充分 利用了当地 自然资源 ， 是一种新型节能利废的轻骨 料混凝土 值得进一步推广应用。 参 考 文 献 ： 1 】 管学茂， 杨雷混 混凝 土材料学 M】 北京市 ： 化学工业 出版 社 ， 2 0 1 l ( 8 ) ：1 9 4 1 9 5 2 杨德志， 马庆雷， 李 国忠 发展农作 物纤 维轻质墙板的意义 和作 用 【 A 中国硅酸 盐学会 2 0 0 3年学 术年会 论文摘 要集 【 C 】 ： 3 6 4 3 】 霍俊芳轻骨料混凝 土的研究现状 J 1 建筑技术， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 4 ) ： 3 6 3 - 3 6 5 4 】 袁 大伟， 杨萃娜 轻骨料 混凝 土的研究现状 分析及定义探 讨 J 混凝 土， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 2 6 2 8 5 麻建 锁， 蔡焕琴， 白润 山， 等 硬壳浮石混凝土空 心砌块 的块 型设计及其制备技术研究 J 混凝土， 2 0 0 8 ( 1 0 ) ： 1 0 7 1 0 8 6 焦楚 杰， 张传镁， 张文华 橡胶混凝土研究进展【 J 】 重庆建 筑大 学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 3 8 1 4 5 7 齐桂莲 废聚苯 乙烯泡沫塑料 的回收利用 J 山东农业大 学学报：自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 1 ) ： 4 8 5 2 8 林志鹏 废旧聚苯乙烯( 泡沫) 塑料资源化综述 J 塑料工 业 2 0 0 5 ( 5 ) ： 3 1 3 3 9 王永 明， 蒋振 山， 朱 小宁 我 国农 业生物质秸秆 能源化利 用的途径及思路f J 环境与可持续发展， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 5 0 5 2 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 -0 6 1 5 作者简介 ： 麻建锁 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 教授 。 通讯作者 ： 孙婧 ( 1 9 8 0 一 ) ， 女 ， 讲师 。 通讯 地址 ： 河北 省张家口市桥东 区惠安苑 l 9号楼 联 系 电话 ： 1 3 4 6 3 4 51 5 0 7 E ma i l ： k h y 2 0 01 i o y 1 2 6 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m