掺碎石陶粒多孔混凝土基本性能试验研究.pdf

2 0 1 5年 第 6 期 (总 第 3 0 8 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 0 8 ) 混 凝 土 Con c r e t e 实用技术 P RACT I CAL TECHNOL oGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 5 5 0 2 0 1 5 0 6 0 3 8 掺碎石陶粒多孔混凝土基本性能试验研究 刘聃 。 刘荣桂 。胡白香 。 徐荣进 。 殷杰。 ，温惠清 ( 1 江苏大学 土木工程与力学学院， 江苏 镇江 2 1 2 0 1 3 ； 2 江苏金土木建设集团有限公司，江苏 常熟 2 1 5 5 0 0 ) 摘要 ： 以黏土陶粒 、 碎石、 水泥 、 Z s 一 1 外加剂等为主要原料 ， 制备了一种高性能陶粒多孔混凝土 ， 通过试验分析了骨料粒径 、 碎 石掺量对 陶粒多孔混凝土孔隙率、 透水系数 、 强度等性能的影响， 并对其破坏形态 、 破坏机理进行了分析。 结果表明： 纯陶粒骨料 多孔混凝土的孔隙率为2 3 2 7 ， 透水系数为6 3 7 1 ， 强度为1 3 MP a ， 在不显著降低孔隙性能的前提下， 掺入碎石能有效提 高其强度至 1 5 MP a 以上 ； 多孔混凝土的强度和孔隙率随骨料粒径的增大而小幅提高， 且碎石掺量越大提高效果愈明显。 与纯陶 粒混凝土相比， 碎石掺量为4 0 - 6 0 、 骨料粒径为2 0 2 5 I T I I T I 时， 多孔混凝土的强度提高了7倍， 而孔隙率仅仅降低了4 2 ， 此 时混凝土基本性能相对最优。 关键词 ： 陶粒多孔混凝土； 抗压强度； 孔隙率； 透水系数 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号： l 0 o 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 1 4 4 0 5 Ex p e r i me n t a l s t u d y on t h e p e r f o r ma n c e o f p o r o u s c e r a ms i t e c o n c r e t e wi t h d i ffe r e n t gr a v e l r a t i o u【 ， D a n ， L J 【 ， R o n g g u i ， HUB a ix i ang ， XUR o n g j i n ， Y I N1 i e ， WE NHu i q i n g ( 1 F a c u l t y o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Me c h a n i c s ， J i ang s u Un i v e r s i ty， Z h e i a n g 2 1 2 0 1 3， C h i n a 2 J i a n g s u G o l d C i v i l C o n s t r u c ti o n G r o u p C o r p o r a ti o n ， C h ang s h u 2 1 5 5 0 0 ， C h i n a ) Abst r a c t： Hi g hp e r f o r ma n c e c e r a ms i t e p o r o u s c o nc r e m wa s p r e p a r e d wi t h t h e c l a y c e r a ms i t e， g r a v e l ， c e me n t ， Zs一 1 a dmi x t u r e Th e i n fl ue n c e o f a g g r e g a t e s i z e， g r a v e l r a ti o o n c e r a ms i t e p o r o u s c o n c r e p e rfo r man c e s s u c h a s p o r o s i t y， the p e rm e a b i l i t y c o e f fic i e n t ， a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h we r e i n v e s t i g a t e d， a n d the f a i l u r e mo d e s an d me c h a ni s m o f c e r a ms i t e p o r o u s c o nc r e we r e a d d i tio n a l l y a na l y z e d Th e r e s u l t s s h ow t ha t p o r os i t y， t he p e r me a bi l i 哆 c oe f f i c i e nt ， a n d c o mp res s i ve s tr e n g th o f the p u r e c e r a ms i t e p o r o u s c o n c r e t e a r e 2 3 2 7 ， 6 3 7 1， 1 -3 MPa， r e s p e c ti v e l y Th e s t r e ng t h o f t h e c e r a ms i t e p o r o u s c o n c r e t e C a l l b e e f f e c tiv e l y i n c r e a s e d u p t 0 1 5 MPa by the g r a v e l d o p e d wi th n o s i g n i fi c an t r e d u c e i n the po r e p r o pe r t i e s T h e c o mp r e s s i v e s t r e n g th a n d p o r o s i ty o f p o r o u s c o n c r e t e wa s mi l d l y i mp r o v e d a s th e a g g re g a t e s i z e wa s i n c r e a s e d， the b i g g e r g r a v e l r a t i o the mo r e o b v i o us i mp r o v e me nt wa s o b s e r ve d I n c o mpa ris o n wi th p u re c e r a ms i t e p o r o u s c o n c r e t e， s e v e n f o l d i n c r e a s e i n the c o mp r e s s i v e s t r e n g th of po r o u s c o n c r e t e wa s a c h i e v e d wh e n the gr a v e l r a t i o wa s 40 -6 0 ， an d the a g gre g a t e s i z e wa s 2 0 -2 5 mi l l ， wh i l e the po r o s i t y wa s o n l y d e c r e a s e d b y 4 2 ， t h e p e rfo rm an c e o f the p o r o u s c o n c r e t e wa s r e g a r d e d t o b e o pti mi z e d K e y wo r d s： c e r a ms i t e p o r o u s c o n c r e m； c o mp r e s s i v e s t r e n g th； po r o s i ty； pe rm e a b i l i ty c oe f fi c i e n t 0 引言 陶粒多孔混凝土是指 以陶粒或 陶粒 中掺部分碎石 为 粗骨料 ， 以普通砂或陶砂为细骨料 ， 以水泥为胶凝材料 ， 并 掺人生态混凝土专用外加剂 ， 经拌和、 浇注而成型 ， 具有连 续宏观孔隙结构 、 能降低环境负荷的轻集料高性能混凝 土制品。 2 0 世纪 9 0年代 ， 贵黄高速公路路段 中使用 陶粒 混凝 土建设了公路声屏障， 取得了良好的吸声降噪效果 j 。 陈 志山 、 P a r k ， S B E 4 等将普通多孔混凝土应用 于污水处 理 中， 研究表明其具有高效 、 稳定的污水处理效果。 而陶粒 因具有 良好的净水功效而广泛用于曝气生物滤池 ( B A F ) 填料 ， 将 陶粒作为粗骨料 的多孔生态混凝土综合了陶粒 骨料和多孔混凝土的净水优势 ， 其净水效果必定优于普通 多孑 L 混凝土 J 。 陶粒多孔混凝土的使用不仅大大拓展了多 孔混凝土在吸声降噪和污水净化等领域的应用范畴， 而且 可 以减少砂 、 石等宝贵 自然资源 的消耗 ， 改善 自然环境 ， 调 节生态平衡 ， 有利于 国家资源的可持续发展。 目前 ， 国内外 的研究主要集 中在普通多孔 混凝土 ， 鲜 有涉及陶粒多孔混凝土 ， 主要原因可能是 尚未有效解决 因 陶粒 自身强度低 、 多孔混凝土大孔 隙结构等因素造成 的陶 粒多孔混凝土抗压强度过低而难 以投入实际应用 。 在保证 其轻质和高孔隙率等基本性能的前提下 ， 提高陶粒多孔混 凝 土的抗压强度 、 拓展其实际应用范畴 已成为 当前亟待解 决的关键问题。 本文通过控制骨料粒径和碎石掺量， 开展 试验 以研究 陶粒多孔混凝土 的孔 隙率 、 透水 系数 、 抗压强 度等基本性能的变化规律 ， 以期得 到在性能达相对较优 的 情况下的最佳碎石掺量和骨料粒径范围。 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 1 8 基 金项 目： 国家 自然科 学基金项 目( 5 1 2 7 8 2 3 0) ； 住房 和城 乡建设部 2 0 1 4年科学技术项 目( 2 0 1 4一I ( 40 0 3 ) 1 4 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 试 验 概 况 1 1 试验 用原材料 水泥采用泰州杨湾海螺 P 0 4 2 5级水泥 ； 细集料 为 天然河砂 ， 中砂 ， 细度模数为 2 9 ； 外加剂 采用课题组 自主 研制的Z S一1 型外加剂； 水为普通 自来水； 泰州陶粒建材 有限公司生产的黏土陶粒， 粒径范围在 5 - 2 5 m m， 其主要 化学成分见表 1 ； 普通碎石粗集料 ， 粒径范 围同黏土陶粒。 碎石和陶粒的基本物理性能见表 2 。 表 1 黏土陶粒化学成分 1 2配 合 比设 计 参照文献 7 中“ 填充理论和体积法” 得到纯碎石多 孔混凝土配合比， 并以此为基准配合比， 通过等体积置换 法分别计算出不 同碎石掺量的各 指标用量 ， 具体换算方法 如下 ： M =M ( 1一Y ) ( 1 ) M 。 = ( 2 ) M = p V a 。 ( 3 ) 式 中： M 需要替代 的碎石质量 ； 基准配合 比中 1 m 昆 凝土所含碎石质量 ； y 碎石掺量 ， ； 需要替代 的碎石所 占体积 ； p 碎石的堆积密度 ， 1 4 7 0 k g m ； 加入陶粒 的质量 ； p I 陶粒 的堆积密度 ， 3 6 2 7 k g m 。 以 A w 为各小组编号 ， x 代 表三种骨料粒径 ， Y表示 碎石掺量体积百分比。 由于陶粒和碎石的密度相差很大， 采用体积百分比能直观反映出 1 m 中各骨料成分的体积 比例。 配合 比最终结果见表 3 ， 其中 A w。 。 。 为基准配合 比。 1 3 混凝土的制备和养护 试验 中新拌混凝 土通过以下几个步骤制备 ： ( 1 ) 按试验设计配合比， 计算出试验中各项材料的实 表 3 配合 比设 计 际用量 ， 并精确称取各项 材料 待用 ， 其 中混合 骨料 应在称 取后将其 混合均匀。 ( 2 ) 投料前用湿布先 润湿搅拌机 ， 按 以下次序投料搅 拌 ： 依次投入 1 ， 2骨料 、 砂 、 水泥 、 1 骨料 ， 搅拌 3 5 s ； 加入 试验设计用水量 的一半 ， 搅拌 6 0 S ； 将 Z S一1 添加剂 和试 验设计用水量 的另一半 均匀 混合后 倒人搅 拌机 中， 搅 拌 1 8 0 S 。 ( 3 ) 卸料后用铁锹人工拌 和均匀。 ( 4 ) 注标准混凝土试 块时应分三层装模 ， 每层 用捣 棒 振捣 1 0次后震动摇匀 ， 在顶部成型面用抹 刀刮去 多余 混 凝土并抹平 ， 如图 1 所示 。 图 1 多孔 混凝 土的装 模 浇注完成 的试件在室 内静置 2 4 h 后拆模 ， 移入标准养 护箱养护 至试 验开 始。 其 中， 透水 系数试 块 采 用外 径为 1 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 l 0 m m， 高为 1 0 0 mm的 P V C管制成 ； 标准抗压试块在进 行抗压试验前( 3 d以上 ) ， 应先对试 件承压 面进行坐浆抹 面处理 。 抹面处理以及抗压 强度试 验均参照 生态 型多孔 混凝土物理与力学性能试验方法 进行 。 1 4抗 压 强度 试验 采用 S Y E一 2 0 0 0型压力试验机， 分别测定各标准试 块3 、 7 、 l 4 、 2 8 d的立方体抗 压强度， 试 验 中以 0 2 0 4 MP a s ( 折合 4 5 9 k N s ) 速率均匀加荷 。 1 5孔 隙率和透水 系数试验 采用如 图 2所示 的 自制透水系数测试装置 ， 参 照文献 9 中测试渗透系数试验方法 ， 逐个测试经 2 8 d 养护后各 试块 的透水系数。 多孔混凝土孔隙率 的测定参照 生态型 多孑 L 混凝土物理与力 学性能试 验方法 中第八条 相关 规定。 图 2 透水系数测试装置 2试验结果与分析 试验实测得到的各组数据经整理后 的最终结果见表 4 。 表 4抗压 抗压 强度和 孔隙 特征 2 1 碎石掺量对混凝土性能影响 2 1 1 力学性能 图 3 、 4为 A1 组 ( 骨料粒径为 2 0 2 5 i l r n ) 多孔混凝 土 的碎石掺量分别与抗压强 度 、 强度 比( 以基准配合 比的抗 压强度作为分母 ， 5种不 同碎石掺量混凝土 的强度值作为 分子而得到的比值) 间的关 系图。 综 合图 中曲线趋 势可看 出， 增大碎石掺量 能相应 提高多孔混凝土的抗压强度 ， 且 1 46 碎石掺量在 2 5 5 0 间时 ， 强度增 幅最为 明显 ， 最大可达 纯碎石多孔混凝土强度 的 6 0 。 结合表 4数据可看出 ， A 、 A 亦具有上述相同变化规律 。 日 凸 一 嚼 出 碎 石掺量 图3 A 3组碎石掺量与抗压强度关系 碎 石 掺 量 图4 A 3组碎石掺量与强度比值关系 2 1 2 孔隙性能 不同碎石掺量的多-f L g 凝 土中， 孔隙率与透水系数 之 间存在二次相关性 ， 关系式如 图 5 所 示 ， 相关系数 尺 为 0 9 5 ， 可见多孔混凝土的透水系数随着孔隙率 的增大而增 加 ， 因为当混凝土 内部连通的孔 隙增多 、 增大时， 界面过水 面积随之增大 ， 透水系数增加。 孔 隙率 图 5孔隙 率与透 水 系数 关 系 图6 为多孔 昆凝土碎石 掺量与2 8 d 抗压强度 及透水 l +A 强度 +A ： 强度 +A 强 度 l f I I - A ， 透水系数 一 A 透水系数 f l _ - A 透水系数 I 碎石 掺量 图 6碎石掺 量对 透水 系数 和强度 的影 响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 系数关系图。 与纯陶粒 多孔 混凝土相 比， 碎石掺量 为5 0 的 A。 、 A： 、 组多孔混凝土孔隙率降幅约为 6 ， 透水系 数降幅最大为 1 0 ， 而抗压强度增 幅最大为 6 0 0 。 由此可 见 ， 陶粒多孔混凝土中增大碎石掺量对 其抗压强度提高效 果 明显 ， 而对孑 L 隙性 能产生的不利影 响甚微。 2 2 骨料粒径对混凝 土性 能影响 2 2 1 力学性能 图7为三种骨料粒径( 碎石掺量为 5 0 ) 的多孔混凝 土各龄期抗压强度试验结 果。 从 图中可看出 ， 增大骨料粒 径 能提 高 陶粒 多孔 混凝 土 的抗压 强度 ： 骨 料粒 径从 5 1 0 m m增加到 1 0 - 2 0 mi l l 时 ， 2 8 d强度提升了近一倍 ； 骨料 粒径继续增 大到 2 0 2 5 n l n后 ， 强度仍有小 幅提高。 图 8 为不 同碎石掺量下三种粒径的陶粒多孔混凝 土 l 4 、 2 8 d抗 压强度试验结果 ， 可看 出碎 石掺 量越大 的 陶粒 多孔 混凝 土 ， 其抗压强度受骨料粒径影响效应越 明显 。 这表明 陶粒 多孔混凝土与文献 1 0 中提出的普通混凝土 “ 骨料粒径 效应” 有着截然相反的表现形式 。 其可能原因如下 ： 7 1 4 2 8 养护 龄期， d 图7不同骨料粒径混凝土强度情况 +A 1 4 d +A 1 4 d +A 1 4 d 一 - A 2 8 d 一 A 2 8 d 一 - A， 2 8 d 一 0 25 5 0 75 1 0O 碎石 掺量 图 8不 同碎石 掺 量混凝 土 强度情 况 ( 1 ) 材料差异 ： 文献 1 0 中骨料 为卵石 ， 而本试 验中 为碎石 ， 二者与水泥石间 的黏结性 能差异较大 ： 碎石表 面 粗糙 ， 黏结性能 比光滑表 面的卵石要高很 多； 文献 1 0 中 使用连续级配骨料 ， 最大粒径越大 ， 骨料不均匀程度越大 ， 产生应力集 中的可 能性越 大 ， 混凝 土强度 削弱作 用越 明 显 。 而本试验中单一级配骨料质地均匀 ， 能避免上述 因骨 料不均匀而造成强度 降低 ； 此外 ， 多 孔混凝土 中外加 剂的 使用在一定程度上改变了骨料与水泥砂浆间的黏结性能。 ( 2 ) 结构差异 ： 多孔混凝土与普通混凝土 的孑 L 隙结构 差异很 大 ， 粗骨料与水泥石接触界面实际作用形态相差较 大 ， 受力机理 、 黏结性能都大有不同 ， 因而“ 骨料粒径效应” 表现形式不 同。 ( 3 ) 当碎石掺量较小时 ， 因陶粒骨料强度较低 ， 多孔混 凝土的强度主要取决于砂浆性能 ， 此时提高骨料粒径对砂 浆的性能基本无有害影 响， 因而“ 骨料粒径效应 ” 表现不明 显 。 当逐渐加大碎石掺量时 ， 多孑 L 混凝 土强度起主导作用 的是内部骨料强度 ， 而碎石掺量越高 的混凝土骨料性能越 好 ， 受骨料粒径大小的影响越显著 。 2 2 2 孔隙性能 图 9 、 1 0为不同碎石掺量分别与 陶粒混凝土 的透水系 数、 孔隙率间关系。 从图中可看出， 透水系数和孑 L 隙率均随 着碎石掺量的增加而降低 ； 而同一碎石掺量 的陶粒多孔混 凝土的透水系数和孔隙率均随骨料粒径的增大而小幅增 大 。 当骨料粒径增大 ， 等体积空间 中所包含 的骨料数 目减 少 ， 不规则骨料之间形成 的空 隙更大 ， 截面过 水面积 就越 大 ， 透水率增大 ， 故增 大骨料粒径能在一定 范 围内增 大多 孔混凝土 的孔隙率和透水系数。 7 _ 5 7 O 籁 6 5 蝌 6 0 5 5 0 25 5 0 7 5 1 O 0 碎 石掺 量 图9不同碎石掺量透水系数情况 3 O 2 5 旃 2O 1 5 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 碎石掺 量， 图 1 0 不同碎石掺量子 L 隙率情况 2 3试 块 破 坏 模 式 混凝土的力学性 能主要由骨料性能 、 界面过度 区硬化 水泥浆体性能及骨料 与水泥石的黏结性能决定 。 昆 凝土 的 最终破坏是由混凝 土微 裂纹开展 、 延伸后形成 宏观裂缝 ， 或是内部骨料达到极 限抗压强度而被压碎引起 的。 在多孔混凝 土中， 碎石骨料 的强度大于硬化水泥石 的 强度 ， 而陶粒骨料的强度则低于硬化水泥石 的强度。 当碎 石掺量接近或大 于 5 0 时 ， 陶粒 与碎石混合较 均匀 ， 多孔 混凝土内部骨料的整体强度高于黏结区硬化水泥石强度， 抵抗变形 的能力 有所加强 ， 传递应力能力增 强 ， 混凝土抗 压强度大大提升 。 骨料与水泥浆体间的微裂缝 因受力而 开 展 、 延伸后形成贯穿试块的宏观裂缝从而导 致试块 破坏。 图 1 1 ( a ) 中试块 ( 碎石掺量为 7 5 ) 即属于此类破坏形式 。 此时的混凝土试块强度主要取决于砂浆性能的优劣。 1 47 8 6 4 2 O 8 6 4 2 0 趣 惫 如 加 m 5 、 越骥趟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m