頁巖陶粒混凝土長齡期力學性能和耐久性能研究

焦雙健，王磊，李江海

（1中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100； 2石家莊市京昆高速石太管理處，河北 石家莊 050000）

頁巖陶粒混凝土長齡期力學性能和耐久性能研究

焦雙健1，王磊1，李江海2

（1中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100； 2石家莊市京昆高速石太管理處，河北 石家莊 050000）

為測定頁巖陶粒混凝土的長齡期力學性能和耐久性能，在同坍落度和同水灰比的條件下配制了兩種強度的頁巖陶粒混凝土和碎石混凝土。研究結果表明：兩種強度的頁巖陶粒混凝土均達到設計強度標號；28d后頁巖陶粒混凝土抗壓、抗折強度繼續增長，且抗折強度增幅較碎石混凝土大；頁巖陶粒混凝土的抗凍性和抗滲性優于碎石混凝土；頁巖陶粒混凝土的干縮性和耐磨性與碎石混凝土相當。

頁巖陶粒混凝土；碎石混凝土；長齡期；力學性能；耐久性能

0 引言

碎石型頁巖陶粒其表面粗糙多孔，內部具有大量的封閉孔隙，用其制備而成的頁巖陶粒混凝土具有質輕、高強等優良特性。在國外，高性能輕集料混凝土已廣泛應用于各種土木工程及其它結構工程[1-4]。目前，我國陶粒混凝土主要被應用于結構保溫的建筑墻體材料，部分應用于橋面鋪裝，而極少應用于公路路面[5-8]。我國對頁巖陶粒混凝土力學性能的研究大多集中于 28d齡期以前的強度變化，對于路面混凝土長齡期的力學性能研究也至關重要，另外對于頁巖陶粒混凝土的耐磨性等路用性能研究較少，因此制約了頁巖陶粒混凝土在公路工程中的應用。

本文結合京昆高速石家莊至冀晉界公路工程項目，開展頁巖陶粒混凝土路面的應用研究。該項目起點位于曲陽橋，與京昆高速和石家莊北繞城高速公路相接，起點樁號K0+000，經過正定縣、鹿泉區、平山縣、井陘縣、井陘礦區，接山西省京昆高速公路山西省界平定至陽曲段，終點樁號K65+000，主線全長65km。通過對頁巖陶粒混凝土進行路用性能試驗，分析頁巖陶粒混凝土長齡期抗壓、抗折強度，干縮性、抗凍性、抗滲性以及耐磨性等耐久性能，并與依托工程普通水泥混凝土路面性能對比，探討頁巖陶粒混凝土長齡期抗壓、抗折強度增長趨勢以及抗凍性和抗滲性的優越性，對有效利用地方頁巖資源、拓寬高強輕質頁巖陶粒的公路工程應用具有積極的意義。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥： P.O42.5級。

（2）頁巖陶粒：5～20mm連續級配，堆積密度705kg/m3，筒壓強度7.5MPa,1h吸水率8%。

（3）碎石：5～20mm連續級配，堆積密度1540kg/m3。

（4）砂：河砂，細度模數2.7，堆積密度1630 kg/m3，含泥量1.6%。

（5）減水劑：聚羧酸減水劑，減水率25%，含氣量3.4%。

（6）水：自來水。

1.2 配合比

依據《輕骨料混凝土技術規程》JGJ51-2002和《碎石混凝土配合比設計規程》JGJ55-2011，設計頁巖陶粒混凝土和碎石混凝土配合比，見表1。

表1 混凝土配合比設計

1.3 試件成型

試件制備前應將頁巖陶粒預濕24h，之后瀝干表面水分或用濕毛巾擦干。將預濕頁巖陶粒、砂、水泥依次投入強制式攪拌機中攪拌1min，之后加入水和減水劑攪拌2min，攪拌后的頁巖陶粒混凝土分兩次裝模，第一次裝至試模高1/2以上，人工插搗密實；第二次裝至高出試模 20mm，用平板振動器振搗至表面出漿，約5s，抹平后置于平整地面，此時仍會有少量陶粒上浮，間隔1h抹面1次，2次抹面后表面即平整。通過試驗發現，在空氣中養護36h，更易拆模，不會損傷試件。

2 試驗結果及分析

2.1 長齡期力學性能

頁巖陶粒混凝土及碎石混凝土28d、60d、90d抗壓強度試驗結果見表2，抗折強度試驗結果見表3。結合表中試驗數據，繪制兩種試配強度的混凝土抗壓、抗折強度隨齡期變化趨勢圖（見圖1、圖2）。

表2 混凝土抗壓強度

表3 混凝土抗折強度

Y40 4.08 7.22 7.48 7.37 7.40 7.50 7.55 S30 5.13 S40 5.71

由表2、表3中抗壓、抗折強度數據可知，兩種試配強度的頁巖陶粒混凝土均達到設計強度。從混凝土抗壓強度隨齡期變化可以看出，28d到60d齡期間，頁巖陶粒混凝土和碎石混凝土抗壓強度增長較快，60d齡期后碎石混凝土抗壓強度趨于穩定，而頁巖陶粒混凝土抗壓強度繼續增長。從混凝土抗折強度隨齡期變化可以看出，28d到60d齡期間，頁巖陶粒混凝土抗折強度增長幅度較碎石混凝土大；60d齡期后碎石混凝土抗折強度趨于穩定，而頁巖陶粒混凝土抗折強度繼續緩慢增長。

產生這種現象的原因較多，主要是因為混凝土中的骨料和水泥。混凝土成型初期，其水泥石部分的強度發展并不充分，此時混凝土強度的高低就取決于其界面的粘結程度。碎石多棱角，與水泥石產生較大的摩擦阻力，頁巖陶粒雖然是碎石狀，但棱角相對較少，產生的摩擦阻力小，從而導致成型早期頁巖陶粒混凝土的強度比普通混凝土低。

2.2 抗凍性能

制作LC40頁巖陶粒混凝土和C40碎石混凝土抗凍試塊各2組，一組用于凍融循環，另外一組做抗壓強度對比試件。從試件質量損失率隨凍融次數變化可知，260次凍融循環內頁巖陶粒混凝土的質量損失率低于碎石混凝土。凍融循環結束后頁巖陶粒混凝土的抗壓強度為 55.2MPa，對比組為 57.3MPa，抗壓強度損失率為3.7%；凍融循環結束后碎石混凝土的抗壓強度為51.9MPa，對比組為58.0MPa，抗壓強度損失率為10.5%。

頁巖陶粒混凝土的抗凍性能優于普通混凝土，這主要歸因于以下兩個方面：

（1）頁巖陶粒內部含有大量封閉的小孔，不易被水飽和，加上陶粒的吸水作用，使陶粒同水泥漿體的界面區的水膠比減小，從而導致其界面區強度比碎石混凝土大。頁巖陶粒混凝土受凍期間，陶粒內部的封閉小孔可對混凝土內水結冰時的冰晶壓力起緩沖作用，起到減少膨脹壓力和混凝土內應力的作用。

（2）在水化后期，頁巖陶粒混凝土具有“內養”效應。隨著陶粒混凝土中水泥石毛細孔中水分的不斷減少，陶粒孔隙中存儲的水分重新回到水泥漿體中，對界面層的水泥石起到養護作用，使得外部的水分不易進入混凝土內部，用于可凍結的水分十分缺乏，因此，在凍融交替的過程中，陶粒混凝土的抗凍性又得到進一步的提高。

2.3 抗滲性能

抗滲試驗采用HS-4型混凝土滲透儀，采用滲水高度法進行抗滲試驗，兩種試配強度的混凝土分別在水壓力0.8MPa和1.0MPa保持24h。頁巖陶粒混凝土及碎石混凝土抗滲試驗結果見圖1。

圖1 混凝土抗滲試驗結果

從圖 1可知，頁巖陶粒混凝土的抗滲性優于碎石混凝土。一方面，頁巖陶粒表面粗糙，可以增強與水泥砂漿的粘結性能，水泥砂漿將陶粒緊緊包裹，相互隔離，陶粒與陶粒之間并不能形成連續的滲水孔道，阻止了水的滲透；另一方面，頁巖陶粒是多孔結構，隨著齡期的增長，陶粒中存有的水將對混凝土產生“內養”作用，提高了陶粒表面膠凝材料的強度，也提高了混凝土的密實度。

2.4 干縮性能

頁巖陶粒混凝土及碎石混凝土標準養護3d后置于干縮室內采用混凝土臥式收縮儀測量試件長度變化，180d干縮試驗結果如圖2所示。

圖2 混凝土干縮率隨齡期變化

由圖2知，碎石混凝土14d前收縮變化快，之后收縮減緩；頁巖陶粒混凝土前期收縮較小，后期收縮較大。頁巖陶粒是一種多孔材料，預濕使微孔存儲水分。干縮試驗前期，頁巖混凝土表面水分隨時間延長逐漸減少，陶粒孔隙內的水分釋放到水泥石中，補充蒸發掉的水分。干縮試驗后期，混凝土內水分進一步減少，主要是因為頁巖陶粒的彈性模量低于碎石，降低了粗骨料對混凝土收縮變形的抑制能力，所以在試驗后期頁巖陶粒混凝土干燥收縮幅度較大，并且大于碎石混凝土。

2.5 耐磨性能

由頁巖陶粒混凝土及碎石混凝土耐磨試驗結果可知，頁巖陶粒混凝土的耐磨性與碎石混凝土相當。一方面，粗骨料的強度影響著混凝土的耐磨性，碎石的強度遠高于頁巖陶粒；另一方面，骨料和水泥石與界面黏結質量也影響著混凝土的耐磨性，陶粒表面具有一定的活性，能與吸入陶粒表面開口孔內的水泥顆粒發生就地反應，使界面強度提高，部分彌補了陶粒混凝土與碎石混凝土耐磨性的差距。

3 結語

通過頁巖陶粒混凝土和碎石混凝土長齡期力學性能和耐久性能試驗，可以得出在同坍落度和同水灰比的條件下，頁巖陶粒混凝土與碎石混凝土達到相同的強度標號；28d后頁巖陶粒混凝土抗壓、抗折強度繼續增長，抗折強度增幅較碎石混凝土大；頁巖陶粒混凝土的抗凍性和抗滲性優于碎石混凝土；頁巖陶粒混凝土的干縮性和耐磨性與碎石混凝土相當。因此，本文對于促進頁巖陶粒混凝土的路面應用具有一定的價值。

[1]龔洛書.積極研究開發高性能輕集料混凝土[J].混凝土，1993，(3)：8-12.

[2]中國建筑科學研究院混凝土研究所譯.國外輕集料混凝土應用[J].中國建筑工業出版，1982.

[3]Bamforth B, Nolan E.UK. High Strength LWAC in Construction, In：Steiner Helland, Ivar Holand, Sverre Smeplass[J]. Proceedings 2nd International Symposium on Structural Lightweight Aggregate Concrete. Kristiansand, Norway, 2003：440-452.

[4] Melby, Karl. Use of high strength LWAC in Norwegian Bridges. In：Steiner Helland, IvarHoland, Sverre Smepass[J]. Proceedins 2nd International Symposiumn. Structural Lightweight Aggregate Concrete. Kritstians, Norway, 2000：18-21.

[5]鄭秀華，張寶生，葛勇，袁杰.頁巖陶粒混凝土性能的研究[J].混凝土，2004.

[6]宋宏偉，曹永民，卞利軍，鄒龍江.高性能輕集料混凝土的力學性能和抗滲性研究[J].混凝土，2003，(1)：25-28

[7]曹誠，楊玉強.高強輕集料混凝土在橋梁工程中應用的效益和性能特點分析[J].2000，(9)：27-29.

[8]丁慶軍，張勇等.高強輕集料混凝土橋面施工泵送技術[J].混凝土，2002，(1)：58-60.

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1007-6344（2015）08-0046-02