陶粒水泥混凝土經濟型配合比研究

王宇峰

（山西省公路工程監理技術咨詢公司，山西 太原 030006）

0 引言

陶粒是一種輕質骨料，在瀝青混凝土與水泥混凝土中均有應用，相比于傳統的水泥混凝土，它具有輕質高強的特性，并且對結構物的隔熱性能有一定提升[1-2]。陶?；炷磷钤缬擅绹?0世紀20年代用于造船與墻體的填充[3]，而后在歐洲等國家開始用于裝配式建筑與橋梁[4-5]。在我國引用后，經檢測發現不僅強度不低于設計要求，且碳化深度小、耐久性好[6]。目前有研究發現，陶粒的摻入能增強混凝土內水泥漿與骨料間的黏結力，且不同類型的陶粒對性能的影響各有不同[7]。

鄧海等對陶粒混凝土從原材料的選擇、配合比設計與優化等研究了輕質高強的陶?；炷粒l現在一定密度下可通過配比優化來提高強度[8]。諸雪青采用電廠的粉煤灰燒制陶粒，通過優化配比提出了一種陶粒輕骨料混凝土[9]。賀東青根據填充理論，將麥秸摻入陶?；炷敛⑻岢隽伺浜媳仍O計方法，擬用于緩解城市熱島效應[10]。

而目前對陶?；炷恋膽蒙婕安簧?，主要在于優化配合比提高強度、降低結構自重等，而隨著鍛造成本的提升，在保證混凝土性能的基礎上如何進一步降低材料成本有待進一步研究。鑒于此，本文選用一種陶粒進行配合比設計，研究不同摻量對混凝土性能的影響，并設計正交試驗提出經濟型的配合比。

1 原材料與設計方法

1.1 原材料

陶粒為湖南某公司生產的頁巖陶粒，物理性能測試結果見表1。骨料采用商洛某石料廠生產的碎石。水泥采用P.O 52.5級普通硅酸鹽水泥。外加劑采用聚羧酸高性能減水劑，當摻量為1.85%時，減水率為24%。

表1 骨料物理性質

1.2 設計方法

配合比設計依據JGJ 51—2002《輕集料混凝土技術規程》，通過控制混凝土容重在 1 800±50 kg/m3范圍內，并通過控制絕對體積法優化獲取更高強度。

2 配合比確定

2.1 初步擬定配合比

通過控制容重的方法進行配合比設計，擬定初步的配合比見表2。

表2 陶?；炷脸醪劫|量配合比 kg/m3

經拌和與坍落度試驗后發現，在此配合比下混凝土的和易性較好，具有良好的流動性與保水性，能滿足施工需要。然而測得容重已接近規范的臨界值，經分析，在此配合比下，骨料的用量多且密度大。因此可用陶粒置換部分細骨料以降低容重。

2.2 陶粒替換后的容重

在初步擬定的配合比之下，研究陶粒在細骨料中的最佳摻量，保持細骨料以外的原材料用量不變，擬定如表3所示的幾組配合比，其中配合比用TL（陶粒）來指代。

表3 陶粒混凝土質量配合比 kg/m3

3 陶粒替換對性能的影響研究

3.1 試驗方法

不同配合比的性能驗證包括抗壓強度與抗折強度?？箟簭姸葴y試制作150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，抗折強度測試制作550 mm×150 mm×150 mm的長方體試塊，每個配合比各制作4個平行試件，成型1 d后脫模，在常溫下養護28 d進行抗壓強度與抗折強度測試，均采用SYE-1000型壓力試驗機進行試驗。試驗結果均以平行試件的均值列出。

3.2 對抗壓強度的影響

陶粒混凝土的28 d抗壓強度試驗結果與未替換陶粒的強度比值見表4。

表4 陶?；炷量箟簭姸?/p>

由表4與破壞過程可知，隨著陶粒摻量的增加，立方體試塊的韌性隨之增加，抗壓強度亦隨之增加，與不摻加陶粒的級配相比，增幅分別為5%、12%、15%與17%。這是因為陶粒的摻入使得原材料拌和的和易性得以提升，并且水泥漿與骨料間的黏結力隨之增加。然而增幅隨摻量的增加而減少，這是因為陶粒形狀較為不規則，均勻性不如河砂，導致河砂的摻量減少后無法對抗壓強度提供更高的貢獻，因此配合比的確定需要結合抗壓強度以外的指標。

3.3 對抗折強度的影響

陶?；炷恋?8 d抗折強度試驗結果見表5。

表5 陶?；炷量拐蹚姸?/p>

由表5與破壞過程可知，與不摻加陶粒的級配相比，長方體試塊的抗折強度分別提升5%、10%、12%與14%，抗折強度隨著陶粒摻量的增加而增加，增幅同樣呈降低的趨勢。這是因為抗折強度由水泥等級與細骨料和粗骨料的結合強度決定，而本文采用的陶粒偏細，初期少量的替換有利于提高黏結的強度。

3.4 對韌性的影響

由文獻[6]可知，折壓比可衡量混凝土的韌性，其值越高越不易開裂，根據已有試驗結果計算折壓比，見表6。

表6 陶粒混凝土折壓比

由表6可知，折壓比在陶粒摻入后呈下降趨勢，可見強度的提升并未帶來韌性的提升，建議進一步通過試驗設計確定最佳配合比。

4 經濟型配合比正交試驗研究

根據以上試驗結果可知，陶粒摻量的增加可提升抗壓強度、抗折強度，但會帶來韌性的降低。那么在充分利用陶粒的基礎上能否減少水泥用量而增加粉煤灰用量需要進一步研究，因此本節擬降低水泥10～40 kg/m3，粉煤灰用量擬提高 10～40 kg/m3，保持其余原材料用量不變，以抗壓強度與抗折強度為試驗因素進行正交試驗設計，并根據試驗結果進行分析。結果見表7～表9。

表7 陶?；炷两M成研究正交試驗水平和因素 kg/m3

表8 陶粒混凝土性能影響因素正交試驗設計 kg/m3

表9 陶?；炷列阅苡绊懸蛩貥O差分析結果

通過正交試驗對比分析可知，水泥用量對試塊性能影響最大，陶粒摻量次之，粉煤灰影響最小。由表8可知，隨著水泥用量的減少、粉煤灰用量的增加，抗壓強度與抗折強度均呈降低趨勢，這是因為水泥用量減少后，無法提供水泥漿與骨料間的黏結力，導致混凝土的性能下降。

表10 陶粒混凝土質量配合比 kg/m3

綜上所述，建議在混凝土性能有保證的基礎上，增加陶粒與粉煤灰的用量以提高混凝土的經濟性，推薦的配合比見表10。

5 結論

a）當陶粒以100 kg/m3、200 kg/m3、300 kg/m3、400 kg/m3替換細骨料時，抗壓強度增幅分別為5%、12%、15%與17%；抗折強度增幅分別為5%、10%、12%與14%，韌性呈下降趨勢。

b）通過設計正交試驗降低水泥用量，提升粉煤灰用量，發現水泥用量對試塊性能影響最大，陶粒摻量次之，粉煤灰影響最小。隨著水泥用量的減少、粉煤灰用量的增加，抗壓強度與抗折強度均呈降低趨勢，經濟型配合比建議在保證性能的基礎上適量減少水泥用量，增加粉煤灰用量。