輕質高強浮石混凝土抗壓強度試驗研究

郭玉娟，叢宇婷，孫劍飛，吳金華

(1.黑龍江省拜泉縣水利服務中心，黑龍江 拜泉 164700； 2.黑龍江大學 建筑工程學院，哈爾濱 150080)

0 引 言

天然浮石是一種由于熔融的巖漿隨火山噴發冷凝而成的密集氣孔的玻璃質熔巖，具有質量輕、強度高、耐酸堿、耐腐蝕且無污染、無放射性等優點，是理想的綠色環保產品[1]。國內外對浮石混凝土的研究都有不同進展和發現，由于其特殊的孔狀結構和資源優勢，在建筑、醫療、漁業、化工等領域有著廣泛的應用[2]。

我國浮石資源十分豐富，以北方地區為多且質量較好，因此研究浮石在輕骨料混凝土中的應用具有重要意義。目前，我國北方浮石資源儲量豐富的地區已經對浮石混凝土的研究與應用取得一定成果[3]。申和慶[4]等通過包裹強化提高浮石的筒壓強度，采用不同粒徑規格的浮石粗骨料及以部分浮石砂取代普通砂等措施，成功研制出抗壓強度超過45 MPa的輕質高強度混凝土。霍俊芳[5]等通過核磁共振與壓泵相結合建立相關模型，研究發現天然浮石混凝土內部孔結構與其抗壓強度之間存在一定的關系。劉倩[6]等通過基于核磁共振技術，選取不同種類的浮石作為粗骨料，研究不同粗骨料混凝土內部孔隙特征，發現黑浮石混凝土強度最高。董偉[7]等通過在配制浮石輕骨料混凝土中添加等質量的偏高嶺土替換水泥試驗中發現，偏高嶺土對浮石輕骨料混凝土的硬度有很大提高，尤其是早期混凝土強度。

國外對于浮石混凝土的研究比我國要早，德國是最早記載關于浮石混凝土的國家。此外，美國、意大利、日本等國都對浮石混凝土展開相應的研究，并取得一定成果[8]。如Marish Sabiniano Madlangbayan[9]等通過以稻殼灰為原料合成非晶納米硅，加入到火山浮石混凝土中，實驗結果表明其抗壓和劈裂抗拉強度均高于未添加納米硅試件。Affetzakis[10]等通過利用不同長度高彈性模量的鋼纖維和低彈性模量的聚丙烯纖維混雜，配制混雜纖維增強浮石混凝土，研究表明適量混雜纖維摻入能夠有效提升浮石混凝土彎曲韌性、抗折強度以及耐沖擊。Yasar[11]等通過利用粉煤灰作為摻和料配制浮石混凝土，研究表明當粉煤灰摻量為20%左右時能夠顯著改善浮石混凝土拌和物的均勻性和黏聚性，保證浮石混凝土強度指標，且具有良好的經濟價值。

1 材料和方法

1.1 試驗設備及其原材料

試驗使用儀器設備為混凝土攪拌機、振動臺、壓力試驗機等。各儀器的具體參數如下：①HJW60型單臥軸強制式混凝土攪拌機：攪拌粒直徑3～5 cm，攪拌時間≤45 s；②電子計數天平:規格15 kg，精度0.1 g；③TCS-300電子臺秤：最大稱量300 kg,最小稱量2 kg,分度值100 g；④1 m2振動臺:振幅0.5 mm；⑤101-2A電熱鼓風干燥箱：最高溫度300℃；⑥150×150×150標準混凝土試塊模具(材質為聚乙烯)；⑦NYL-3000型壓力試驗機：試驗機級別Ⅰ級。

試驗中所用的原材料有膠凝材料、浮石、碎石、河砂、水以及減水劑。具體參數如下。

1) 水泥。亞太集團生產的天鵝牌P.O42.5復合硅酸鹽水泥，其物理力學性能指標見表1。

表1 P.O42.5水泥物理力學性能指標Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

2) 粉煤灰。黑龍江火電公司的Ⅰ級灰，其化學成分見表2。

3) 粗骨料：①浮石采用長白山保護開發區池北富鑫浮石廠出產，其化學成分見表3。②石子采用粒徑為5～20 mm的碎石，含泥量低于1%,依據《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》(JGJ 52-2006)對其進行篩選。

4) 細骨料。砂子選用天然中粗河砂，級配良好，細度模數2.69，飽和面干吸水率為3.8%，含泥量2.5%。作為混凝土的添加劑，起到骨架及填充作用，以增加其耐磨性。

5) 硅粉。鞍山市意通微硅粉有限公司生產，表面積為1.8×105cm2/g，其化學成分見表4。

表2 粉煤灰化學成分表Tab.2 Chemical compositionTable of fly ash

表3 浮石化學成分表Tab.3 Chemical compositionTable of pumice

表4 硅粉主要化學成分Tab.4 Main chemical constituents of silicon powder

6) 減水劑。黑龍江省低溫科學研究所生產的聚羧酸高性能減水劑。

7) 水。哈爾濱市自來水廠生產的自來水。

1.2 試驗設計

通過閱讀大量文獻和國內外所用數據，本次試驗以膠凝材料480 kg/m3為定量，分析水膠比、粉煤灰摻量及浮石摻量(粗骨料用浮石等體積替代)3個因素，將正交試驗定為L9(33)方法，各影響因素及各水平值關系見表5，正交試驗浮石混凝土配合比見表6。本試驗為消除基體混凝土的變異對試驗結果的影響，在澆筑浮石混凝土的同時，澆筑同強度等級的素混凝土作為對比(水膠比為0.4，粉煤灰摻量為15%，浮石摻量為0)。

表5 正交因素水平表Tab.5 Orthogonal test factor levelTable

表6 浮石混凝土配合比Tab.6 OrthogonalTable and mix ratio

1.3 試驗過程

混凝土的拌和首先依次加入粗骨料、細骨料攪拌，再加入膠凝材料攪拌均勻，攪拌時間1 min。然后，將減水劑放入水并攪勻后，緩慢加入到攪拌機中以調節拌和物稠度，并攪拌得到均勻混凝土拌和物，將拌和物倒入內壁涂有機油的試膜中，并在振動臺上振動直至表面出現浮漿。放在室溫為20±5℃環境下靜止24 h后拆模編號，放進標準養護室(相對濕度95%)進行養護，養護期為3 d、7 d和28 d。取出試塊觀察表面是否有裂縫，將試塊平整一面放置于壓力試驗機承壓板上，按儀器規定進行操作，對試塊均勻加荷，加載速度為2.4 kN/s。試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50080-2016)規定進行。見圖1。

圖1 試驗過程

1.4 立方體抗壓強度試驗方法

立方體抗壓強度公式如下：

(1)

式中：fce為混凝土立方體抗壓強度，MPa；P為破

壞荷載值，kN；A為試件受壓面積，mm2。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

28 d浮石混凝土正交試驗結果見表7。

表7 28 d浮石混凝土正交試驗結果[12]Tab.7 28 d Pumice concrete orthogonal test results

通過正交試驗進行數據分析，分別得出7 d和28 d的抗壓強度損失率(圖2)。影響浮石混凝土抗壓強度的主次因素為：水膠比>粉煤灰摻量>浮石摻量。

圖2 抗壓強度損失率

2.2 浮石混凝土28 d抗壓強度結果分析

測量并記載浮石混凝土的3 d、7 d和28 d的抗壓強度，見圖3。對于水膠比，3 d時的影響因素水膠比明顯比7 d和28 d的水膠比影響大，隨著水膠比增大，拌和物的流動性增加，試塊中自由水含量增加，使得密實度降低，導致抗壓強度降低明顯，水膠比在0.5時相對達到最大值。對于粉煤灰，3 d時抗壓強度最小，此時是因為剛摻入進去的粉煤灰并未與周圍的物質充分發揮，水化反應很大程度上由于所加的膠凝材料引起；與3 d時相比，7 d時抗壓強度有了明顯的提升，此時粉煤灰表面光滑，所需的水量相對較少，粉煤灰細小的顆粒使得浮石與水泥、沙子間的空隙被填滿，從而使得混凝土的抗壓強度得到提升。28 d時粉煤灰水化反應基本充分發揮，能為水泥水化反應提供更多的水化產物沉淀場合，促進水化反應更加充分，提高了強度。但隨著粉煤灰摻量增加，所用膠凝材料的相對含量減少，降低了混凝土后期的強度，因此粉煤灰摻量在15%相對達到最優值。對于浮石摻量，浮石本身的強度相對其它粗骨料來說，硬度相對較大，隨著浮石摻量的增加，浮石混凝土的整體強度也會增加。

圖3 浮石混凝土的3 d、7 d和28 d的抗壓強度

通過對 9組試驗的抗壓強度數據進行直觀分析，分別得到極差與方差分析表，見表8。K1、K2、K3表示各因素每一水平的抗壓強度試驗結果均值，Rf表示各因素每一水平的極差，F表示各因素每一水平的方差。

表8 抗壓強度極差和方差分析表Tab.8 Extremely low compressive strength and analysis of variance

通過表8結果顯示，極差及方差越大，則該因素對其抗壓強度影響越大。3個因素對浮石混凝土抗壓強度的影響順序為：水膠比>粉煤灰摻量>浮石摻量。輕質浮石混凝土的主要評價指標為抗壓強度，綜合考慮各因素每一水平的要求，根據抗壓強度的均值大小，得到浮石混凝土的各因素水平最佳組合采用 ：A3B2C3。

為了觀察各因素的水平變化對抗壓強度的影響，作出各因素的不同水平下的抗壓強度折線圖，見圖4。圖4中橫軸表示各因素水平值，縱軸表示浮石混凝土抗壓強度值。

圖4 各因素不同水平下的抗壓強度折線圖

圖4顯示水灰比在0.5時，浮石混凝土抗壓強度值達到峰值。水灰比在0.3～0.4之間，水灰比的增加降低浮石混凝土抗壓強度，反而不易于強度的增長。粉煤灰摻量存在谷值和峰值，當粉煤灰摻量為10%～15%時，抗壓強度幅度提升，這說明摻入粉煤灰的作用有助于抗壓強度的增長；而摻量在15%～20%時，抗壓強度值浮動不明顯。浮石摻量在30%～90%時，抗壓強度隨摻量的增加而增長，說明浮石代替粗骨料既能降低混凝土自重，又不減小其抗壓強度。

3 結 論

本次試驗利用正交設計調配浮石混凝土，以7 d和28 d抗壓強度為參考指標，考慮了水膠比、粉煤灰摻量和浮石摻量3個因素的影響，得出以下結論：

1) 水膠比一定的條件下，利用粉煤灰等體積替換細骨料時，混凝土的抗壓強度要比無摻入粉煤灰高。

2) 采用極差與方差展開對正交試驗下抗壓強度結果的分析。試驗結果證明，在浮石混凝土各組成因素中，水膠比對其抗壓強度變化的響應最明顯。浮石混凝土各因素水平的最佳組合為 ：水膠比0.5、粉煤灰摻量15%、浮石替代率90%。