基于頁巖陶粒粒度特性的輕質高強混凝土制備研究

袁龍華，龔穎

（湖南工學院材料與化學工程學院，湖南 衡陽 421002）

0 前言

混凝土是全世界使用最廣泛的建筑材料。隨著現代高層建筑、大跨度橋梁的縱深發展，對混凝土材料提出了輕質、高強、保溫、隔熱、環保等一系列要求，輕質高強混凝土成為發展必然[1]。輕質高強混凝土中骨料約占到總重量的 60%，骨料的性能會極大地影響到混凝土拌合物的和易性和混凝土強度[2]。目前，學者研究了粉煤灰、砂率、外加劑對混凝土各方面性能的影響[3-5]，但較少在輕粗骨料影響輕質高強混凝土的和易性及強度方面進行研究探討。本文通過制備強度等級為 C70 容重 (1800±50)kg/m3的輕質高強混凝土，采用頁巖陶粒作為粗骨料，通過不同最大粒徑、級配的頁巖陶粒來探究其和易性及強度的影響規律。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）P·O42.5 水泥；（2）硅灰；（3）S95 礦粉；（4）Ⅰ級粉煤灰；（5）輕細骨料選用質量合格、級配連續的普通陶砂，其表觀密度為 1540kg/m3，細度模數 2.3；（6）普通砂選用質量合格、級配連續的普通河砂，其表觀密度 2600kg/m3，細度模數 2.7；（7）輕骨料采用湖北宜昌光大陶粒制品有限公司所生產的高強碎石型頁巖陶粒，各項性能指標如表 1 所示；（8）外加劑聚羧酸高效減水劑，減水率 28%。

表1 陶粒的性能指標

1.2 試驗方法

本試驗通過將頁巖陶粒篩分最為大粒徑 19.0mm、16.0mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm 五組；各粒級組分0～9.5mm、9.5～19mm 兩組，以坍落度、抗壓強度、表觀密度為指標對輕質高強混凝土工作性能和物理力學性能進行評價。坍落度的測定方法按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行；輕質高強混凝土表觀密度和抗壓強度的測定、混凝土拌合物的拌制與成型按照 JGJ 12—2019《輕骨料混凝土應用技術標準》進行。

2 試驗配合比

（1）根據 JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術規程》，計算混凝土試配強度：

（2）確定膠凝材料用量并選擇砂率。

（3）采用絕對體積法計算粗細骨料的用量：

式中：

mc、ms、mg——分別為水泥、細骨料和粗骨料用量，kg；

Vs、Va——分別為每立方米混凝土的細骨料和粗骨料的絕對體積，m3；

ρc、ρw、ρs、ρa——分別為水泥、水、細骨料和粗骨料的密度，kg/m3。

通過正交試驗和配合比的優化，確定最優配合比，各項數據詳見表 2。

表2 輕質高強混凝土配合比 kg/m3

本試驗中配合比設計以骨料飽和面干為基礎；細骨料采用陶砂與河砂混摻的方式，河砂占細骨料總量的20%。

3 試驗結果及分析

3.1 頁巖陶粒最大粒徑對混凝土性能的影響

在試驗配合比的基礎上，改變頁巖陶粒最大粒徑，探究其對混凝土工作性能和抗壓強度的影響。試驗結果如表 3、表 4 所示。

表3 不同最大粒徑混凝土拌合物工作性能

表4 不同最大粒徑混凝土抗壓強度 MPa

由表 3 可知，隨著陶粒最大粒徑的減少，混凝土拌合物工作性能也隨之下降，陶粒最大粒徑小于 4.75mm時，混凝土拌合物流動性很差，無坍落度。陶粒最大粒徑 19.0mm 與最大粒徑 16.0mm 混凝土拌合物工作性能接近，一方面是因為本次選用的頁巖陶粒 16.0～19.0mm 組分較少，另一方面這兩個粒徑的陶粒比表面積相差較小，僅有 15.8%，包裹其所用的水泥漿體數量也比較接近，故而混凝土拌合物的工作性能差別不大。當陶粒最大粒徑小于 16.0mm 時，混凝土拌合物工作性能大幅度下降，對實際施工操作有較大的影響，主要原因是隨著陶粒最大粒徑減少，陶粒的比表面積成倍增加，增加幅度分別為 68.5%、100%、101.3%，比表面積增加使得陶粒可以吸收更多的水，而拌合用水量沒有增加，導致沒有足夠水分提供給膠凝材料進行拌制和分散，造成混凝土拌合物工作性能顯著變差。當陶粒最大粒徑小于 4.75mm 時，混凝土拌合物基本失去工作性能，主要原因是陶粒的比表面積過大，陶粒吸水使拌合物流動性降低，本試驗配合比條件下水泥漿體數量嚴重不足，混凝土拌合物難以拌合、成型。若對工作性能有要求，可適當增加膠凝材料的用量。

由表 4 和圖 1 可以看出，隨著陶粒最大粒徑的減小，抗壓強度有所增加，但增加不顯著，僅提升 2% 左右。主要原因是隨著陶粒最大粒徑的減小，膠凝材料更容易填滿骨料之間的空隙，混凝土中膠凝材料漿體與骨料間界面過渡區的微裂縫變少，使抗壓強度升高，但減少幅度有限，無法從量變到質變，應該是本試驗配制輕質高強混凝土抗壓強度較高，均在 70MPa 以上，接近原材料性能極限，造成混凝土抗壓實際提升不大。當最大粒徑小于 9.5mm 時，抗壓強度反而降低。主要原因是隨著最大粒徑的減少，骨料比表面積成倍增加，膠凝材料漿體無法完全包裹陶粒，反而造成界面過渡區有更多的空隙，使抗壓強度降低。

圖1 不同最大粒徑混凝土抗壓強度

3.2 頁巖陶粒級配對混凝土性能的影響

在試驗配合比的基礎上，改變粒級組分 G1（0～9.5mm）和 G2（9.5～19mm）的比例，探究其對混凝土工作性能和抗壓強度的影響。試驗結果如表 5、表 6 所示。

表6 不同粒級組分比例混凝土抗壓強度

根據表 5 的試驗結果，隨著陶粒粒級 9.5～19.0mm的減少，混凝土拌合物坍落度先增加后減少，陶粒的松散空隙率發展趨勢大致相反，主要原因是陶粒的松散空隙率低，有利于混凝土拌合物的工作性能。當粒級 0～9.5mm 與 9.5～19.0mm 為 1:1 時，陶粒的松散空隙率最小，混凝土拌合物工作性能最優，流動性、粘聚性、保水性相對均衡。在不改變混凝土拌合物工作性能條件下，陶粒的松散空隙率低，可以減少膠凝材料用量，從而節約資源，降低生產成本，減低廢物排放，保護環境。陶粒松散空隙率越低，混凝土拌合物工作性能越好。

從表 6 和圖 2 可以得知，隨著陶粒粒級 9.5～19.0mm 的減少，混凝土抗壓強度先增后減，然后再增，陶粒的松散空隙率發展趨勢大致相反，主要原因是松散空隙率小，粗骨料級配合理，膠凝材料填充細骨料的空隙，細骨料填充粗骨料的空隙，水泥水化完全，混凝土試塊密實度高，內部空間基本被填滿，使抗壓強度增加。但混凝土抗壓強度實際提升不明顯，最大僅提升5.5%。主要原因是本試驗配制輕質高強混凝土抗壓強度較高，均在 70MPa 以上，接近原材料性能極限，造成混凝土抗壓實際提升不大。

圖2 不同粒級組分比例混凝土抗壓強度

4 結論

（1）隨著頁巖陶粒最大粒徑逐漸變小，混凝土流動性變差，粘聚性和保水性有所增加。抗壓強度有所增加，但增加不顯著，僅提升 2% 左右，難以在實際工程中有明顯的經濟效益。

（2）當陶粒粒級 0～9.5mm 與 9.5～19.0mm 為 1:1時松散空隙率最小，混凝土拌合物工作性能最優，流動性、粘聚性、保水性相對均衡。同時，混凝土抗壓強度最高。實際工程中應采用較低松散空隙率的輕粗骨料。