双掺陶粒混凝土强度试验研究

双掺陶粒混凝土强度试验研究

周鸿 ,李慧 ,黄李茜

（沈阳城市建设学院  沈阳辽宁  110167）

摘要：随着我国城市化建设步伐的加快，新老建筑不断更新换代，产生了大量的废旧混凝土。目前，大多采用堆放填埋的方式处理建筑垃圾，不仅占用大量土地资源，也会间接造成土壤、大气环境的污染。此外，过度消耗天然砂石资源造成的资源短缺也成为日益严重的世界性问题。2014年，根据《中国资源综合利用年度报告》的数据显示，发达国家的建筑垃圾有效转化利用率可达60%，而我国建筑垃圾的有效转化利用率仅为5%。相关数据显示，我国2021年建筑业产生的建筑垃圾固体废弃物总量高达20亿t。数量如此庞大的建筑垃圾如何转变为再生资源，降低资源及能源的消耗，成为目前建筑业学者亟待研究的重要课题之一。

关键词：粉煤灰；硅粉；陶粒；水胶比；抗压强度

引言

在混凝土原材料价格频涨的情况下，很多原材料的品质随着市场竞争的需求降低，特别是机制砂的级配差，细度模数远超中砂标准，商混站为保生产，也只能勉强使用，但是生产过程控制难度却非常大，经常出现混凝土离析、露石、流动性差的问题，对构件造成蜂窝，麻面，无法振捣密实的情况。在这种情况下，各大外加剂厂也面临着巨大的挑战，从而推出减胶剂控制成本调节混凝土状态，因减胶剂的成分pH酸碱度是9.6，属于弱碱性，混凝土在碱性条件下被激发，早期强度增长较好，不利于后期强度发展，因此在使用该产品时，按照厂家推荐掺量，需要充分验证是否存在碱激发导致的前期强度较高，后期强度不增长或出现负增长的现象，同时需要跟踪检测该产品使用后对碳化的影响以及对回弹强度的影响，本文将对强度增长及回弹情况进行试验论证。

1试验概况

1.1试验原材料

本试验所制备的陶粒混凝土主要采用粉煤灰、硅粉、水泥和陶粒等材料进行配置，未加入减水剂。试验用水泥为天鹅牌Ｐ.Ｏ４２.５普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用黑龙江火电公司的Ｉ级灰，平均粒径约为３.５μｍ；硅粉采用超晶牌硅微粉，ＳｉＯ２含量为９７.１８％，表面积为１.８×１０５ｃｍ２·ｇ－１；拌合水为自来水；陶粒采用黏土陶粒，其基本性能见表１

表１陶粒的基本性能

1.2样品制备

根据本团队前期研究成果，选取四个不同的ＲCA替代率(0%，30%，50%，70%，质量分数，下同)，锂渣掺量为20%(质量分数，下同)，水胶比为0．45，制备C30掺锂渣再生混凝土。由于ＲCA的吸水率较高，试验中加入附加用水量以保持恒定的水胶比。按设计好的配合比称取水泥、锂渣及天然粗细骨料，先倒入单轴强制式搅拌机中搅拌均匀，随后加入ＲCA和水搅拌3min后立即倒入尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体模具成型，按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2019)规定的程序脱模并移入标准养护室(温度为(20±2)℃，相对湿度≥95%)，养护至28d龄期后进行抗压强度试验及CT扫描测试。

1.3高温煅烧试验

以在１０５℃温度条件下烘干至恒质量的试件作为空白对照组。煅烧试验设置４个温度，分别为２００、４００、６００、８００℃，为保证试验准确性、减少误差，每个温度下均放置３个试件进行煅烧试验。待电炉升温至目标温度后恒温１ｈ，然后取出试件，冷却至室温后进行强度试验。相邻温度梯度之间的试验要连续进行，即相邻梯度温度煅烧试验结束后，立刻取出电炉中试件，并把下一组温度梯度下的试件置于电炉中。

1.4混凝土模型回弹法强度测定

使用回弹仪之前需检查检定日期是否在有效期之内，并用钢砧进行率定。试验时，回弹仪轴线需始终垂直于混凝土检测面，双手慢慢施压，不要产生滑动，以确保读数准确。回弹检测共10个测区（10cm×10cm），测区距边界5cm。每个测区有16个测点，间距不小于2cm。均匀分布的测点可以客观反映检测结果和混凝土的整体情况，碳化深度检测不少于测区数的30%。测区表面为混凝土原浆面，若表面凹凸不平或存在蜂窝麻面则需提前打磨平整。依据TB10426—2019《铁路工程结构混凝土强度检测规程》进行数据分析与评定。

2结果与分析

2.1加减胶剂后混凝土强度的变化

在工程实际使用配合比（编号Ａ０）基础上，通过添加减胶剂，测试不同水泥减少量的情况下，混凝土３ｄ、２８ｄ的抗压强度．Ａ１代表减少水泥１５ｋｇ／ｍ３，Ａ２减少水泥２０ｋｇ／ｍ３，Ａ３减少水泥２５ｋｇ／ｍ３．通过强度测试结果可以看出，添加减胶剂后，虽然水泥量减少了，但不同龄期混凝土强度均有所上升，其中减少水泥２０ｋｇ／ｍ３的Ａ２试样，强度上升最多．通过与基准样进行比较可见，Ａ２试样水泥减少率为胶凝材料总量的５．１％，３ｄ强度上升４３．７４％，２８ｄ强度上升２６．５３％．即使水泥减少量最多的Ａ３组试样，２８ｄ强度仍然增长了１３．８５％．说明要达到与基准试样相同强度，配合比中水泥用量仍然有下降空间．需要说明的是，由于采用工程实际配合比，实测强度与混凝土标号偏离较大，原因可能是工程实际出于安全考虑及施工因素的影响，强度富余系数较高，实验室养护环境及操作规范程度较高等因素所致．

2.2粉煤灰与硅粉掺量比

陶粒混凝土中以粉煤灰和硅粉等量替代部分水泥后，陶粒混凝土的抗压强度变化。当水胶比为０.２８和０.３０时，在相同龄期，粉煤灰与硅粉掺量比为３∶４的抗压强度最大；当粉煤灰与硅粉掺量比为１∶６时，混凝土的后期增长速率更快，５６ｄ强度较２８ｄ强度增长８１.４％；当粉煤灰与硅粉掺量为３∶４和５∶２时，混凝土的早期增长速率高于后期；当水胶比为０.３２时，粉煤灰与硅粉掺量为５∶２的抗压强度最大，且前期的增长速率高于后期，其它则为后期增长速率高于前期。粉煤灰的主要矿物组成是玻璃体，这些球形玻璃体表面光滑、粒度细、质地致密、内比表面积小、对水的吸附力小；混凝土中掺入硅粉能改善水胶体与骨料的界面，细化了孔结构，能有效改善混凝土的力学性能。当水胶比为０.２８和０.３０时，随粉煤灰掺量的增加，使混凝土制备的需水量减少，降低了混凝土早期干燥收缩，使混凝土密实性得到很大提高，而且粉煤灰的细小颗粒能对胶凝材料的级配有改善作用，从而增强水泥胶体的密实度。当水胶比为０.３２时，水的用量增大，其水化反应更彻底，在粉煤灰用量增加时，其后期强度增长速率高于前期。

2.3加减胶剂后混凝土的微观结构

材料的微观结构对其宏观性能起着决定性作用，扫描电镜以很高的分辨率对混凝土材料进行微观形貌的观察，以确定其组成及各组成部分间的结构．显示Ａ０组与Ａ２组混凝土试件微观形貌．未加减胶剂混凝土试件３ｄ水化程度较低，针棒状钙矾石大量存在，少量出现Ｃａ（ＯＨ）２，生成的水化产物松散，添加减胶剂后，试件内部水化产物量增多，Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶量明显增多，水化产物网状结构搭接较为完善，水化２８ｄ的ＳＭＥ图能够更加清晰的展现，未加减胶剂试样中，存在较多未水化水泥颗粒，同时空隙率较高．添加减胶剂后，水泥颗粒水化率提高，结晶程度较高的Ｃａ（ＯＨ）２及微晶粒交叉连生的Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶，加上减胶剂与Ｃａ（ＯＨ）２反应生成的二次水化产物，填充于混凝土内部毛细微孔，形成更加致密的结构，，强度得以提升．

2.4强度试验分析

强度试验包括抗折、抗压和劈裂抗拉试验。个硅灰掺量的试样在不同的养护时间下，其各自的抗折强度、抗压强度和劈裂抗拉强度结果均发生一定差异性变化，在相同的养护时间内，硅灰掺量越高，混凝土的三种强度结果则越高。养护时间为3d时，试样C的三种强度结果明显高于试样A的三种强度结果;养护时间增加至7d时，各试样的抗折强度、抗压强度和劈裂抗拉强度结果则明显上升，高于养护时间为3d时的结果;同理，当养护时间达到28d时，3个试样的各强度结果高于养护时间为7d时的结果。其中，试样A、试样B、试样C的抗折强度结果分别达到10.62MPa、11.01MPa、12.24MPa，抗压强度结果的最高值分别达到50.35MPa、49.85MPa、52.4MPa，劈裂抗拉强度分别达到3.54MPa、3.82MPa、4.37MPa。因此，硅灰掺量越高，混凝土后期的强度增长越明显，其主要是由于混凝土中硅灰和水泥之间产生充分的水化反应后，可极大程度地提升混凝土强度。

2.5抗冻性

硬化胶浆经过25次冻融循环后的质量及强度损失率。CP-0和CP-0-32胶浆的质量损失率为负，说明冻融后其质量略有增长，其他胶浆的质量损失率在0.01%～0.06%之间，说明冻融后胶浆质量降低。冻融后试件质量增长的原因在于:硬化胶浆尚未产生剥蚀，而冻融后空隙率增加，导致胶浆吸水率和质量增加，也从侧面说明了改性后的胶浆更加密实。改性胶浆的抗压强度损失率、抗折强度损失率相对于对照组均有所下降，说明改性后胶浆的抗冻性得到改善。水胶比控制组的强度损失率基本为正，说明冻融循环后胶浆的抗压强度与抗折强度均有所损失。而流动度控制组的强度损失率均为负，说明短期冻融循环后胶浆的强度反而提升，这可能是由于冻融后胶浆孔隙率增加，反而有利于胶浆进一步水化。总之，流动度控制组胶浆的抗冻性优于水胶比控制组，且二者均优于对照组，三种抗冻性参数的敏感性从大到小依次为:抗折强度、抗压强度、质量。

2.6应力－应变曲线试验分析

应力应变展现试样的弹性模量，进一步衡量试样产生弹性变形的难易程度，试样的刚度越大，在受到一定应力作用后的弹性变形则越小。分析3个试样在不同的应变值时的应力变化结果，并将该结果与基准的应力结果进行对比。3个试样在不同的应变值下，其应力值的变化存在一定差异，以基准应力为参照，硅灰掺量越高，则应力结果的提升越显著，试样C的应力结果则明显高于试样A的应力结果，两者的最高值分别为7.34MPa和5.32MPa，应力结果之间相差2.02MPa。因此，硅灰掺量的逐渐增加，能够增加试样弹性模量，使混凝土在一定的应力下，发生的变形较小

3结论

通过模型试验与工程实例，分析钻芯法与回弹法检测的混凝土强度相关性，从强度随龄期的增长规律、芯样抗压强度与回弹法推定混凝土强度关系等方面进行了分析。主要结论如下：1）回弹法推定混凝土强度与芯样抗压强度成正相关关系，前者小于后者。对建设过程中的混凝土强度采用回弹法普查，有怀疑或争议时应进行钻芯法验证。2）从钻芯法与回弹法检测强度相关性来看，工程对比的105板隧道衬砌的钻芯法与回弹法检测强度相关性较小，离散性较大。监督检测是抽样检验，不属于质量普查，检测结论应明确，宜采用钻芯法进行混凝土强度检测。3）考虑冬季施工及混凝土强度发展规律等因素，为保障工程质量且避免争议，在工程质量监督检测中，隧道衬砌混凝土按90d龄期进行强度检测是合理的。

结束语

目前市场上已有很多商混公司在广泛使用减胶剂，在调整混凝土状态方面，该产品有较好的表现，特别是在机制砂细度级配数据不理想的情况下，起到较好的调节作用。按照推荐指标使用，既能保证混凝土状态，混凝土强度也有保障。但是试验发现的易碎问题，还要根据各实验室的情况，进行进一步论证，针对不同的胶凝材料进行全面的分析汇总，避免出现不利于混凝土耐久性的问题。同时混凝土回弹强度推定与实际试块强度差异较大，不利于现场混凝土结构验收的真实体现，需要与各地混凝土回弹曲线制定单位协作，共同验证回弹推定值与实测强度之间的关系并建立合理的回弹曲线。对于一个新的产品的推广与应用，每个地区实验室需要充分的实验，充分地论证各项性能，保证质量，保证强度稳定。

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项目来源：大学生创新创业训练计划项目“改性陶粒轻质混凝土制备研究与实践”编号：202213208007