肖靜宇 龍杰

1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410128；2.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410007

高性能粉煤灰輕骨料混凝土不僅可以減輕結(jié)構(gòu)物自重，增加結(jié)構(gòu)物跨徑，同時(shí)利用工業(yè)廢棄物粉煤灰等量取代部分水泥，減少了環(huán)境污染，這一特性使高性能輕骨料混凝土有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。有資料研究表明，相比普通混凝土，粉煤灰輕骨料混凝土耐久性表現(xiàn)優(yōu)異，高抗?jié)B、自收縮小[1]、抗裂性能好[2]，并在很大程度上減輕堿集料反應(yīng)[3]。現(xiàn)今對(duì)輕骨料研究主要有抗碳化，硫酸鹽腐蝕及輕骨料混凝土耐久性等方面，對(duì)輕骨料混凝土的抗硫酸鹽腐蝕和力學(xué)演變規(guī)律綜合研究較少。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：湘鄉(xiāng)水泥廠出產(chǎn)P.O42.5。

細(xì)骨料：湘江河沙，細(xì)度模數(shù)2.85，表觀密度2650kg/m3，堆積密度1480kg/m3。

粉煤灰：湖南湘潭火電廠生產(chǎn)，一級(jí)粉煤灰（Fly ash(I)，簡(jiǎn)寫(xiě)FA(I)），比表面積為425m2/kg。

粗骨料：武漢宜昌寶珠陶粒開(kāi)發(fā)責(zé)任有限公司生產(chǎn)的5～20mm連續(xù)級(jí)配圓球型和破碎性高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒。

外加劑：聚羧酸高效減水劑，減水率30%。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）強(qiáng)度試驗(yàn)：混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)按GBJ 81—85《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試件尺寸100mm×100mm×100mm標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

（2）耐久性試驗(yàn)：抗折強(qiáng)度試件尺寸為100mm×100mm×400mm，選用三種不同濃度的硫酸鈉分別為0%、5%、10%溶液，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)（浸泡12h，再在65～76℃的烘箱中烘干12h，作為一次循環(huán)）在循環(huán)0、10、30、50次后分析抗壓及試件破壞情況，定義抗腐蝕折減系數(shù)K值，K=干濕循環(huán)后強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值/試件干濕循環(huán)前強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

按照J(rèn)GJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行陶?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)，主要配合比參數(shù)是：膠凝材料（C+FA）總量在500kg左右，粉煤灰等量取代水泥，取代率為30%；混凝土水膠比在0.28～0.3，減水劑摻量以拌合物坍落度在（200±20）mm為準(zhǔn)，陶粒預(yù)濕時(shí)間為1h，體積砂率為38%～40%，；同時(shí)設(shè)計(jì)一組正交試驗(yàn)L9（34），采用擬水平法，膠凝材料總量、粉煤灰等量取代水泥，具體如表1所示。

表1 因素水平表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擬水平法正交試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合表2和表3，影響輕骨料混凝土強(qiáng)度因素權(quán)重從高到低依次為A、B、C、D，最優(yōu)方案為A1B3C2D1。觀察試件破壞的全過(guò)程，在荷載作用下，試件首先出現(xiàn)一系列微小表皮炸開(kāi)的聲音。隨著荷載持續(xù)增加，試件棱和側(cè)面出現(xiàn)豎向裂縫，裂縫逐漸擴(kuò)展延伸至角部最終導(dǎo)致試件的破壞。與普通混凝土相比，試件的破壞面不是骨料表面薄弱區(qū)而是輕骨料骨料本身受壓破壞，因素A是影響骨料抗壓強(qiáng)度最主要因素。從單一粗骨料類型上看，骨料強(qiáng)度越高混凝土強(qiáng)度越高。

表2 混凝土的3、7、28d抗壓強(qiáng)度（MPa）

表3 試驗(yàn)結(jié)果分析

B因素（材料級(jí)配和粒型因素）：由表3可知，B3人工連續(xù)級(jí)配明顯優(yōu)于單一級(jí)配和自然級(jí)配，圓球型陶粒由于表面致密且內(nèi)部多孔，但內(nèi)部孔隙分布均勻，連通率低，有利于降低輕骨料集料的吸水率，提高了輕骨料混凝土的工作性能。破碎型頁(yè)巖陶粒表面開(kāi)口孔洞增多，在表面張力作用下，骨料吸水率增加，考慮到粒型系數(shù)影響，頁(yè)巖圓陶粒型系數(shù)遠(yuǎn)小于規(guī)范值≤3.0，導(dǎo)致試件強(qiáng)度低于圓球型陶?；炷?。

與此同時(shí)，采用人工級(jí)配設(shè)計(jì)，在圓陶中摻加破碎型陶粒，取代率為12%。在破碎型陶?；炷林校茚樒瑺铑w粒影響，混凝土在成型過(guò)程中針片狀顆粒多數(shù)被其它顆粒呈簡(jiǎn)支粱狀支承，個(gè)別針狀顆粒又起尖劈作用產(chǎn)生應(yīng)力集中，在受力時(shí)薄弱易斷裂。但當(dāng)粗骨料針片狀含量小于一定含量時(shí)，隨著破碎型陶粒的加入能有效的阻止圓型陶粒相對(duì)滑動(dòng)，在混凝土界面形成界面過(guò)渡區(qū)，進(jìn)一步增加骨料橫向拉力，減少了貫通縫的形成，增強(qiáng)了其抗壓強(qiáng)度。

C因素：隨著砂率的提高，輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度隨著上升。由于普通中砂強(qiáng)度高于頁(yè)巖骨料抗壓強(qiáng)度，砂率的提高進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)物空隙率，但砂率達(dá)到一定值后，試件強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。

2.2 抗硫酸鹽腐蝕

2.2.1 粉煤灰取代量對(duì)混凝土抗腐蝕性影響

在輕骨料混凝土中用FA(I)等量替代水泥，取代率分別為0%～50%，同時(shí)在5%液硫酸鈉溶液環(huán)境下干濕循環(huán)50次。FA(I)摻量從0%～30%，其抗壓強(qiáng)度損失率隨之降低。取代率為30%時(shí)，達(dá)到最低值，普通混凝土強(qiáng)度損失率為7.5%，輕骨料混凝土為4.8%；FA(I)取代量超過(guò)30%時(shí)其強(qiáng)度損失率有所升高，當(dāng)摻量為50%時(shí)，強(qiáng)度損失率分別為17%、16.3%。分析其原因：首先，輕骨料混凝土摻入FA(I)活性材料，F(xiàn)A(I)能與水泥水化產(chǎn)生的CH發(fā)生二次水化發(fā)應(yīng)，降低了混凝上中的Ca2+濃度，生成C—S—H凝膠，優(yōu)化了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)和界面過(guò)渡區(qū)；其次，由于FA(I)自身細(xì)度高，進(jìn)一步填充密實(shí)了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙，在一定程度上阻隔了水分和氣體滲入通道，降低了混凝中有害孔隙率，在一定程度上降低了侵蝕溶液向內(nèi)部的擴(kuò)散幾率；此外，硫酸鹽是火山灰反應(yīng)的促進(jìn)劑，硫酸鈣加快了粉煤灰活性材料反應(yīng)速度，有效降低了其強(qiáng)度損失率，表現(xiàn)出更好抗侵性。

2.2.2 硫酸鹽腐蝕對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

FA(I)等量取代30%水泥，在不同濃度硫酸鹽溶液干濕循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)為10、30、50次后測(cè)量其抗壓強(qiáng)度值。結(jié)合表3，試樣抗壓曲線總體表現(xiàn)為先上升后下降趨勢(shì)。干濕循環(huán)從0～30次，試件抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，30次時(shí)達(dá)最高點(diǎn)；循環(huán)到50次時(shí)，普通混凝土三種溶液K值依次為94.3%、92.5%、89.2%，輕骨料混凝土三種溶液K值依次為97.5%、95.2%、92.1%。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）正交擬水平試驗(yàn)表明輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度影響因素權(quán)重從高到底依次為粗骨料強(qiáng)度、骨料級(jí)配、砂率、水膠比。

（2）相比于普通混凝土，輕骨料混凝土中粉煤灰最優(yōu)取代量為30%。

（3）硫酸鹽干濕循環(huán)條件下，輕骨料混凝土抗壓曲線總體表現(xiàn)為先上升后下降趨勢(shì)。