王冬云,崔 崇,項 洲,孫宇航

(1.黃岡師范學(xué)院 建筑工程學(xué)院,湖北 黃岡 438000;2.黃岡市生態(tài)建筑與可再生資源研究中心,湖北 黃岡 438000;3.南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

混凝土具有成本低、強度高和耐久性能良好的特點,在高層建筑、大跨度橋梁、水力工程等建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用[1-2],是一種消耗量最大的人造材料。據(jù)統(tǒng)計,混凝土每年消耗量可達(dá)100億噸。在混凝土原材料中,石子消耗量最大,約占混凝土總體積的40%～50%。也就是說,每年將有至少40億噸的石子被消耗。石子是一種天然不可再生資源,需從礦山中開采,這不僅破壞生態(tài)環(huán)境,也使得礦產(chǎn)資源不斷被消耗[3-5]。許多學(xué)者利用粘土、頁巖或者工業(yè)固廢制備人造陶粒來取代石子。陶?；炷敛粌H輕質(zhì)高強,而且具備優(yōu)異的保溫隔熱和抗震性[6-8]。目前,在我國市場上的輕骨料主要有燒結(jié)陶粒輕骨料混凝土和免燒結(jié)陶粒輕骨料混凝土,以及南京理工大學(xué)團(tuán)隊研發(fā)的蒸壓陶粒輕骨料混凝土。

蒸壓陶粒是一種粒徑大于5mm的新型人造硅酸鹽粒子,它是以火山灰(或具有火山灰特質(zhì)原料)和石英砂為硅質(zhì)原料,采用適量水泥和氧化鈣為鈣質(zhì)材料,外摻適量添加劑、水,經(jīng)攪拌混合、造粒、靜養(yǎng)和蒸壓養(yǎng)護(hù)工藝制備而成[9-10]。前期研究[10-14]已發(fā)現(xiàn),在具有相同的水泥砂漿基體條件下,蒸壓陶粒輕骨料混凝土具有與普通混凝土相當(dāng)?shù)膹姸?但密度卻降低17.5%。這說明蒸壓陶粒有比石子在混凝土中更強的市場競爭力。但蒸壓陶粒輕骨料混凝土的研究僅處于起步階段,有必要對其力學(xué)性能展開進(jìn)一步研究。

力學(xué)性能決定了混凝土抵抗外力產(chǎn)生的某種應(yīng)力的能力。立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度均是混凝土力學(xué)性能的重要特征,分別決定了混凝土的強度等級和混凝土的抗裂能力[1]。而水灰比是影響混凝土強度的重要因素之一[15],另外,密度決定混凝土的自重,影響材料的結(jié)構(gòu)效率,而超聲波可以對混凝土的強度進(jìn)行無損檢測[16]?；诖?本研究開展了水灰比對蒸壓陶粒輕骨料混凝土密度、立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度和超聲波聲速的研究,以期為蒸壓陶粒在工程中的應(yīng)用提供理論價值和技術(shù)支撐。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

粗骨料分別為蒸壓陶粒和石子。蒸壓陶粒為浙江中勁環(huán)保科技有限公司實驗室自制。河砂,作為混凝土中的細(xì)骨料,表觀密度為2.64g/cm3,細(xì)度模數(shù)為2.4。選用的水泥是南京小野田公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥。

1.2 配合比設(shè)計

表1為混凝土的配合比設(shè)計。陶?；炷辆幪枮镸1～M5,對應(yīng)的水灰比分別為0.3、0.35、0.4、0.45和0.5。在混凝土配合比中,水泥用量和陶粒用量分別固定為430kg/m3和763kg/m3。減水劑是聚羧酸減水劑,減水率30%,以使混凝土拌合物達(dá)到合適的坍落度。

表1 混凝土配合比設(shè)計

拌合前,陶粒在水中預(yù)先浸泡1小時。然后,用濕毛巾擦干預(yù)濕陶粒至飽和面干狀態(tài),將混凝土拌合物澆筑至70.7mm×70.7mm×70.7 mm的立方體模具中,振動成型,覆蓋塑料保鮮膜至混凝土表面,室內(nèi)靜置24小時后拆模,放入20±2 ℃的水中養(yǎng)護(hù)至需要規(guī)定的齡期。

1.3 測試方法

混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度依據(jù)GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]進(jìn)行測試。

2 結(jié)果和討論

2.1 干表觀密度

陶?；炷恋?8d干表觀密度見表2。可見,隨著水灰比的增加,陶?；炷恋母杀碛^密度逐漸降低,這是由于水灰比增加,混凝土密實度降低。

表2 陶?；炷量箟簭姸?、劈裂抗拉強度和干表觀密度

JGJ51-2002[18]規(guī)定干表現(xiàn)密度小于1 950kg/m3的混凝土可定義為輕骨料混凝土,密度等級介于1 950～2 300kg/m3之間的混凝土定義為次輕混凝土。編號M1、M2混凝土干表觀密度分別為1 988 kg/m3、1 954kg/m3,介于1 950～2 300kg/m3之間,為次輕混凝土;M3-M5的干表觀密度小于1 950kg/m3,為輕骨料混凝土。

2.2 陶?；炷恋目箟簭姸?/h3>

陶?；炷敛煌g期(1d、3d、7d和28d)的強度見表2。隨著水灰比從0.3升高0.5,混凝土在不同齡期的強度均降低。原因在于,水灰比升高導(dǎo)致多余水分增加,多余水分蒸發(fā)形成氣孔,減少了混凝土抵抗荷載的有效斷面,在荷載作用下,孔隙周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中,使得水灰比增加混凝土強度降低。

陶?；炷?d強度是28d強度的84%～92%。對于普通混凝土,7d強度僅是28d強度的70%～80%。說明陶?；炷辆哂性鐝姷奶卣鳌Ａ硗?還發(fā)現(xiàn)1d和3d的陶?；炷翉姸确謩e是28d強度的37%～66%和73%～76%。

編號M1～M5的28d抗壓強度分別為66.9MPa、74MPa、50.5MPa、39.8MPa和34.8MPa。GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[19]規(guī)定混凝土強度等級高于C15,可作為結(jié)構(gòu)混凝土使用,制備的混凝土強度等級均高于C15,滿足結(jié)構(gòu)混凝土要求。

強度預(yù)測模型有助于混凝土的施工質(zhì)量控制,可以做到結(jié)構(gòu)混凝土存在質(zhì)量問題早發(fā)現(xiàn),早解決。其存在對于加快施工進(jìn)度,縮短施工周期具有較為重要的意義。因此,根據(jù)1d、3d、7d和28d 的強度,通過擬合,構(gòu)建了陶粒混凝土強度的預(yù)測模型,結(jié)果見圖1。可以發(fā)現(xiàn),陶?；炷恋脑缙趶姸?1d、3d和7d)和28d抗壓強度有較好的線性關(guān)系。

圖1 陶?；炷恋脑缙趶姸?1d、3d、7d)與28d抗壓強度之間的關(guān)系

2.3 劈裂抗拉強度

混凝土是一種典型的脆性材料,在外界荷載作用較小就會出現(xiàn)裂縫?；炷恋目估瓘姸群苄?一般只有抗壓強度的1/10～1/20,且隨著混凝土強度等級提高,拉壓比值減小,混凝土脆性增加,更易出現(xiàn)裂縫?；炷猎诠ぷ鲿r不依靠抗拉強度,但抗拉強度對于開裂性有重要意義。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,抗拉強度是確定混凝土抗裂能力的重要指標(biāo),是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)裂縫控制驗算的重要指標(biāo)。在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[19]中規(guī)定,鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行受拉邊緣應(yīng)力或正截面裂縫寬度驗算。

混凝土抗拉強度可采用直接測試法和劈裂試驗測得,分別稱為軸心抗拉強度和劈裂抗拉強度。為了保證結(jié)構(gòu)混凝土的正常使用,規(guī)范對抗拉強度指標(biāo)作了具體規(guī)定。GB50010-2010[19]規(guī)定結(jié)構(gòu)混凝土的軸心抗拉強度不低于1.27MPa。ASTM C330/C330M-2017[20]規(guī)定可作為結(jié)構(gòu)用的混凝土的劈裂抗拉強度不低于2MPa。

M1～M5的28d劈裂抗拉強度分別為7.57MPa、8.33MPa、5.05MPa、4.61MPa和3.84MPa,陶粒混凝土的劈裂抗拉強度為3.84～8.33 MPa,大于2MPa,滿足要求。陶?；炷恋呐芽估瓘姸入S著抗壓強度的增大而增大。根據(jù)表1結(jié)果擬合,可發(fā)現(xiàn)陶?；炷量箟簭姸扰c劈裂抗拉強度有很強的指數(shù)關(guān)系,結(jié)果見圖2。

圖2 陶粒混凝土28d抗壓強度與劈裂抗拉強度之間的關(guān)系

2.4 超聲波聲速

波在固體、氣體和液體中的傳播速度不同,因此混凝土強度和缺陷通常也采用超聲法進(jìn)行無損檢測。已有較多研究對石子混凝土和輕骨料混凝土超聲波聲速進(jìn)行了檢測,但關(guān)于蒸壓輕骨料混凝土的超聲波聲速報道還很少。因此,對陶?；炷恋某暡曀龠M(jìn)行測定,結(jié)果見表3。

表3 陶?；炷恋某暡曀?m·s-1)

由表3可以發(fā)現(xiàn),隨著齡期的增加,水泥繼續(xù)水化,混凝土變得致密,它的超聲波聲速逐漸增加;水灰比增加,孔隙增多,混凝土的超聲波聲速降低。圖3擬合了超聲波聲速與混凝土強度之間的關(guān)系。可見,強度與聲速之間的擬合度很好,存在良好的指數(shù)關(guān)系。

圖3 陶粒混凝土抗壓強度與超聲波聲速之間的關(guān)系

通過本實驗,可以得出以下結(jié)論:蒸壓陶粒輕骨料混凝土在1d、3d和7d的強度分別是28d強度的37%～66%、73%～76%和84%～92%。劈裂抗拉強度滿足結(jié)構(gòu)混凝土的要求。陶?；炷?d、3d和7d的抗壓強度與28強度具有良好的線性關(guān)系;28d劈裂抗拉強度與28d抗壓強度有良好的指數(shù)關(guān)系,陶?；炷恋膹姸扰c超聲波聲速存在較強的指數(shù)關(guān)系。該研究成果將為蒸壓陶粒在混凝土中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。