混合集料混凝土力学性能试验研究

摘　要:试验采用碎石和高强页岩陶粒配制不同集料组成的混合集料混凝土并研究其力学性能。试验表明:混合集料混凝土的抗劈拉强度、弹性模量和表观密度随碎石取代率增加而增大,最佳碎石取代率80 %时混凝土抗压强度和比强度达到最高。

关键词:混合集料混凝土;轻集料;力学性能;表观密度

中图分类号: TU528 　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1005 - 8249 (2006) 05 - 0028 - 03

　　近年来,轻质高强、高性能和多功能成为现代混凝土发展的目标,这在高层、超高层建筑及大跨度桥梁等工程中显得尤为重要。普通混凝土虽然强度较高,配制和施工技术较成熟,成本较低,但存在自重大、脆性大等缺点;轻集料混凝土虽然具有轻质高强、保温、隔热、无碱骨料反应和抗震性能好等优点[1 ] ,但抗压强度和弹性模量低、变形大、原材料成本高,很难满足工

　　程的实际需要。为了解决普通集料混凝土和轻集料混凝土两者的不足,出现了混合配置的混合集料混凝土,通过调整集料组成,在保证强度的前提下提高混凝土的弹性模量、抗裂性能和比强度,取得很好的性能和经济效应。因此,进一步研究混合集料混凝土中集料组成与混凝土力学性能和表观密度的关系,对混合集料混凝土在实际工程中的推广和应用具有现实意义。

1 　试验原材料

　　试验原材料有: 42. 5 普通硅酸盐水泥( 密度3. 13g/ cm3 ,基本性能见表1) 、Ⅰ级粉煤灰(基本性能见表2 ) 、河砂( 细度模数MX = 2. 32 , 堆积密度1580kg/ m3 ,表观密度2650kg/ m3 ,含泥量< 1 % ,级配合格) 、碎石(粒径5mm～20mm ,表观密度2709kg/m3 ,堆积密度1470kg/ m3 ,压碎指标7. 8 %,含泥量<0. 5 %) 、800 级页岩陶粒(基本性能见表3) 、FDN2I 型高效减水剂(粉状,减水率18 %～28 %) 、自来水。

2 　试　　验

2. 1 　试验方法

　　陶粒本身具有一定的吸水率,试验前先对陶粒浸泡1h ,然后摊开自然风干至饱和面干状态后进行试验。将陶粒、碎石、砂、水泥和粉煤灰放入搅拌机中干拌30s ,然后加水搅拌30s ,再加入减水剂搅拌90s 出锅,振动成型,在标准条件下养护至一定龄期进行试验。混凝土力学性能按《普通混凝土力学性能试验方法》( GB/ T 50081 - 2002) 进行测试,其中立方体抗压及劈裂抗拉测试试件尺寸为100mm ×100mm ×100mm ,弹性模量测试试样尺寸为100mm ×100mm ×300mm ,试验结果已乘相应换算系数。

2. 2 　配合比设计及混凝土性能

　　试验配合比按照《轻集料混凝土技术规程》(J GJ 51 - 2002) 配合比设计方法中的绝对体积法设计,首先确定轻集料混凝土配合比:水胶比0. 26 ,体积砂率42 % ,采用I 级粉煤灰等量取代法,取代率10 % ,减水剂掺量为胶凝材料用量的0. 6 %;然后以轻集料混凝土配合比为基准,保持粗集料总体积不变的条件下用碎石取代轻集料,取代率分别取0 、20 %、40 %、60 %、80 %和100 % ,分别研究粗集料组成对混凝土力学性能和表观密度的影响,结果见表4 。

3 　试验结果分析与讨论

3. 1 　集料组成对混合集料混凝土强度的影响

　　从图1 看出,随着养护龄期延长,各组混凝土的强度都有所增长,其中掺入碎石的混合集料混凝土7d、28d 抗压强度增长率均比轻集料混凝土要大;因为在轻集料混凝土早期,陶粒本身作为多孔材料,具有微泵效应,会吸收一定的水分和水泥浆体,在陶粒内部形成水化产物[2 ] ,强化了陶粒本身强度和与水泥石的界面强度,减少了陶粒与水泥石界面破坏的概率[3 ] ,因此早期强度比较高,3d 抗压强度可以达到28d 抗压强度的75 %以上;随着水泥石的不断硬化,由于陶粒本身强度较低,成为混凝土破坏的薄弱环节,抗压强度随龄期的增长较缓慢。对于28d 抗压强度来说,混合集料混凝土存在一个最优的碎石取代率,碎石取代率为40 %～80 %时,28d 抗压强度较高,碎石取代率80 %左右,混凝土的抗压强度达到极值,此时抗压强度是同组中轻集料混凝土和普通集料混凝土抗压强度的1. 29 倍和1. 05 倍;然而,碎石取代率超过86 %,强度反而会下降。这说明掺入适量碎石对混凝土抗压强度的提高有利,但作为两种不同的集料,碎石和陶粒混合时,存在一个最佳混合比例,使两种集料能互相搭配填充,从而达到混凝土孔隙率最低,强度和密实度最高[4 ] 。在这种情况下,集料与水泥石的有效接触面积最大,集料在混凝土中的骨架作用及与水泥石的粘结啮合作用最强,再加上陶粒自身界面强化和自养护作用,从而提高了混合集料混凝土体系的宏观强度[5 ] 。

　　从图2 和表4 看:随着碎石取代率增加,混合集料混凝土的抗劈拉强度逐渐增大,28d 抗劈拉强度与抗压强度的比值f t s ,28d / fcu ,28d (拉压比) 也随着碎石取代率增加而增大。这可能是因碎石强度明显高于陶粒强度,在混合集料混凝土中,陶粒与水泥石的界面过渡区不再是破坏的薄弱环节,而陶粒本身因强度较低,成为破坏的主要部分。因此,随着碎石比例的增加,碎石不断发挥骨架作用,混凝土的宏观强度逐渐提高[ 6 ] 。

3. 2 　集料组成对混合集料混凝土弹性模量的影响

　　不同碎石取代率对混凝土弹性模量的影响见图3和表4 。由图3 看出,随着碎石比例增加,各组混凝土的弹性模量逐渐增大,与碎石的取代率近似线性关系,

试验研究

　　经回归分析,得碎石取代率与混凝土弹性模量的关系式: EL = 27. 87 + 0. 141X ,相关系数R = 99. 6 % ,式中E 为混凝土28d 弹性模量( GPa) , X 为碎石取代率( %) 。王发洲等研究提出:混合集料混凝土的弹性模量不仅与抗压强度有关,还与混凝土的密度相关,也可以利用轻集料混凝土弹性模量计算公式进行计算: EL= 2. 02ρ·fcu ,k0. 5 ,其中ρ修正为混凝土面干密度,而不是烘干表观密度,fcu ,k 为标准立方体混凝土的抗压强度。但对于本试验的数据,该公式的相关性不高,笔者认为由于碎石的加入,影响混合集料混凝土弹性模量的不定因素增多,该公式的使用有一定的局限性,需要进一步修正以满足混合集料混凝土的普遍适用性。

　　由结果可知,碎石的加入有效的提高了混凝土的弹性模量,混合集料混凝土的弹性模量介于普通集料混凝土和轻集料混凝土之间,具有比同强度等级普通混凝土更大的延性,比一般轻集料混凝土更高的强度和抗变形能力,克服了两种混凝土的不足,具有很高的实用价值。

3. 3 　集料组成对混凝土干表观密度的影响

　　从图4 看出,随着碎石取代率的增加,颗粒密度较大的碎石不断取代低密度的陶粒,混合集料混凝土28d 干表观密度不断增大,碎石用量每增加20 %,混凝土干表观密度约增大100kg/ m3 。对于混凝土强度与密度的比值(比强度) ,从表4 中看,掺入适量碎石可提高混凝土的比强度,碎石取代率为40 %～80 %的混合集料混凝土具有比同组普通集料混凝土和轻集料混凝土更高的比强度,其中碎石取代率为80 %时,比强度达到极值。这说明碎石取代率对混凝土比强度的影响存在一个最佳区域,取代率在此区域时,碎石与陶粒搭配较为合理,密实度最高,混凝土强度得到有效的提升,而陶粒的存在降低了混凝土的密度,因此碎石取代率在这个区域中的混合集料混凝土有较高的比强度。

3. 4 　混合集料混凝土的破坏形态

　　从破坏形态来看,第1 、2 组混凝土破坏断面比较平整,没有出现集料上浮分层现象,内部空洞较少,破坏由集料与水泥石自身发生的,不是沿二者的界面进行的,破坏形式为延性破坏。第3 、4 组混凝土由于掺入的碎石与陶粒相差不多,碎石与陶粒均匀分布,破坏多沿碎石边缘和陶粒中间进行,破坏断面也不再平整,有少许碎石突出,破坏形式依然属延性破坏。第5 组混凝土中大部分粗集料为碎石,既有陶粒破坏,又有碎石与水泥石界面破坏,主要破坏形式由陶粒和水泥石本身破坏转变到界面破坏上来,破坏形式介于延性和脆性之间。完全是碎石的第6 组混凝土,其破坏形态跟普通混凝土基本相同,沿碎石边缘破坏,且在破坏时都有明显的爆裂声,属于脆性破坏。

4 　结　　论

　　(1) 混合集料混凝土的力学性能、表观密度和破坏形态跟集料组成有密切联系。混合集料混凝土的抗劈拉强度、弹性模量和表观密度随碎石取代率增加而增大。碎石取代率的最佳区域为40 %～80 % ,此时,混合集料混凝土28d 抗压强度可达到70MPa 以上,超过这个区域,混凝土的强度反而会下降。(2) 碎石取代率为40 %～80 %的混合集料混凝土比同组普通集料混凝土和轻集料混凝土的比强度更高。(3) 混合集料混凝土强度高,刚度和延性好,弥补了普通集料混凝土和轻集料混凝土的不足,应用价值和经济效益很高。

参　考　文　献

　　[ 1 ] 　龚洛书,柳春圃. 轻集料混凝土[M] 中国铁道出版社.

　　[ 2 ] 　祁景玉,肖淑敏,高燕萍,巴恒静. 混合型粗集料轻混凝土的微观结构(Ⅰ) [J ] . 同济大学学报,2001. 8

　　[ 3 ] 　翟红侠,廖绍锋. 高强轻混凝土高强机理分析[J ] . 粉煤灰,1999. 5

　　[ 4 ] 　丁庆军,田耀刚,王发洲,胡曙光,韩宏伟,宋继红. 集料组成对次轻混凝土宏观性能影响的研究[J ] . 武汉理工大学学报, 2005 ,5

　　[ 5 ] 　Joao A. rossignolo. Properties of high2performance LWAC forprecast st ructures wit h Brazilian lightweight aggregates [ J ] .Cement and Concrete composites 25 (2003) :77～82

　　[ 6 ] 　袁杰,张宝生,葛勇,郑秀华. 混合骨料混凝土的力学性能研究[J] . 混凝土,2004 (11)