混合集料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

摘　要:試驗(yàn)采用碎石和高強(qiáng)頁巖陶粒配制不同集料組成的混合集料混凝土并研究其力學(xué)性能。試驗(yàn)表明:混合集料混凝土的抗劈拉強(qiáng)度、彈性模量和表觀密度隨碎石取代率增加而增大,最佳碎石取代率80 %時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度達(dá)到最高。

關(guān)鍵詞:混合集料混凝土;輕集料;力學(xué)性能;表觀密度

中圖分類號(hào): TU528 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 　　　文章編號(hào):1005 - 8249 (2006) 05 - 0028 - 03

　　近年來,輕質(zhì)高強(qiáng)、高性能和多功能成為現(xiàn)代混凝土發(fā)展的目標(biāo),這在高層、超高層建筑及大跨度橋梁等工程中顯得尤為重要。普通混凝土雖然強(qiáng)度較高,配制和施工技術(shù)較成熟,成本較低,但存在自重大、脆性大等缺點(diǎn);輕集料混凝土雖然具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫、隔熱、無堿骨料反應(yīng)和抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)[1 ] ,但抗壓強(qiáng)度和彈性模量低、變形大、原材料成本高,很難滿足工

　　程的實(shí)際需要。為了解決普通集料混凝土和輕集料混凝土兩者的不足,出現(xiàn)了混合配置的混合集料混凝土,通過調(diào)整集料組成,在保證強(qiáng)度的前提下提高混凝土的彈性模量、抗裂性能和比強(qiáng)度,取得很好的性能和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。因此,進(jìn)一步研究混合集料混凝土中集料組成與混凝土力學(xué)性能和表觀密度的關(guān)系,對(duì)混合集料混凝土在實(shí)際工程中的推廣和應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 　試驗(yàn)原材料

　　試驗(yàn)原材料有: 42. 5 普通硅酸鹽水泥( 密度3. 13g/ cm3 ,基本性能見表1) 、Ⅰ級(jí)粉煤灰(基本性能見表2 ) 、河砂( 細(xì)度模數(shù)MX = 2. 32 , 堆積密度1580kg/ m3 ,表觀密度2650kg/ m3 ,含泥量< 1 % ,級(jí)配合格) 、碎石(粒徑5mm～20mm ,表觀密度2709kg/m3 ,堆積密度1470kg/ m3 ,壓碎指標(biāo)7. 8 %,含泥量<0. 5 %) 、800 級(jí)頁巖陶粒(基本性能見表3) 、FDN2I 型高效減水劑(粉狀,減水率18 %～28 %) 、自來水。

2 　試　　驗(yàn)

2. 1 　試驗(yàn)方法

　　陶粒本身具有一定的吸水率,試驗(yàn)前先對(duì)陶粒浸泡1h ,然后攤開自然風(fēng)干至飽和面干狀態(tài)后進(jìn)行試驗(yàn)。將陶粒、碎石、砂、水泥和粉煤灰放入攪拌機(jī)中干拌30s ,然后加水?dāng)嚢?0s ,再加入減水劑攪拌90s 出鍋,振動(dòng)成型,在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至一定齡期進(jìn)行試驗(yàn)?；炷亮W(xué)性能按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》( GB/ T 50081 - 2002) 進(jìn)行測試,其中立方體抗壓及劈裂抗拉測試試件尺寸為100mm ×100mm ×100mm ,彈性模量測試試樣尺寸為100mm ×100mm ×300mm ,試驗(yàn)結(jié)果已乘相應(yīng)換算系數(shù)。

2. 2 　配合比設(shè)計(jì)及混凝土性能

　　試驗(yàn)配合比按照《輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》(J GJ 51 - 2002) 配合比設(shè)計(jì)方法中的絕對(duì)體積法設(shè)計(jì),首先確定輕集料混凝土配合比:水膠比0. 26 ,體積砂率42 % ,采用I 級(jí)粉煤灰等量取代法,取代率10 % ,減水劑摻量為膠凝材料用量的0. 6 %;然后以輕集料混凝土配合比為基準(zhǔn),保持粗集料總體積不變的條件下用碎石取代輕集料,取代率分別取0 、20 %、40 %、60 %、80 %和100 % ,分別研究粗集料組成對(duì)混凝土力學(xué)性能和表觀密度的影響,結(jié)果見表4 。

3 　試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3. 1 　集料組成對(duì)混合集料混凝土強(qiáng)度的影響

　　從圖1 看出,隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長,各組混凝土的強(qiáng)度都有所增長,其中摻入碎石的混合集料混凝土7d、28d 抗壓強(qiáng)度增長率均比輕集料混凝土要大;因?yàn)樵谳p集料混凝土早期,陶粒本身作為多孔材料,具有微泵效應(yīng),會(huì)吸收一定的水分和水泥漿體,在陶粒內(nèi)部形成水化產(chǎn)物[2 ] ,強(qiáng)化了陶粒本身強(qiáng)度和與水泥石的界面強(qiáng)度,減少了陶粒與水泥石界面破壞的概率[3 ] ,因此早期強(qiáng)度比較高,3d 抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到28d 抗壓強(qiáng)度的75 %以上;隨著水泥石的不斷硬化,由于陶粒本身強(qiáng)度較低,成為混凝土破壞的薄弱環(huán)節(jié),抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長較緩慢。對(duì)于28d 抗壓強(qiáng)度來說,混合集料混凝土存在一個(gè)最優(yōu)的碎石取代率,碎石取代率為40 %～80 %時(shí),28d 抗壓強(qiáng)度較高,碎石取代率80 %左右,混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到極值,此時(shí)抗壓強(qiáng)度是同組中輕集料混凝土和普通集料混凝土抗壓強(qiáng)度的1. 29 倍和1. 05 倍;然而,碎石取代率超過86 %,強(qiáng)度反而會(huì)下降。這說明摻入適量碎石對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高有利,但作為兩種不同的集料,碎石和陶?；旌蠒r(shí),存在一個(gè)最佳混合比例,使兩種集料能互相搭配填充,從而達(dá)到混凝土孔隙率最低,強(qiáng)度和密實(shí)度最高[4 ] 。在這種情況下,集料與水泥石的有效接觸面積最大,集料在混凝土中的骨架作用及與水泥石的粘結(jié)嚙合作用最強(qiáng),再加上陶粒自身界面強(qiáng)化和自養(yǎng)護(hù)作用,從而提高了混合集料混凝土體系的宏觀強(qiáng)度[5 ] 。

　　從圖2 和表4 看:隨著碎石取代率增加,混合集料混凝土的抗劈拉強(qiáng)度逐漸增大,28d 抗劈拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值f t s ,28d / fcu ,28d (拉壓比) 也隨著碎石取代率增加而增大。這可能是因碎石強(qiáng)度明顯高于陶粒強(qiáng)度,在混合集料混凝土中,陶粒與水泥石的界面過渡區(qū)不再是破壞的薄弱環(huán)節(jié),而陶粒本身因強(qiáng)度較低,成為破壞的主要部分。因此,隨著碎石比例的增加,碎石不斷發(fā)揮骨架作用,混凝土的宏觀強(qiáng)度逐漸提高[ 6 ] 。

3. 2 　集料組成對(duì)混合集料混凝土彈性模量的影響

　　不同碎石取代率對(duì)混凝土彈性模量的影響見圖3和表4 。由圖3 看出,隨著碎石比例增加,各組混凝土的彈性模量逐漸增大,與碎石的取代率近似線性關(guān)系,

試驗(yàn)研究

　　經(jīng)回歸分析,得碎石取代率與混凝土彈性模量的關(guān)系式: EL = 27. 87 + 0. 141X ,相關(guān)系數(shù)R = 99. 6 % ,式中E 為混凝土28d 彈性模量( GPa) , X 為碎石取代率( %) 。王發(fā)洲等研究提出:混合集料混凝土的彈性模量不僅與抗壓強(qiáng)度有關(guān),還與混凝土的密度相關(guān),也可以利用輕集料混凝土彈性模量計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算: EL= 2. 02ρ·fcu ,k0. 5 ,其中ρ修正為混凝土面干密度,而不是烘干表觀密度,fcu ,k 為標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土的抗壓強(qiáng)度。但對(duì)于本試驗(yàn)的數(shù)據(jù),該公式的相關(guān)性不高,筆者認(rèn)為由于碎石的加入,影響混合集料混凝土彈性模量的不定因素增多,該公式的使用有一定的局限性,需要進(jìn)一步修正以滿足混合集料混凝土的普遍適用性。

　　由結(jié)果可知,碎石的加入有效的提高了混凝土的彈性模量,混合集料混凝土的彈性模量介于普通集料混凝土和輕集料混凝土之間,具有比同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土更大的延性,比一般輕集料混凝土更高的強(qiáng)度和抗變形能力,克服了兩種混凝土的不足,具有很高的實(shí)用價(jià)值。

3. 3 　集料組成對(duì)混凝土干表觀密度的影響

　　從圖4 看出,隨著碎石取代率的增加,顆粒密度較大的碎石不斷取代低密度的陶粒,混合集料混凝土28d 干表觀密度不斷增大,碎石用量每增加20 %,混凝土干表觀密度約增大100kg/ m3 。對(duì)于混凝土強(qiáng)度與密度的比值(比強(qiáng)度) ,從表4 中看,摻入適量碎石可提高混凝土的比強(qiáng)度,碎石取代率為40 %～80 %的混合集料混凝土具有比同組普通集料混凝土和輕集料混凝土更高的比強(qiáng)度,其中碎石取代率為80 %時(shí),比強(qiáng)度達(dá)到極值。這說明碎石取代率對(duì)混凝土比強(qiáng)度的影響存在一個(gè)最佳區(qū)域,取代率在此區(qū)域時(shí),碎石與陶粒搭配較為合理,密實(shí)度最高,混凝土強(qiáng)度得到有效的提升,而陶粒的存在降低了混凝土的密度,因此碎石取代率在這個(gè)區(qū)域中的混合集料混凝土有較高的比強(qiáng)度。

3. 4 　混合集料混凝土的破壞形態(tài)

　　從破壞形態(tài)來看,第1 、2 組混凝土破壞斷面比較平整,沒有出現(xiàn)集料上浮分層現(xiàn)象,內(nèi)部空洞較少,破壞由集料與水泥石自身發(fā)生的,不是沿二者的界面進(jìn)行的,破壞形式為延性破壞。第3 、4 組混凝土由于摻入的碎石與陶粒相差不多,碎石與陶粒均勻分布,破壞多沿碎石邊緣和陶粒中間進(jìn)行,破壞斷面也不再平整,有少許碎石突出,破壞形式依然屬延性破壞。第5 組混凝土中大部分粗集料為碎石,既有陶粒破壞,又有碎石與水泥石界面破壞,主要破壞形式由陶粒和水泥石本身破壞轉(zhuǎn)變到界面破壞上來,破壞形式介于延性和脆性之間。完全是碎石的第6 組混凝土,其破壞形態(tài)跟普通混凝土基本相同,沿碎石邊緣破壞,且在破壞時(shí)都有明顯的爆裂聲,屬于脆性破壞。

4 　結(jié)　　論

　　(1) 混合集料混凝土的力學(xué)性能、表觀密度和破壞形態(tài)跟集料組成有密切聯(lián)系?；旌霞匣炷恋目古瓘?qiáng)度、彈性模量和表觀密度隨碎石取代率增加而增大。碎石取代率的最佳區(qū)域?yàn)?0 %～80 % ,此時(shí),混合集料混凝土28d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到70MPa 以上,超過這個(gè)區(qū)域,混凝土的強(qiáng)度反而會(huì)下降。(2) 碎石取代率為40 %～80 %的混合集料混凝土比同組普通集料混凝土和輕集料混凝土的比強(qiáng)度更高。(3) 混合集料混凝土強(qiáng)度高,剛度和延性好,彌補(bǔ)了普通集料混凝土和輕集料混凝土的不足,應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益很高。

參　考　文　獻(xiàn)

　　[ 1 ] 　龔洛書,柳春圃. 輕集料混凝土[M] 中國鐵道出版社.

　　[ 2 ] 　祁景玉,肖淑敏,高燕萍,巴恒靜. 混合型粗集料輕混凝土的微觀結(jié)構(gòu)(Ⅰ) [J ] . 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2001. 8

　　[ 3 ] 　翟紅俠,廖紹鋒. 高強(qiáng)輕混凝土高強(qiáng)機(jī)理分析[J ] . 粉煤灰,1999. 5

　　[ 4 ] 　丁慶軍,田耀剛,王發(fā)洲,胡曙光,韓宏偉,宋繼紅. 集料組成對(duì)次輕混凝土宏觀性能影響的研究[J ] . 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 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,張寶生,葛勇,鄭秀華. 混合骨料混凝土的力學(xué)性能研究[J] . 混凝土,2004 (11)