基于页岩陶粒粒度特性的轻质高强混凝土制备研究

袁龙华，龚颖

（湖南工学院材料与化学工程学院，湖南 衡阳 421002）

0 前言

混凝土是全世界使用最广泛的建筑材料。随着现代高层建筑、大跨度桥梁的纵深发展，对混凝土材料提出了轻质、高强、保温、隔热、环保等一系列要求，轻质高强混凝土成为发展必然[1]。轻质高强混凝土中骨料约占到总重量的 60%，骨料的性能会极大地影响到混凝土拌合物的和易性和混凝土强度[2]。目前，学者研究了粉煤灰、砂率、外加剂对混凝土各方面性能的影响[3-5]，但较少在轻粗骨料影响轻质高强混凝土的和易性及强度方面进行研究探讨。本文通过制备强度等级为 C70 容重 (1800±50)kg/m3的轻质高强混凝土，采用页岩陶粒作为粗骨料，通过不同最大粒径、级配的页岩陶粒来探究其和易性及强度的影响规律。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）P·O42.5 水泥；（2）硅灰；（3）S95 矿粉；（4）Ⅰ级粉煤灰；（5）轻细骨料选用质量合格、级配连续的普通陶砂，其表观密度为 1540kg/m3，细度模数 2.3；（6）普通砂选用质量合格、级配连续的普通河砂，其表观密度 2600kg/m3，细度模数 2.7；（7）轻骨料采用湖北宜昌光大陶粒制品有限公司所生产的高强碎石型页岩陶粒，各项性能指标如表 1 所示；（8）外加剂聚羧酸高效减水剂，减水率 28%。

表1 陶粒的性能指标

1.2 试验方法

本试验通过将页岩陶粒筛分最为大粒径 19.0mm、16.0mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm 五组；各粒级组分0～9.5mm、9.5～19mm 两组，以坍落度、抗压强度、表观密度为指标对轻质高强混凝土工作性能和物理力学性能进行评价。坍落度的测定方法按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行；轻质高强混凝土表观密度和抗压强度的测定、混凝土拌合物的拌制与成型按照 JGJ 12—2019《轻骨料混凝土应用技术标准》进行。

2 试验配合比

（1）根据 JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》，计算混凝土试配强度：

（2）确定胶凝材料用量并选择砂率。

（3）采用绝对体积法计算粗细骨料的用量：

式中：

mc、ms、mg——分别为水泥、细骨料和粗骨料用量，kg；

Vs、Va——分别为每立方米混凝土的细骨料和粗骨料的绝对体积，m3；

ρc、ρw、ρs、ρa——分别为水泥、水、细骨料和粗骨料的密度，kg/m3。

通过正交试验和配合比的优化，确定最优配合比，各项数据详见表 2。

表2 轻质高强混凝土配合比 kg/m3

本试验中配合比设计以骨料饱和面干为基础；细骨料采用陶砂与河砂混掺的方式，河砂占细骨料总量的20%。

3 试验结果及分析

3.1 页岩陶粒最大粒径对混凝土性能的影响

在试验配合比的基础上，改变页岩陶粒最大粒径，探究其对混凝土工作性能和抗压强度的影响。试验结果如表 3、表 4 所示。

表3 不同最大粒径混凝土拌合物工作性能

表4 不同最大粒径混凝土抗压强度 MPa

由表 3 可知，随着陶粒最大粒径的减少，混凝土拌合物工作性能也随之下降，陶粒最大粒径小于 4.75mm时，混凝土拌合物流动性很差，无坍落度。陶粒最大粒径 19.0mm 与最大粒径 16.0mm 混凝土拌合物工作性能接近，一方面是因为本次选用的页岩陶粒 16.0～19.0mm 组分较少，另一方面这两个粒径的陶粒比表面积相差较小，仅有 15.8%，包裹其所用的水泥浆体数量也比较接近，故而混凝土拌合物的工作性能差别不大。当陶粒最大粒径小于 16.0mm 时，混凝土拌合物工作性能大幅度下降，对实际施工操作有较大的影响，主要原因是随着陶粒最大粒径减少，陶粒的比表面积成倍增加，增加幅度分别为 68.5%、100%、101.3%，比表面积增加使得陶粒可以吸收更多的水，而拌合用水量没有增加，导致没有足够水分提供给胶凝材料进行拌制和分散，造成混凝土拌合物工作性能显著变差。当陶粒最大粒径小于 4.75mm 时，混凝土拌合物基本失去工作性能，主要原因是陶粒的比表面积过大，陶粒吸水使拌合物流动性降低，本试验配合比条件下水泥浆体数量严重不足，混凝土拌合物难以拌合、成型。若对工作性能有要求，可适当增加胶凝材料的用量。

由表 4 和图 1 可以看出，随着陶粒最大粒径的减小，抗压强度有所增加，但增加不显著，仅提升 2% 左右。主要原因是随着陶粒最大粒径的减小，胶凝材料更容易填满骨料之间的空隙，混凝土中胶凝材料浆体与骨料间界面过渡区的微裂缝变少，使抗压强度升高，但减少幅度有限，无法从量变到质变，应该是本试验配制轻质高强混凝土抗压强度较高，均在 70MPa 以上，接近原材料性能极限，造成混凝土抗压实际提升不大。当最大粒径小于 9.5mm 时，抗压强度反而降低。主要原因是随着最大粒径的减少，骨料比表面积成倍增加，胶凝材料浆体无法完全包裹陶粒，反而造成界面过渡区有更多的空隙，使抗压强度降低。

图1 不同最大粒径混凝土抗压强度

3.2 页岩陶粒级配对混凝土性能的影响

在试验配合比的基础上，改变粒级组分 G1（0～9.5mm）和 G2（9.5～19mm）的比例，探究其对混凝土工作性能和抗压强度的影响。试验结果如表 5、表 6 所示。

表6 不同粒级组分比例混凝土抗压强度

根据表 5 的试验结果，随着陶粒粒级 9.5～19.0mm的减少，混凝土拌合物坍落度先增加后减少，陶粒的松散空隙率发展趋势大致相反，主要原因是陶粒的松散空隙率低，有利于混凝土拌合物的工作性能。当粒级 0～9.5mm 与 9.5～19.0mm 为 1:1 时，陶粒的松散空隙率最小，混凝土拌合物工作性能最优，流动性、粘聚性、保水性相对均衡。在不改变混凝土拌合物工作性能条件下，陶粒的松散空隙率低，可以减少胶凝材料用量，从而节约资源，降低生产成本，减低废物排放，保护环境。陶粒松散空隙率越低，混凝土拌合物工作性能越好。

从表 6 和图 2 可以得知，随着陶粒粒级 9.5～19.0mm 的减少，混凝土抗压强度先增后减，然后再增，陶粒的松散空隙率发展趋势大致相反，主要原因是松散空隙率小，粗骨料级配合理，胶凝材料填充细骨料的空隙，细骨料填充粗骨料的空隙，水泥水化完全，混凝土试块密实度高，内部空间基本被填满，使抗压强度增加。但混凝土抗压强度实际提升不明显，最大仅提升5.5%。主要原因是本试验配制轻质高强混凝土抗压强度较高，均在 70MPa 以上，接近原材料性能极限，造成混凝土抗压实际提升不大。

图2 不同粒级组分比例混凝土抗压强度

4 结论

（1）随着页岩陶粒最大粒径逐渐变小，混凝土流动性变差，粘聚性和保水性有所增加。抗压强度有所增加，但增加不显著，仅提升 2% 左右，难以在实际工程中有明显的经济效益。

（2）当陶粒粒级 0～9.5mm 与 9.5～19.0mm 为 1:1时松散空隙率最小，混凝土拌合物工作性能最优，流动性、粘聚性、保水性相对均衡。同时，混凝土抗压强度最高。实际工程中应采用较低松散空隙率的轻粗骨料。