破碎陶粒混凝土的试验研究.pdf

Industrial Construction Vol. 43， No. 4， 2013工业建筑2013 年第 43 卷第 4 期111 破碎陶粒混凝土的试验研究 * 王帅 1 杨明 2 朱涵 1 王东 2 刘飞 2 1． 天津大学建筑工程学院，天津300072;2． 中国建筑第八工程局有限公司天津公司，天津 300452 摘要陶粒作为绿色建筑材料具有良好的社会和经济效益。但由于我国生产的陶粒普遍存在粒径偏 大、 级配不良以及表面较光滑等缺陷使得陶粒混凝土分层离析现象严重。通过试验研究， 采用破碎的方式得 到具有良好级配的陶粒; 相对于完整陶粒混凝土， 破碎陶粒混凝土分层离析现象得到明显改善; 破碎陶粒混 凝土不仅满足工程可泵性要求， 其强度相对于完整陶粒混凝土而言也有所提高。针对大流动性破碎陶粒混 凝土在低温下是否满足强度要求进行了试验研究， 试验表明， 陶粒混凝土在低温 － 25 ℃ 下较常温 20 ℃ 下强 度所有提高。 关键词陶粒混凝土;完整陶粒;破碎陶粒;可泵性;强度 DOI10． 7617 /j． issn． 1000- 8993． 2013． 04． 023 EXPERIMENT RESEARCH ON CRUSHED CERAMSITE CONCRETE Wang Shuai1Yang Ming2Zhu Han1Wang Dong2Liu Fei2 1． School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2． Tianjin Branch，China Construction Eighth Engineering Division Co． Ltd，Tianjin 300452，China AbstractAs the green building material，ceramsite has good social and economic benefits．But the ceramsite produced in China has the problems of large size，bad gradation and smooth surface，which lead to segregation of ceramsite concrete． By means of experimental study，a good gradation lightweight aggregate can be obtained by crushing the ceramsite． The results show that the segregation of crushed ceramsite concrete is improved compared with the complete ceramsite concrete． At the same time the crushed ceramsite concrete meets not only the requirements of pumpability but also can improve strength． In addition，this paper focuses on the cube compressive strength that whether the high fluidity crushed ceramsite concrete can meet the requirements of strength at low temperature － 25 ℃ ，the comparative tests of the strength at room temperature 20 ℃ and low temperature － 25 ℃ indicate the strength of the latter is improved，which shows high fluidity crushed ceramsite concrete meets the requirement of strength． Keywordsceramsite concrete;complete ceramsite;crushed ceramsite;pumpability;strength * 国家自然科学基金资助项目 51078261 。 第一作者 王帅， 女， 1987 年出生， 硕士研究生。 电子信箱 wangshuai0806 126． com 收稿日期 2012 － 10 － 08 1概述 国家中 长 期 科 学 和 技 术 发 展 规 划 纲 要 第 54 条建筑节能与绿色建筑中指出重点研究开发 绿色建筑设计技术， 建筑节能技术与设备， 可再生能 源装置与建筑一体化应用技术， 节能建材与绿色建 材， 建筑节能技术标准。其中绿色建材指健康型、 环 保型、 安全型的建筑材料， 它注重建材对人体健康和 环保所造成的影响及安全防火性能， 具有消磁、 消 声、 调光、 调热、 隔热、 防火、 抗静电的性能。对于土 木工程领域而言， 陶粒混凝土中的轻集料陶粒就是 利用工业废渣， 变废为宝， 当工程使用陶粒混凝土时 可减少天然资源的开发利用， 同时陶粒混凝土具有 轻质、 保温、 隔热、 耐火、 抗震等诸多性能优点， 因此 符合绿色建材的要求， 符合国家中长期科学和技术 发展的要求， 具有很好的社会和经济效益 ［1］。但同 时陶粒混凝土的抗离析差等不好的工作性能也限制 了其发展。本文旨在通过试验方式研究破碎陶粒混 凝土的工作性能， 为其实际工程应用提供依据。 粉煤灰陶粒是众多陶粒分类中的一种， 它是以 粉煤灰为主要原料， 掺加适量黏结剂， 经加工成球， 烧结或膨胀而成的一种人造工业废料轻集料。由于 我国生产的陶粒普遍存在粒径偏大， 级配不良且表 面较光滑等缺陷， 这导致陶粒混凝土中轻集料上浮 112工业建筑2013 年第 43 卷第 4 期 现象严重， 同时对于有泵送要求的大流动性轻集料 混凝土， 其更易分层离析。笔者采用将陶粒破碎的 方式， 得到级配良好的陶粒， 进行完整陶粒与破碎陶 粒的配合比设计， 再进行强度、 陶粒混凝土干密度、 工作性能等的测定和评价。同时针对天津等地区冬 季温度 较 低 的 情 况， 进 行 破 碎 陶 粒 混 凝 土 低 温 － 25 ℃ 与常温 20 ℃ 的强度对比试验。 2试验原材料及配合比设计 2. 1试验原材料及其陶粒吸水率和表观密度 本研究所用材料分别为 PO42. 5 水泥， Ⅱ级粉 煤灰， 中砂 细度模数 2. 7 ， 粉煤灰陶粒， SPA 高性 能减水剂， 其中完整陶粒粒径为 13. 2 ～ 31. 5 mm， 破 碎陶粒为 4. 75 ～ 19 mm。 由于陶粒的吸水率决定配合比设计中的附加用 水量， 而净用水量和附加用水量构成了配合比设计 中的总用水量; 同时陶粒的吸水率也将影响混凝土 拌合物的坍落度和扩展度的经时损失; 再者吸水率 随时间的变化也决定了陶粒不同时间的表观密度， 而陶粒的表观密度与拌合物中浆体的密度差是影响 轻集料上浮的一个因素。所以试验配合比设计之 前， 需要测定两种陶粒的吸水率和表观密度。 根据 GB/T 17431. 12010轻集料及其试验方 法 对陶粒吸水率进行测定。将干燥的陶粒吸水 15 min后进行滤水 1 ～ 2 min， 再将其倒在拧干的湿 毛巾上， 来回滚动 8 ～ 10 次制成饱和面干后称量。 计算陶粒 15 min 吸水率， 同样方法测量陶粒不同时 间的吸水率。完整陶粒和破碎陶粒的吸水率和表观 密度测定结果见表 1、 表 2。30 min后完整陶粒和破 碎陶粒的表观密度分别为 660 kg/m3和 1 260 kg/ m3， 从两种陶粒的外形图 图 1 中可以看到， 破碎陶 粒表面粗糙， 孔隙外露， 吸水率明显高于完整陶粒， 因此使得破碎陶粒表观密度随时间提高很大。两种 陶粒吸水率随时间变化趋势如图 2 所示。 表 1两种陶粒不同时间的吸水率 Table 1Water absorption rate of 2 ceramsites at different times 种类 时间 /min 1530456090120 完整陶粒12. 614. 115. 015. 516. 416. 6 破碎陶粒23. 024. 625. 626. 026. 527. 0 2. 2配合比设计 配合比设计采用 1 m3混凝土中各项材料的质 量表示， 试验需要满足三个方面的要求 1 强度不 低于 7. 5 MPa; 2 满足可泵性要求; 3 干密度不大于 表 2表观密度 Table 2Apparent densitykg/m3 种类 干表观 密度 表观密度 30 min60 min 完整陶粒470660730 破碎陶粒5101 2601 330 图 1两种陶粒的外形情况 Fig． 1Shape of 2 of ceramsites 1完整陶粒;2破碎陶粒 图 2两种陶粒吸水率变化 Fig． 2Water absorption rate variation of 2 ceramsites 1 400 kg/m3。配合比设计采用绝对体积法， 由于强 度要求较低， 水泥取为 200 kg/m3， 粉煤灰超量取代 水泥， 超量系数取为 1. 1。陶粒不进行预湿， 因此配 合比设计中的总用水量为净用水量和附加用水量的 和， 附加用水量取陶粒 1 h 吸水率进行计算。由于 泵送轻集料混凝土的体积砂率宜为 40 ～ 50 ， 本 试验采用体积砂率为 40 和 43 。又因为泵送混 凝土的水灰比宜为 0. 40 ～ 0. 60， 本试验采用净水灰 比为 0. 40 和 0. 45， 最终确定的试验配合比设计见 表 3， 其中前两组为采用完整陶粒的配合比设计， 第 3 组和第 4 组为破碎陶粒。 表 3陶粒混凝土配合比设计 Table 3Design of ceramsite concrete mix proportion 组别 类型 净水 灰比 材料用量 /kg 水泥 粉煤灰砂陶粒 减水 剂 / 第 1 组 完整陶粒 0. 402002167001902. 0 第 2 组 完整陶粒 0. 452002167001902. 0 第 3 组 破碎陶粒 0. 402002167001902. 0 第 4 组 破碎陶粒 0. 402002167001752. 0 破碎陶粒混凝土的试验研究 王帅， 等113 3陶粒混凝土性能分析 3. 1陶粒混凝土性能试验 试验表明， 当净水灰比为 0. 40 和减水剂 SPA 的掺量为 2. 0 时， 完整陶粒的流动性较好。当净 水灰比增加到 0. 45 时， 有泌水离析现象 ［2］， 因此综 合考虑以上因素最终采用的净水灰比为 0. 40。当 采用破碎陶粒时， 总用水量中的附加用水量为根据 破碎陶粒 1 h 的吸水率计算所得， 第 3 组试验有泌 水现象， 这是由于陶粒相同质量时， 破碎陶粒的比表 面积较完整陶粒大， 因此水泥浆的用量相对减小， 导 致砂浆包裹不足。针对破碎陶粒混凝土配合比设 计， 提高砂率， 得到第 4 组试验配合比， 混凝土的工 作性能得到改善 ［3］。陶粒混凝土配合比试验结果 见表 4， 第 1 组和第 4 组试验现象见图 3。 陶粒混凝土的工作性能好坏直接影响施工， 其 中拌合物的保水性通过是否泌水加以评判， 通过坍 落度和扩展度的变化评价经时损失， 通过自提起坍 落度筒开始到拌合物停止流动为止拌合物的流动情 况直观评价配合比设计中砂率和黏度等。试验结果 表 4 表明 干密度基本满足工程要求， 破碎陶粒 28 d 抗压强度有所提高， 这是因为破碎陶粒级配良 好， 且最大粒径减小， 混凝土也更加密实等原因。 表 4陶粒混凝土配合比试验结果 Table 4Test results of ceramsite concrete mix proportion 组别 泌水 情况 坍落度 扩展度 /mm 0 h0. 5 h 混凝土停止 流动时现象 干密度 / kg m － 3 立方体抗压 强度 /MPa 1无泌水260 / 620220 / 460均匀1 4008. 8 2泌水较严重110 / 30 / 不均匀1 4807. 5 3稍有泌水200 / 90 / 较均匀1 4109. 2 4无泌水270 / 740260 / 650均匀1 4009. 8 3. 2陶粒上浮速度影响因素 混凝土拌合物中集料分层实际上是浆体内集料 的相对运动造成的， 集料产生相对运动的条件和相 对运动速度， 与集料和浆体的性质有关 ［4］。 集料的相对运动速度由公式 1 可知 ［5］ Ut 2 9 R2 ρs － ρ f g μ 1 式中 Ut为集料运动速度， m/s; R 为轻集料粒径， mm; ρs为轻集料的表观密度，kg/m 3 ; ρ f为浆体的密 度，kg/m3; g 为重力加速度，m/s2; μ 为浆体的黏 度，Pa s。 由此可见， 轻集料的密度小于浆体的密度， 所以 陶粒上浮， 浆体下沉， 轻集料的运动速度越大， 陶粒 混凝土分层离析越严重 ［6］。当影响集料上浮速度 中的轻集料粒径的平方 R2越小， 轻集料与浆体的密 度差 ρs － ρ f 越小， 浆体黏度 μ 越大时， 集料运动速 度 Ut越小。 试验表明， 破碎陶粒混凝土集料上浮情况有所 改善， 这是由于与完整陶粒相比， 破碎陶粒的粒径较 小。如前面所述， 在相同时间内破碎陶粒吸水量要 大于完整陶粒， 这也使得经历相同时间后破碎陶粒 的表观密度大于完整陶粒， 随之轻集料与浆体之间 的密度差值减小。同时破碎陶粒表面粗糙， 与浆体 之间能更加有效地黏结在一起。因此将陶粒破碎 后， 对 轻 集 料 混 凝 土 分 层 离 析 起 到 一 定 的 抑 制 作用。 a第 1 组;b第 4 组 图 3试验现象 Fig． 3Experimental phenomena 3. 3陶粒混凝土的可泵性 在轻集料混凝土的试验中， 主要关注新拌混凝 土的工作性。工作性又称和易性， 是混凝土拌合物 易于施工操作 拌合、 运输、 浇灌、 捣实 并能获得质 量均匀、 成型密实的性能。和易性是一项综合的技 术性质， 包括有流动性、 黏聚性和保水性等三方面的 含义。当混凝土采用泵送施工时， 混凝土拌合物的 和易性常称为可泵性， 可泵性包括流动性， 稳定性 包括黏聚性， 保水性 及管道摩阻力三方面内容。 一般要求泵送性能要好， 否则在输送和浇灌过程中 拌合物容易发生离析造成堵塞 ［7］。 上述已经对陶粒混凝土的一些工作性能进行了 评价， 下面将根据发明专利“一种陶粒混凝土可泵 性的检测方法” 评价陶粒混凝土的可泵性。方法概 括为混凝土搅拌之后静止半小时测定陶粒混凝土的 扩展度， 从开始提坍落度筒时开始计时， 到混凝土停 止流动时为止。表 5 为可泵性评价表， 其中 1 为可 114工业建筑2013 年第 43 卷第 4 期 泵性最差， 5 为可泵性最好 ［8］。现将流动时间以及 评价可泵性的试验结果列入表 6。由表 6 可知， 破 碎陶粒混凝土的可泵性提高。 表 5陶粒混凝土可泵性评价表 Table 5uation of ceramsite concrete pumpability 流动 扩展度 /mm 流动时间 /s ＜ 55 ～ 20＞ 20 ≥600 345 400 ～ 600234 ≤400 123 表 6陶粒混凝土可泵性试验结果 Table 6Test results of ceramsite concrete pumpability 组别流动扩展度 /mm流动时间 /s可泵性 1400 ～ 600＞ 204 2≤400＜ 51 3≤4005 ～ 202 4≥600＞ 205 4低温下破碎陶粒混凝土的强度 常温下破碎陶粒混凝土工作性能得到了满足， 下面就低温下大流动性破碎陶粒混凝土的强度情况 进行试验研究。试验中配合比采用配合比设计中的 第 4 组 表 3 ， 将破碎陶粒混凝土置于 － 25 ℃ 的冰 柜中，－ 25 ℃ 基本上可以代表天津地区最低的温 度 ［9］。7 d 后进行立方体抗压试验， 试验结果见表 7， 其中 1 和 2 组为同一时间入模， 即坍落度和扩展 度的经时损失相同， 且试验密度和强度具有可比性。 以此类推， 分别对 3 和 4 组， 5、 6 组， 7、 8 组， 9、 10 组 表 7陶粒混凝土常温与低温立方体 抗压强度对比试验结果 Table 7Cube compressive strength comparison test results of ceramsite concrete under low and normal temperature 20 ℃ 组别 密度 / kg m － 3 强度 / MPa － 25 ℃ 组别 密度 / kg m － 3 强度 / MPa 11 3508. 421 3208. 6 31 3907. 541 4107. 8 51 4509. 261 4609. 9 71 5309. 781 52011. 8 91 61010. 5101 62010. 6 进行对比。其中图 4 为低温和常温下试件破坏情 况。通过图 5 可以看到低温下陶粒混凝土比常温下 有增加的趋势， 这与普通混凝土立方体抗压强度随 着温度的降低而提高是一致的 ［10］。说明在低温下 破碎陶粒混凝土的强度仍能满足要求， 且有所提高。 图 4低温和常温下试件破坏情况 Fig． 4Test sample damaged condition under low temperature and normal temperature 120℃ ; 225℃ 图 5常温与低温下强度对比 Fig． 5Strength comparison of specimens under low temperature and normal temperature 5结语 陶粒混凝土中的陶粒粒径大且级配不良， 陶粒 易于上浮， 但在泵送施工时又需要陶粒混凝土具有 大流动性， 这些均使得陶粒混凝土分层离析的现象 更加严重。针对这一问题， 本文将陶粒破碎并进行 了相关的试验研究， 主要得出以下几点结论 1 采用破碎的方式可以使陶粒的最大粒径减 小， 且改善了陶粒的级配， 用破碎陶粒制成的陶粒混 凝土相对于完整陶粒混凝土分层离析现象明显改 善， 在满足流动性的同时也保持了良好的黏聚性， 明 显提高了其可泵性能， 同时强度也有所提高。破碎 陶粒吸水率的提高有助于对施工时间上的控制。 2 通过对破碎陶粒混凝土进行低温 － 25 ℃ 与 常温 20 ℃ 的对比试验研究得知破碎陶粒混凝土在 低温下强度较常温有所提高， 由此可以得出破碎陶 粒混凝土在低温下满足强度要求。 参考文献 ［ 1］于萍． 粉煤灰陶粒混凝土的性能研究［D］． 大连 大连交通大 学， 2009． ［ 2］刘登宇， 郭峰． 泵送轻集料混凝土配合比及施工技术研究 ［J］． 山西建筑， 2009，35 9 161 － 162． ［ 3］罗杰． 轻集料的改性处理及其混凝土性能研究［D］． 重庆 重 庆大学， 2011． 下转第 101 页 关于天然地基弹性均压系数的确定 王锡康， 等101 用 N 与 Gd建立相关关系已不合适， 而应采用其他指 标与剪切波波速和动弹性剪切模量建立关系。 由式 6 即可确立地基土的弹性模量与标贯击 数的关系 E 24 000 1 μ N0. 737 7 式中 E 为地基土的弹性模量， kPa; μ 为地基土的泊 松比。 这里要指出 式 7 是由不同土类综合分析的 结果， 无 法 区 分 不 同 土 类 E － N 的 关 系。而 GB 5004096 又是区分黏性土、 粉土、 砂土三种土类确 定地基土弹性特征的。因此当利用式 7 近似确定 E 值时， 可以考虑采用如下粗略的处理方法 E k24 000 1 μ N0. 737 8 式中 k 为调整系数， 对砂土取 1. 0， 对粉土取 1. 1， 对黏土取 1. 2。 由式 8 确定的弹性模量与本文以 GB 50040 96 为基础的由表 2 显示的弹性模量很接近， 计算结 果见表 3 所示。 表 3按式 8 计算和按表 2 确定的 弹性模量的比较 Table 3Comparison of the elastic modulus of soils computed by ula No. 8 with the values determined by table 2 地基承载力 特征值 fak/kPa 标贯击数 N /击 按式 8 计算值 / MPa 按表 2 确定值 / MPa 258 10037881 1506130130 2009175160 25012217200 30015256230 20316 注 土的泊松比 μ 0. 45， 土类为砂土。 由表 3 的比较可以得出这样的结论 由剪切波 波速确定地基土的弹性剪切模量或弹性模量这一途 径是可行的。今后应沿着这一途径做更多的试验研 究， 提供不同土类条件下 E － N 的关系。采用这种 确定方法不但简单而且可以获得深层土体的资料， 并且可以消除在分层地基条件下由 fak值确定 E 值 或 Cz值这种不符合理论的处理办法。 5结语 1 由于地基承载力特征值 fak和地基的变形模 量 E0不能反映土层的特性， 因此在成层地基条件下 采用这两个指标与各土层的弹性均压系数建立相关 关系有理论上的缺陷。 2 由于剪切波波速 vs和标准贯入试验锤击数 N 能较好地反映各土层的特性， 所以采用这一指标与 地基土的弹性模量建立相关关系， 并由此确定地基 弹性均压系数， 在理论上是合理的。 参考文献 ［ 1］王锡康， 刘景政． 对地基弹性均压系数与基础底面积关系的研 究［J］． 工业建筑， 2008， 38 1 69 － 73． ［ 2］王锡康， 刘景政． 地基中压力变化对弹性均压系数的影响［J］． 工业建筑， 2010， 40 12 55 － 59． ［ 3］Barkan D D． Dynamics of Bases and Foundations［M］． New York McGraw-Hill， 1962． ［ 4］CCCP．CтроителънбlеНормыиПравила．Фунламенты Мащиндс Динамическими Нагрузками СНиП Ⅱ 19 － 79［S］． ［ 5］CCCP．CтроителънбlеНормыиПравила．Фунламенты Мащиндс Динамическими Нагрузками СНиП．2． 02． 05 － 87［S］． ［ 6］CCCP．Cтроивнтелънбlе Нормы и Правила．Фунламенты Мащиндс Динамическими Нагрузками СНиП － Д － Б，7 － 70［S］． ［ 7］GB 500072011建筑地基基础设计规范［S］． ［ 8］GB 5004096动力机器基础设计规范［S］． ［ 9］天津大学， 西安冶金建筑学院， 哈尔滨建筑工程学院， 等． 地基 与基础［M］． 北京 中国建筑工业出版社， 1978． ［ 10］ 王锡康． 动力机器基础振动学科的发展及需研究的若干问题 ［J］． 工业建筑， 2007， 37 6 83 － 90． ［ 11］ 今井 T． 日本地表土层的 P 波和 S 波速度［G］/ /地基与基础译 文集 4． 北京 中国建筑工业出版社， 1980 77 － 81． 上接第 114 页 ［ 4］李渝军， 建彤． 泵送高强轻骨料混凝土的抗离析性能的试验研 究． 四川建筑科学研究［J］． 2005， 31 5 103 － 107． ［ 5］Michael F Petrou， Kent A Harries．A Unique Experimental for Monitoring Aggregate Settlement in Concrete［J］． Cement and Concrete Research，2000，30 5 809 － 816． ［ 6］彭卫． 泵送轻集料混凝土工作性能控制技术探讨［J］． 浙江建 筑，2011，28 9 64 － 68． ［ 7］胡曙光， 王发洲． 轻集料混凝土［M］． 北京 化学工业出版社， 2006． ［ 8］中冶天工建设有限公司． 一种陶粒混凝土可泵性的检测方法 ［P］． 中国专利 CN102269685 A，2011 － 12 － 07． ［ 9］张永明， 朱涵， 杨林虎． 低温下等强橡胶集料混凝土的脆性初 探［J］． 天津大学学报， 2009，43 3 189 － 193． ［ 10］ 王传星， 谢剑， 李会杰． 低温环境下混凝土性能的试验研究 ［J］． 工程力学， 2011，28 SⅡ 182 － 185．