淤泥陶粒混凝土力学性能的研究

淤泥陶粒混凝土力学性能的研究

张业强1，卢泓尧2，刘学平3，毛行坚4，肖继波5，邱日象1，陈跃明6

（1中建四局建设发展有限公司；2福建磊鑫（集团）有限公司；3福建工程学院；4福建省英城建设工程有限公司；5温州大学；6福建省明能新型建材有限公司）

摘要：轻集料混凝土不仅具有轻质、高强、耐久、保温、隔热、抗裂等良好性能，且具有较优的综合经济效益。陶粒作为最常用的轻集料之一，用其作为粗集料可配制成陶粒混凝土。本文采用淤泥陶粒作为轻质骨料配制陶粒混凝土，研究了不同原料配比、淤泥陶粒粒径等对陶粒混凝土立体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度的影响。实验结果表明，淤泥陶粒混凝土28d的抗压强度达到34.6MPa，可配制C30轻质骨料混凝土，可用于结构混凝土工程施工。

关键词：淤泥陶粒；陶粒混凝土；立方体抗压强度；劈裂抗拉强度

混凝土材料作为混凝土结构的主体材料，广泛应用于各类土木工程。国家提出建筑节能后，对混凝土的保温隔热提出更高的要求[1-2]。但由于现代高层建筑不仅需要混凝土结构的高强度，又要求轻质[3]。因此，提高混凝土的强度等级，同时降低混凝土自身重量，保护自然环境，节能降耗是国内外专家学者的研究热点[4]。本研究从制备轻质混凝土角度出发，为保护生态环境，实验采用淤泥制备的陶粒作为轻质骨料。相比与普通混凝土，陶粒混凝土具有结构性好、抗震性好、耐火性好、耐久性好等优点。主要开展了淤泥陶粒混凝土力学性能的研究，主要包括了立体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度等指标。对于淤泥陶粒混凝土的推广应用具有重要的意义。

1 实验材料与方法

1.2实验材料

（1）淤泥陶粒：福建省明能新型建材有限公司，堆积密度420kg/m3，筒压强度1.9MPa，1h吸水率9.6%，含泥量0.2%。

图1 淤泥陶粒

（2）水泥：福建省某水泥股份有限公司生产的42.5普通酸性水泥，密度3.1g/cm3。

（3）砂：普通中砂，细度模数2.3。

（4）掺合料：粉煤灰，细度（45m方孔筛筛余）≤12%。

（5）外加剂：聚羧酸高性能减水剂，上海麦期特建材有限公司。

1.2 实验方法

（1）淤泥陶粒混凝土制备

涉及的力学性能试验包括立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和棱柱体弯曲抗折强度。

其中，立方体抗压强度、劈裂抗拉强度性能试验采用的是尺寸为100mm x 100mm x 100mm的立方体试件；采用强制式搅拌机搅拌，机械振捣，各实验需要试件数量严格按规范制备。

图1淤泥陶粒混凝土成型工艺

（2）力学性能方法

a 立方体抗压强度

采用SYE-2000型试验机。将试件安放在试压机的下板上，试件的承压面与成型时的顶面垂直。试件的中心应与试验机下压板中心对准。开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡。

立方体抗压强度按下式计算：

式中fcu为混凝土立方体试件抗压强度MPa；

P为破坏荷载N；

A为试件承压面积mm2。

由于试验选用的不是标准尺寸试件，应乘以尺寸转换系数0.95。

b 劈裂抗拉强度

采用SYE-2000型试验机，将试件放在压力机下压板的中心位置。在上、下压板与试件之间加垫层和垫条，垫条与试件成型时的顶面垂直。

混凝土劈裂抗拉强度按下式计算：

式中fts为混凝土劈裂抗拉强度MPa；

P为破坏荷载N；

A为试件承压面积mm2。

由于试验选用的不是标准尺寸试件，应乘以尺寸转换系数0.85。

c 抗折强度

淤泥陶粒混凝土抗压强度和抗折强度采用WDW-50型万能试验机进行测试，每组数据重复测量3次，取平均值。

（3）混凝土坍落度和扩展度测定方法

依据标准GB50080-2002《普通混凝士拌合物性能试验方法标准》进行淤泥陶粒混凝土坍落度与扩展度测定。

坍落度的测试方法：用一个上口100mm、下口200mm、 高300mm喇叭状的坍落度桶，灌入混凝士分三次填装，每次填装后用捣锤沿桶壁均匀由外向内击25下，捣实后，抹平。然后拔起桶，混凝土因自重产生坍落现象，用桶高(300mm)减去坍落后混凝土最高点的高度，称为坍落度。

混凝土坍落度和扩展度：当坍落度大于220 mm时，坍落度不能准确反映混凝土的流动性，用混凝土扩展后的平均直径即坍落扩展度，作为流动性指标。

2 实验方案与结果分析

2.1 实验方案

本实验共设计4组不同配合比的淤泥陶粒混凝土，陶粒粒径约为10mm，控制净水灰比为0.45，总用水量为净用水量和附加用水量之和，其中的附加用水量为陶粒用量与陶粒1h吸水率的乘积，为提高配制混凝土的和易性，实验过程添加的减水剂量为胶凝材料（水泥+粉煤灰）质量的1.6%，根据实验要求的强度和密度调整水泥和粉煤灰的用量，总用量为设计为400kg/m3。为探索淤泥陶粒混凝土拌合物在不同时间的坍落度和扩展度，本次共设计了0，30min，60min三个不同时间。整个实验过程配合比设计采用1 m3淤泥陶粒混凝土中各项材料的质量表示。具体淤泥陶粒混凝土配合比设计如表1所示。

表1 淤泥陶粒混凝土配合比设计

2.2 实验结果分析

（1）淤泥陶粒混凝土立方体抗压强度分析

选用淤泥陶粒粒径约为10mm，其配制的混凝土3d、7d、14d、28d的立方体抗压强度试验结果见图2所示。

图2 不同龄期的淤泥陶粒混凝土立方体抗压强度

从图2可以看出，不同组别的淤泥陶粒混凝土在不同龄期的抗压强度在17.5-34.6MPa之间，依据JGJ 51-2002《轻骨料混凝土技术规程》中用途对轻骨料混凝土的划分可知，本研究所配制的淤泥陶粒混凝土可用做结构轻骨料混凝土[5]。结果显示，随着养护龄期增加，淤泥陶粒混凝土的立方体抗压强度逐渐升高，28d后有继续上升的趋势。可作为C30轻质骨料混凝土，用于结构混凝土工程施工。

（2）淤泥陶粒混凝土劈裂抗拉强度分析

淤泥陶粒混凝土3d、7d、14d、28d的劈裂抗拉强度试验结果见图3所示。

图3 不同龄期的淤泥陶粒混凝土劈裂抗拉强度

由图3结果显示，淤泥陶粒混凝土的劈裂抗拉强度都随养护龄期的延长而增加。充分说明，本实验选用的轻质淤泥陶粒具有结构性能好，配制的混凝土性能优的特点。而且淤泥陶粒混凝土具有良好的界面区，胶凝材料能较好的与淤泥陶粒结合，提高混凝土的流动性、保水性和粘聚性。在劈裂抗拉试验中，随着应力的增大，裂缝发生扩展，观察发现淤泥陶粒混凝土破坏时，裂纹贯穿骨料，断裂面平整。

图4 不同龄期的淤泥陶粒混凝土拉压比

（3）淤泥陶粒混凝土坍落度和扩展度分析

淤泥陶粒混凝土在0min，30min，60min三个不同时间表面的坍落度和扩展度如表2所示。

表2 不同时间的坍落度和扩展度

由表2结果显示，不同比例的骨料和胶凝材料配制的混凝土，随着时间的增加，淤泥陶粒混凝土拌合物的坍落度和扩展度均会有所减小。混凝土中较少淤泥陶粒添加量，发现坍落度和扩展度变大，这主要由于轻质骨料减少，混凝土内部结构变的密实。当坍落度和扩展度过大，混凝土表面存在泌水的可能，将会影响混凝土的流动性、保水性和粘聚性[6]。因此在调配陶粒混凝土过程，轻质陶粒的添加量非常重要。

（4）不同淤泥陶粒粒径对混凝土力学性能分析

淤泥陶粒混凝土与普通混凝土的14d和28 d抗压和抗折强度检测结果见表3所示。

表3 不同粒径淤泥陶粒混凝土的抗压强度和抗折强度

由表3结果显示，淤泥陶粒混凝土的力学性能（抗压与抗折强度）均比普通混凝土低。主要原因，石子内部结构致密，淤泥陶粒内部结构为多孔，体积密度小，导致骨料为石子的混凝土抗压和抗折强度要高于陶粒混凝土，但普通混凝土保温隔热性能比淤泥陶粒混凝土差。随着淤泥陶粒粒径的增大，淤泥陶粒混凝土的抗压和抗折强度均降低。这主要由于淤泥陶粒粒径越小，其筒压强度越大，导致陶粒混凝土的抗压和抗折强度越高。粒径10mm淤泥陶粒制备的陶粒混凝土28 d抗压强度达到34.6 MPa，达到C30混凝土强度等级。在实际应用中可选用10mm粒径和15mm粒径陶粒混合用于混凝土配制。

3、结论

（1）淤泥陶粒用于配制轻质混凝土具有较好的力学性能，28d混凝土强度达到C30标准；

（2）淤泥灰陶粒混凝土强度等级主要与混凝土中轻质骨料的强度和水胶比有关；

（3）不同比例的骨料和胶凝材料配制的混凝土，随着时间的增加，淤泥陶粒混凝土拌合物的坍落度和扩展度均会有所减小；坍落度和扩展度过大，将会影响混凝土的流动性、保水性和粘聚性；

（4）淤泥陶粒粒径越小，混凝土力学性能相对较优。

参考文献：

[1]朱涵，陶粒混凝土的试验研究[D]，天津：天津大学，2012

[2]赵威，王之宇，周春生，等. 陶粒粒径及级配对陶粒混凝土力学性能的影响[J]. 非金属矿, 2020, 43(3):37-39

[3]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

[4]邱继生，杨占鲁，关破，等.煤矸石陶粒混凝土微观孔结构特征及抗压强度[J].西安科技大学学报，2020,40(1):110-117

[5]诸雪青.

粉煤灰陶粒混凝土配合比优化设计及综合应用性能[D]，青岛：青岛理工大学，2016

[6]赵威，王之宇，周春生，等. 陶粒形状配比对陶粒混凝土力学性能的影响[J]. 非金属矿, 2021,44(1):36-40

作者简介：张业强（1987-），男，福建福州人，本科，工程师，主要从事土木工程和建筑材料研究