半轻混凝土的物理力学性能变化规律试验研究.pdf

2 0 1 6 年第6 期( 总第3 2 0 期) N u m b e r 6i n2 0 1 6 ( T o t a lN o 3 2 0 ) 混 凝土 C o n c r e t e 理论研究 T H E O R E T I C A LR E S E A R C H d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 6 0 0 1 半轻混凝土的物理力学性能变化规律试验研究 杨健辉协一。张庆兵饥b ，余建雨l a , 2 ，孟海平l a , b ，张涵3 ( 1 河南理工大学a 生态建筑与环境构建河南省工程实验室；b 土木工程学院，河南焦作4 5 4 0 0 0 ； 2 河南省建设集团有限公司，河南郑州4 5 0 0 0 2 ；3 郑州大学土木工程学院，河南郑州4 5 0 0 0 2 ) 摘要：为了揭示水胶比、河砂和碎石体积取代率对半轻页岩陶粒混凝土的物理力学性能影响规律，进行了水胶比分别为0 3 0 、 o 3 5 、o 4 0 ，河砂取代率分别为5 、1 0 、15 ，碎石取代率分别为5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 时的相互交叉试验。结果表明：在 水胶比为o 3 5 、河砂取代率为1 0 、碎石取代率为2 5 时，半轻混凝土的各项物理力学性能指标达到最优；抗折强度与抗压强度、 折压比与抗折强度、干表观密度和比强度与抗压强度之间，均存在强相关关系；但干表观密度和比强度与抗压强度之间的关系， 敏感于抗压强度的变化；通过普通骨料对部分轻骨料的同时取代，不仅能保证混凝土的干表观密度小于19 5 0k g m 3 的技术要求， 而且还能克服全轻混凝土的技术缺陷，以及降低工程成本。 关键词：轻骨料混凝土；半轻混凝土；页岩陶粒；水胶比；抗压强度；抗折强度；比强度；干表观密度 中图分类号：T U 5 2 8 叭文献标志码： A 文章编号：1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 6 0 0 0 1 0 5 E x p e r i m e n t a ls t u d yo nc h a n g er u l e so fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e sf o rs e m i - l i g h t w e i g h tc o n c r e t e Y A N G 7 i a n h u i l a b ，Z H A N G Q i n g b m g ，Y U J i a n y u l a 2 ，M E N U H a i p i n g r l a , b ，Z H A N G H a n 3 ( 1 a H e n a nP r o v i n c eE n g i n e e r i n gL a b o r a t o r yo f E c o a r c h i t e c t u r ea n dE n v i r o n m e n tC o n s t r u c t e d ； b S c h o o lo f C i v i lE n g i n e e r i n g ，H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，J i a o z u o4 5 4 0 0 0 ，C h i n a ； 2 H e n a nP r o v i n c eE n g i n e e r i n gG r o u pC o ，L t d ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2 ，C h i n a ； 3 S c h o o lo f C i v i lE n g i n e e r i n g ，Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：As e r i a lo fi n t e r c r o s st e s t sw e r ea c h i e v e di no r d e rt od e m o n s t r a t et h ec h a n g er u l e so fp h y s i c a l m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e s ( P M P s ) f o rs e m i l i g h t w e i g h ts h a l ec e r a m s i t ec o n c r e t e ( S L W S C C ，c a l l e dS L W C ) b a s e do nt h ep a r a m e t e r sc h a n g eo f w a t e r t o b i n d e r ( W B ) r a t i o b y w e i g h t ，v o l u m e t r i cs u b s t i t u t er a t e s o f n o r m a l w e i g h tc o a r s e a g g r e g a t e ( S a ) a n ds a n d ( S 。) ，w h i c h i s0 3 0 ，0 3 5 ，0 4 0b y W B ，5 ，1 0 ， t 5 b y S 。，5 ，1 0 ，t 5 ，2 0 ，2 5 ，3 0 b y S a , r e s p e c t i v e l y ，T h er e s u l t ss h o w t h e P M P i n d e x e sa r e t h e b e s t w h e n W 倡i sO 3 5 ，S 。i s l 0 a n dS 。i s2 5 I ti sas t r o n g e rc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ev a r i a b l e so fc o m p r e s s i v es 仃e n g t h ( C S ) a n db e n d i n gs t r e n g t h ( B S ) ，B S t o C Sr a t i oa n d B S ，d r ya p p a r e n td e n s i t y ( D A D ) a n dC S ，s p e c i f i cs t r e n g t h ( S S ，C S t o - D A Dr a t i o ) a n dC S ，r e s p e c t i v e l y B u tt h er e l a t i o n s h i p sa r es e n s i t i v et o t h ec h a n g eo f C Sb e t w e e n D A Da n d C S S Sa n d C S T h eS L W Cc a nn o to n l ys a t i f y D A D 19 5 0 k g m 3 , b u ta l s oo v e r c o m ec o m m o nq u a l i t y p r o b l e m so f a l l l i 曲t w e i g h tc o n c r e t e ( A L W Cja n dl o w e re n g i n e e r i n gc o s t K e yw o r d s ：l i g h t w e i g h tc o n c r e t e ；s e m i - ! i g h t w e i g h tc o n c r e t e ；s h a l ec e r a m s i t e ；w a t e r - t o - - b i n d e rr a t i o ；c o m p r e s s i v es t r e n g t h ；b e n d i n g s t r e n g t h ；s p e c i f i cs t r e n 垂h ；d r ya p p a r e n td e n s i t y 0引言 轻骨料混凝土是指采用轻粗骨料、轻砂或普通砂为骨 料所配制的、干表观密度不大于l9 5 0k g m 3 的混凝土；砂轻 混凝土则是由普通砂或部分轻砂所配制的轻骨料混凝土； 次轻混凝土则是指在轻粗骨料中掺人适量普通粗骨料，干 表观密度大于19 5 0k g , t n 3 小于或等于23 0 0k m ，的混凝 土( J G J5 1 2 0 0 2 轻骨料混凝土技术规程) 。但在干表观 密度仍不大于19 5 0k g m 3 且又同时以部分普通粗细骨料 替代部分轻粗细骨料的混凝土，为方便起见，这里统称之 为半轻混凝土。其中，仅以部分碎石( 卵石) 取代部分轻粗 收稿日期：2 0 1 5 0 7 1 2 基金项目：国家自然科学基金项目( 4 1 1 7 2 3 1 7 ) 骨料的称为石轻混凝土。 半轻或次轻混凝土，其目的是为了解决全轻混凝土成 本高、易出现泵送堵管和粗骨料上浮等弊端，并能适应结 构向高层、大跨方向发展所需求的轻质、高强、高韧性等性 能要求 1 】，以及保温、隔声等物理性能要求 2 1 。因半轻或次轻 混凝土随着普通粗骨料含量的提高，其干表观密度和弹性 模量随之增大；而且其比强度( 抗压强度与干表观密度的 比值) 又相对较高，因而可满足强度与刚度要求。又因半轻 混凝土介于全轻混凝土和次轻混凝土之间，轻集料的吸放 水特性所具有的自养护功能，不仅提高了混凝土的体积稳 定性和抗裂性，而且其相对较低的弹性模量，还可承受 万方数据 更大的变形，并因此提高结构的抗震性能。 针对目前关于半轻混凝土的研究现状，即主要以轻粗 骨料替代普通粗骨料，以及河砂替代轻砂的混凝土强度研 究为主。本试验根据本课题组的近年来研究成果和工程实 践，对全轻混凝土同时采用砂和碎石不同取代率时的半轻 混凝土强度变化规律，进行了系统试验研究，以期为相关 研究和工程应用提供试验与实践参考。 1 试验概况 1 1 原材料 水泥：焦作坚固水泥厂生产的坚固牌P 0 4 2 5 R 级水 泥，满足G B1 7 5 2 0 0 7 要求； 粉煤灰：焦作电厂生产的I I 级粉煤灰，满足G B T1 5 9 6 2 0 0 5 要求； 页岩陶粒：洛阳正全实业有限公司生产的7 0 0 级碎石 型页岩陶粒( 以下简称陶粒) ，粒径1 5I 1 1 T I ，筒压强度为 3 5M P a ，堆积密度为6 6 0k g m 3 , 2 4h 吸水率为4 3 ； 页岩陶砂：洛阳正全实业有限公司生产的9 0 0 级页岩 陶砂( 以下简称陶砂) ，粒径5 m m ，堆积密度为8 8 0 k g m 3 ， 2 4h 吸水率为1 2 7 ，细度模数为3 1 5 ，连续级配； 碎石：焦作产石灰岩，粒径1 5m l y l ，针片状含量小于 8 ，含泥量 1 0 ，堆积密度14 5 0k g m 3 ； 河砂：焦作产河砂，粒径5r n l T l ，堆积密度14 5 0 k g m 3 ， 含泥量 0 9 8 。这说咀胖。罐4 是强相关的，也表明本试验数据 的可靠性。为简便起见，这里仅给冉所有数据的关系式： 君d = 9 6 3 32 1 n ( f 。2 8 4 ) - 2 6 7 7 6 R = 0 9 8 ( 1 ) 类似地，c F 与臂6 也存在这种强相关关系，如式( 2 ) 所示： 4 C F = 0 0 519 1 n ( f y 8 ) + 0 0 4 18R = 0 9 8( 2 ) 2 6 半轻混凝土的干表观密度和比强度变化规律 由于普通骨料的密度大于轻骨料，因此，随着s 。和J s 。 增加，P 。逐渐增大。在保证p d 19 5 0k g m 3 的条件下，并在 采用普通骨料取代部分轻骨料后，其强度、弹性模量和干 表观密度发生相应变化：为了从宏观上描述这些因素之间 的相互关系通 过一2 8 d 一2 8 d 的比值，即比强度C D 来描述其 变化规律，因其也是衡量混凝土轻质高强的一个指标 1 9 - 2 0 ， 如图5 所示。 图5 不同骨料同时取代时对半轻混凝土的比强度影响 如当S 。为2 0 2 5 时，C D 介于2 4 6 2 5 1 ( k N I T I ) k g 之间，远高于普通 昆凝土的4 2 6 ( k N 1 1 3 ) k g l 2 ”，也高于石轻 混凝土的1 9 6 ( k N m ) k 9 1 7 1 ：这说明，半轻混凝土具有轻质 高强的良好特性，又相对于普通混凝土具有较好的延性，相 对于全轻碎石混凝土具有较大的刚度，能够满足相关丁程 应用要求： 当对表l 中W B = 0 3 5 所在列的全部试验数据进行拟 合时，不论是P 。一馏o ，还是c D 一馏。，其相关系数均很小= 但其分别以相应组别的试验数据( 剔除表l 中带+ 号数据) ， 则相应的关系式分别如式( 3 ) ( 8 ) 所示： P u = 6 2 0 8 0 1 n ( 僧“) - 5 2 8 8 2 J s s - 5 R = 0 9 8 ( 3 ) P d = 7 6 4 0 4 I n ( 翟o ) 一11 1 8 - 3 5 s - 1 0 R = 0 9 8 ( 4 ) P d = 8 3 0 3 4 1 n ( 僧o ) 一l3 l1 6S s = 1 5 尺= 0 9 9 ( 5 ) C D = 16 4 8 6 1 n ( ：眉2 8 0 ) 一3 8 2 0 6 s s - 5 R = 0 9 9( 6 ) C D = 1 2 3 0 5 1 n ( 馏6 ) 一2 1 9 1 1 S s1 0 尺= 0 9 8 ( 7 ) C D = 1 2 1 3 3 1 n ( 馏4 ) 一2 1 9 4 | s s - 1 5 R = 0 9 9( 8 ) 式( 3 ) ( 8 ) 的相关系数均接近l ，说明相应的物理量之 间存在强相关性；而异常数据则表明，P 。和c D 均敏感于 璧a 的变化。其原因仍在于普通粗、细骨料的引入，不仅改 变了混凝土的内部结构，而且也因此改变了其船8 和P 。由 规范J G J5 1 2 0 0 2 可知，轻骨料混凝土或半轻混凝土的应 用方向，决定于其船。和P d ；类似地，文献 2 2 也给出了相应 的P 。等级与主要原材料、强度等级和应用方向之间的相互 关系，如图6 所示。通过本试验结果与图6 对比可知，二者 相吻合： 3 结论 在保证干表观密度 19 5 0k g m ，的规范要求条件下， 本试验采用碎石和河砂同时取代部分轻粗、细骨料的方法， 获得了具有良好和易性和满足泵送要求的半轻混凝土，并 ”如如； l一三：誓：ij聋兰=l卓芝弋j 万方数据 轻骨料混凝土 保温混凝土l中等强度混凝土I 结构混凝土 I 膨胀黏土 保温隔热 珍珠岩 浮石 页岩板岩 图6 不同密度等级和不同强度等级的轻集料混凝土 与其应用方向之间的相互关系 对其各影响因素和强度与干表观密度的变化规律进行了 系统试验，得到以下一些结论： ( 1 ) 水胶比是影响半轻混凝土强度的主要因素之一； 在同等条件下，随着水胶比增大，各种强度指标均表现出 先升后降的趋势，并在水胶比为0 3 5 时达到最大值； ( 2 ) 适当的普通碎石与河砂等体积取代，对改善半轻 混凝土的和易性、内部结构、强度和干表观密度，具有重要 影响；当其取代率分别为2 5 和1 0 时，半轻混凝土的各 项物理力学性能指标达到最优； ( 3 ) 半轻混凝土的抗折强度与抗压强度、折压比与抗 折强度、干表观密度及比强度与抗压强度之间，均存在强 相关关系，其相关系数均接近1 ；但干表观密度及比强度与 抗压强度之间的关系，敏感于抗压强度的变化； ( 4 ) 本试验所配制的半轻混凝土，其强度和干表观密 度等级及其应用方向，符合规范J G J51 2 0 0 2 和相关文献 的分类要求，能够满足相关工程的应用需要。 参考文献： 1 龚洛书，刘春圃轻集料混凝土【M 北京：中国铁道出版社， 1 9 9 6 ：1 3 【2 】王立成，刘汉勇硅灰对轻骨料混凝土抗海水冻融l 生能的影响叨 建筑材料学报，2 0 0 5 ，8 ( 4 ) ：3 4 9 3 5 5 3 丁建彤，郭玉顺，木村薰结构轻骨料混凝土的现状与发展趋 势一第二届结构轻骨料混凝土国际会议介绍 J 】混凝土，2 0 0 0 ( 9 ) ：2 3 2 6 【4 】季韬，庄一舟，梁咏宁，等轻骨料吸水返水特性及其对轻骨料 混凝土抗裂性能的影响【J 混凝土，2 0 1 0 ( 6 ) ：6 1 6 3 5 M E H M E TG ，T U R A NO S e l f c o n s o l i d a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc o n c r e t e c o m p o s i t e si n c l u d i n g r o u n d e df i n ea n dc o a r s e f l y a s h l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e s J C o m p o s i t e sP a r tB ：E n g i n e e r i n g ，2 0 1 4 ，6 0 ( 4 ) ：7 5 7 7 6 3 6 D E S H P A N D EYS ，H I L L E RJE P o r ec h a r a c t e r i z a t i o no fm a n u f a c t u r e da g g r e g a t e s ：R e c y c l e dc o n c r e t ea g g r e g a t e sa n dl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e s J M a t e r i a l sa n dS t r u c t u r e s ，2 0 1 2 ，4 5 ( 1 ) ：6 7 7 9 7 】杨健辉，徐璐，樊晓，等石轻页岩陶粒混凝土的强度试验研究阴 混凝土，2 0 1 5 ( 3 ) ：8 2 8 6 8 丁发兴，应小勇，余志武轻骨料混凝土单轴力学性能统一计算 方法 J 中南大学学报( 自然科学版) ，2 0 1 0 ，4 1 ( 5 ) ：1 9 7 3 1 9 7 9 【9 】9 关振铎，张中太，焦金生无机材料物理性能【M 】 E 京：清华大学 出版社，1 9 9 2 ：8 5 8 6 【1 0 钱伟，樊传刚，冉松林，等污泥陶粒次轻混凝土的制备与性能 研究 J 】混凝土，2 0 1 2 ( 4 ) ：1 2 2 1 2 5 11 】张勇，丁庆军，王发洲轻集料混凝土的界面结构研究【J 】混凝 土，2 0 0 2 ( 1 0 ) ：2 9 3 1 【1 2 Z H A N GMH ，G I O R V O E M i c r o s t r u c t u r eo ft h ei n t e r f a c i a l z o n eb e t w e e nl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ea n dc e m e n tp a s t e J 1 C e m e n ta n dC o n c r e t eR e s e a r c h ，1 9 9 0 ，2 0 ( 4 ) ：6 1 0 6 1 8 1 3 】周明辉，李连君次轻混凝土强度的试验研翘J 混凝土，2 0 1 1 ( 6 ) ：1 5 6 1 5 8 1 4 陈连发，王辰，王震雷，等高强次轻混凝土物理力学性能的研 究叨硅酸盐通报，2 0 1 5 ，3 4 ( 1 ) ：2 6 5 2 7 2 【1 5 】宋开伟粗集料对混凝土抗折强度影响的研究 D 重庆：重庆大 学，2 0 0 5 ：3 3 3 5 1 6 】薛辉，张荣花普通混凝土抗折强度试验研究 J 】黑龙江八一农 垦大学学报，2 0 1 3 ，2 5 ( 2 ) ：1 7 2 1 【1 7 钱觉时，宋开伟，杨再富，等粗集料强度对混凝土抗折强度的 影响【J 】建筑材料学报，2 0 0 6 ，9 ( 4 ) ：4 6 8 4 7 2 1 8 】陈静页岩陶粒混凝土的单轴和二轴受压试验研究 D 焦作：河 南理工大学，2 0 1 4 ：1 5 1 6 1 9 Y A N GCC ，H U A N GR D o u b l ei n c l u s i o nm o