（工程力学专业论文）粉煤灰陶粒混凝土的性能研究.pdf

摘要 摘要 2 1 世纪土木工程的主导结构形式仍是混凝土结构，随着现代工程高层化、大跨度化、 大规模化发展要求的日益增加，普通混凝土本身的性能缺陷日益显著，限制了混凝土结 构的发展。目前，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焦点。 粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原料，掺加适量粘结剂，经加工成球，烧结或膨胀而 成的一种人造工业废料轻骨料。粉煤灰陶粒混凝土是一种轻骨料混凝土，它具有轻质、 保温、隔热、耐火、抗震等诸多性能优点。 轻骨料混凝土强度因受骨料强度的限制，往往满足不了结构工程的需要。配制出混 凝土工程上用量较多的3 0 - - - 5 0 m p a 轻骨料混凝土无疑将扩大轻骨料混凝土的应用范围。 本研究以粉煤灰陶粒混凝土为主要研究对象，分别采用页岩陶粒和粉煤灰陶粒成功 配制出强度等级为l c l 5 - - - l c 5 5 的轻骨料混凝土；结合同强度等级普通混凝土，进行力 学试验：立方体抗压强度、劈裂抗拉强度；耐久性试验：抗碳化试验和抗疲劳试验，对 比分析粉煤灰混凝土性能特点；运用扫描电镜结合能谱分析，观察了粉煤灰陶粒混凝土 和普通混凝土的微观结构，对比分析了混凝土中骨料与水泥浆界面的粘结特点及界面区 水化产物的分布特征。 通过试验数据与理论分析发现，轻骨料混凝土强度等级主要与混凝土的水胶比和轻 骨料的强度有关。在轻骨料强度一定的条件下，轻骨料混凝土的强度随水胶比的减小而 增大；在一定水胶比下，轻骨料的强度对轻骨料混凝土的强度起决定性作用。粉煤灰陶 粒混凝土没有明显的界面过渡区，耐久性能良好。 关键词：粉煤灰陶粒混凝土；配合比；微观结构；碳化 人连交通大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h e2 1 s tc e n t u r y ，t h ec o n c r e t es t r u c t u r ei sa l s ot h ep r e v a i l i n gs t r u c t u r ei nt h ec i v i l e n g i n e e r i n g a l o n gw i t ht h er e q u e s t so fm o d e mp r o j e c t si n c r e a s i n g ，h i g hs t r a t i f i c a t i o n ，g r e a t s p a n ，b i gf o r m a l i z a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c ed e f i c i e n c yo ft h ec o m m o nc o n c r e t ei si n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t ，t h ed e f e c t sl i m i tt h ec o n c r e t es t r u c t u r ed e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，t h ee x p e r t sa n d s c h o l a r sa th o m ea n da b r o a dp u tt h er e s e a r c hf o c u so ni m p r o v i n gc o n c r e t es t r e n g t hg r a d e ， m e a n w h i l e ，p r o t e c t i n gt h en a t u r a le n v i r o n m e n t ，s a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gc o n s u m p t i o m f l y a s hi st h em a i nm a t e r i a lo ft h ef l y a s hc e r a m s i t e a d d i n gp r o p e ra m o u n to fb i n d e r , p r o c e s s i n gt os p h e r e ，s i n t e r i n ga n de x p a n d i n gt oa k i n do fa r t i f i c i a li n d u s t r yw a s t i n g l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e s i n t e r e df l y a s hc o n c r e t ei sak i n do fl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ，i t h a sm a n yp r o p e r t ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl i g h t w e i g h t ，i n s u l a t i o n ，h e a ti n s u l a t i o n ，r e f r a c t o r y ， s e i s m i ca n ds oo n t h es t u d yt a k e st h em a i nr e s e a r c ho b j e c to ns i n t e r e df l y a s hc o n c r e t e ，p r e p a r i n gt h e l i g h t w e i g h tc o n c r e t ew i t ht h es t r e n g t hg r a d ef r o m1 5t o5 5 ，u s i n gs h a l eh a y d i t ea n df l y a s h c e r a m s i t er e s p e c t i v e l y s t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t ye x p e r i m e n t s ：c u b i cc o m p r e s s i v e s t r e n g t h ，s p l i t t i n gl e n s i o ns t r e n g t h ；n ed u r a b i l i t yt e s t ：a n t i - c a r b o n i z a t i o nt e s ta n df a t i g u et e s t ， c o m b i n i n gw i t ht h ec o m m o nc o n c r e t eo ft h es a m es t r e n g t hg r a d et oc o m p a r a t i v e l ya n a l y s i s t h ep r o p e r t yf e a t u r eo fs i n t e r e df l y a s hc o n c r e t e t h em i c r o s t r u c t u r eo fs i n t e r e df l y a s h c o n c r e t ea n dc o m m o nc o n c r e t ea r es t u d i e db ye l e c t r o nm i c r o c o p yo b s e r v a t i o na n de n e r g y s p e c t r u ma n a l y s i s ，c o m p a r a t i v e l ya n a l y z i n gt h eb o n df e a t u r e so ft h ei n t e r f a c eb e t w e e n a g g r e g a t ea n dc e m e n ts l u r r y ，t h ed i s t r i b u t i o nf e a t u r eo fh y d r a t i o np r o d u c t si nt h ei n t e r f a c e z o n e a c c o r d i n gt ot h et e s td a t aa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s w ef i n dt h a tt h el i g h t w e i g h tc o n c r e t e s t r e n g t hi si nt h em a i nr e l a t i o nt ot h ec o n c r e t ew a t e r b i n d e rr a t i oa n dt h el i g h t w e i g h t a g g r e g a t es t r e n g t h u n d e r t h ec o n d i t i o no fac e r t a i nl i g h t w e i g h ta g g r e g a t es t r e n g t h ，t h e l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t es t r e n g t hi si n c r e a s i n gw i t ht h ew a t e r b i n d e rr a t i or e d u c i n g ； u n d e rac e r t a i nw a t e r - b i n d e rr a t i o ，t h el i g h t w e i g h ta g g r e g a t es t r e n g t hp l a y sak e yr o l ei nt h e l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e s i n t e r e df l y a s hc o n c r e t eh a sn o tao b v i o u si n t e r f a c i a l t r a n s i t i o nz o n e ，h a v i n gaf a v o r a b l ed u r a b i l i t y k e yw o r d s ：s i n t e r e df l y - a s hc o n c r e t e ；m i xp r o p o r t i o n ；m i c r o s t r u c t u r e a n t i c a r b o n i z a t i o n ； i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属大连交通大堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 日期：洲予年6 月f ，日 导师签名：谢足 日期：沙7 年多月心日 学位论文作者毕业后去向： 人垂蚕葡弓谚仞工祀坡 一r 压俅仄司 工作单位旭豫船肋弗报专了良佤司电话：膨罗妙g 舻洲； 篓兰：八连印砂细砝槠锄嘴翳川7 电子信箱： 洲即移拈 l i 0 洲 p1 。 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太垄窒通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： j 许 日期：) 卯罗年多月 f 厂日 ， 绪论 绪论 一、研究背景 混凝土材料作为混凝土结构的主体材料，被广泛应用于建筑工程、交通工程、水利 工程、电力工程、地下工程及其他特殊结构工程等各种土木工程领域。混凝土是现代工 程结构中最大宗的建筑材料之一，全世界混凝土年产量约9 0 亿吨，我国占4 0 以上， 按此计算，我国每年要用掉约4 0 亿吨的混凝土。按目前的发展趋势，可预见，2 1 世纪 土木工程的主导结构形式仍然是混凝土结构。但是随着现代工程高层化、大跨度化、大 规模化发展要求的日益增加，普通混凝土本身的性能缺陷日益显著，限制了混凝土结构 的发展。目前，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焦点n 1 。 二、研究意义 1 轻骨料混凝土 轻骨料混凝土是由多孔轻骨料、轻砂( 或普通砂) 、胶凝材料和水配制而成的混凝 土，其干表观密度不大于1 9 0 0 k g m 3 。 相比于普通混凝土，轻骨料混凝土具有以下优点乜，3 1 ： ( 1 ) 结构性能好在强度等级相同的情况下，轻骨料混凝土比普通混凝土表观密度 低2 0 - 4 0 ，自重减轻，提高结构承载力，降低结构对地基压力，为结构的高层化、大 跨度、大规模化创造了条件。 ( 2 ) 抗震性能强轻骨料混凝土由于密度小、质量轻、弹性模量低，结构承受动荷 载能力强，在地震荷载作用下所承受的地震力小，震动波的传递速度也较慢，且结构的 自震周期长，对冲击能量的吸收快，减震效果显著。 ( 3 ) 耐火性能好轻骨料混凝土由于导热系数较低，热阻值大，在高温作用下，温 度由表及里的传递速度将大大减慢，可保护钢筋。对同一耐火等级的构件来说，轻骨料 混凝土板的厚度可比普通混凝土减薄2 0 3 0 9 6 。 ( 4 ) 耐久性优良由于轻骨料混凝土具有优良的轻骨料和砂浆间的界面过渡区，而 界面过渡区是影响混凝土材料耐久性的重要因素之一，因此，轻骨料混凝土具有良好的 抗渗透性、抗冻性以及抵抗各种化学侵蚀的能力。另外，轻骨料和砂浆组分弹性兼容性 好，内部裂缝和应力较少。 ( 5 ) 经济性良好尽管高强轻骨料混凝土单方造价比同强度等级的普通密度混凝 土高，但由于其减轻了建筑物的自重、降低基础处理费用，缩小结构断面和增加使用面积， 可降低工程造价5 - - - 1 0 ，因而具有显著的综合经济效益。 大连交通大学一i = 学硕士学何论文 2 粉煤灰陶粒混凝土 粉煤灰陶粒混凝土是轻骨料混凝土的一种，粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原料，掺 加适量粘结剂，经加工成球，烧结或膨胀而成的一种人造工业废料轻骨料。 粉煤灰陶粒中，粉煤灰掺量视粉煤灰和粘结剂的性能而定。烧结法一般可达8 0 - - 9 0 ，回转窑法多数为3 0 - 4 0 ，最多可达6 0 8 0 。由于粉煤灰陶粒自身的性能因素， 使其拥有以下四大效益h 5 1 ： ( 1 ) 粉煤灰陶粒的环境效益 防止环境污染 粉煤灰是火力发电厂排放的工业废渣。随火力发电的装机容量迅速增加，排灰量也 相应急剧增多，对环境的污染更趋严重。因此，当前除大量用于筑路和造地外，积极开发 粉煤灰大用量的项目迫在眉睫。目前粉煤灰用作混凝土掺合料比较普遍，但是受至j j 混凝 土耐久性影响的限制，粉煤灰掺量都不大。为加大粉煤灰利用量，都在进行大掺量粉煤灰 混凝土的研究和应用实践。 如果用粉煤狄陶粒取代天然石子作为混凝土的轻骨料，以混凝土为最终产品来计算， 则单方混凝土的用灰量可大大增多。采用粉煤灰陶粒混凝土同时采用大掺量粉煤灰技术， 若再用粉煤灰陶砂取代普砂，则粉煤灰在混凝土中的利用量更将急剧增大。 表1 各种混凝土的组成材料用量估算 t a b l e1c o n c e p t i o na n ds c o p eo fl o g i s t i c s l 相对表观密度 基准普通粉煤灰陶粒大掺量粉煤灰大掺量粉煤灰陶粒 材料名称 混凝土混凝土混凝土混凝土 g c m 3 k g m 3 m 3 m 3 k g m 3m 3 m 3k g m 3 m 3 m 3 k g m 3 m 3 m 3 水泥 3 1 04 0 0o 1 2 94 0 00 1 2 92 4 00 0 7 72 4 00 0 7 7 粉煤灰 2 4 0o1 6 00 0 6 61 6 0o 0 6 6 砂 2 6 6 7 7 70 2 9 27 7 70 2 9 27 3 70 2 7 87 3 7 使2 7 8 石 2 6 31 0 6 00 4 0 31 0 6 00 4 0 3 陶粒 1 5 0o6 0 50 4 0 36 0 50 4 0 3 水1 0 01 7 60 1 7 61 7 60 1 7 61 7 60 1 7 61 7 60 1 7 6 总量 2 4 1 31 0 0 0 1 9 5 8 1 0 0 0 2 3 7 6 1 0 0 0 1 9 1 81 0 0 0 粉煤灰用量 oo3 0 94 0 36 76 63 9 94 6 9 从表l 可见，粉煤灰陶粒混凝土的单方混凝土质量用灰量为3 0 9 ，而大掺量粉煤灰 混凝土，即使掺量达4 0 ，其单方混凝土的用灰质量也仅有6 7 。若以体积计，用灰量相 2 绪论 应为4 0 3 和6 6 ，相差更大。若粉煤灰陶粒混凝土同时采用大掺量粉煤灰，则用灰质量 可达3 9 9 和体积用灰量4 6 9 。 保护生态平衡 普通混凝土所用骨料几乎都取自自然资源。大量开掘将严重破坏自然界的生态平衡 和山区的绿化植被，祸及子孙后代。若能利用粉煤灰生产陶粒，将工业废渣粉煤灰转化成 为混凝土用的骨料，则不仅开辟了新的建筑材料资源，而且保护了自然资源。 ( 2 ) 粉煤灰陶粒的工程效益 近年来，高强度高性能混凝土的研究和开发已成为混凝土行业中主要发展趋向。粉 煤灰陶粒用于配制混凝土，不仅在于降低混凝土的表观密度，而且可以使混凝土的保温、 耐火以及抗渗、抗冻、抗侵蚀等耐久性能获得显著改善。 天津市的研究和工程实践表明，钢筋粉煤灰陶粒混凝土的抗震性能优于普通混凝土， 其基本原因：建筑物自重小，减少了地震力：粉煤灰陶粒混凝土的弹性模量低，加长了建 筑物的自震周期，从而也使地震力减小1 。 由上可见，骨料对混凝土的性能有重大影响。因此。可以通过陶粒的应用来获得要求 的高强度高性能混凝土。而粉煤灰陶粒的堆积密度往往比较大，更适合于配制高强度高 性能混凝土。国外，早已从事于表观密度为1 9 0 0k g m 3 一- - 1 9 5 0k g m 3 的l c 6 0 和l c 7 5 的陶 粒混凝土的研究和应用。加拿大与挪威合作，在实验室内配制出表观密度1 5 9 5 - 1 8 8 0 k g m 3 ，抗压强度5 7 3 1 0 2 4 m p a 陶粒混凝土口1 。 1 9 1 9 年，美国建造的一艘7 5 0 0 t 陶粒混凝土油船“s e l m a 号，于1 9 2 2 年部分沉没在 g a l v e s t o n 海湾中，距今已近8 0 年，遭受极其严酷的耐久性考验，该船体仍完好无损。 我国一些单位也已开始对高性能轻骨料混凝土进行研究，永定新河高速公路两侧的 引桥，通过优化设计，决定引桥的上部结构采用l c 4 0 陶粒混凝土代替原设计的普通混凝 土。优化方案比原设计方案可节省混凝土1 3 5 0 9 m 3 ，普通钢筋2 5 4 4 t 和预应力钢筋 1 6 5 4 t ( 8 】o ( 3 ) 粉煤灰陶粒的能源效益 粉煤灰陶粒是属于人造轻骨料，其加工生产过程中必须消耗一定的能源。一般情况 下，每立方米高强粉煤灰陶粒的电耗为4 0 一- - 5 0 k w h ，热耗9 0 1 l o k g 标煤。与天然石子相 比，陶粒的能耗大。但是，粉煤灰陶粒混凝土的表观密度显著小于普通混凝土，所以其导 热系数大大降低。以密度等级为1 9 0 0 的陶粒混凝土为例，其导热系数为1 o l w m k ，而 普通混凝土则高达1 8 0 w m k 。因此，陶粒混凝土的应用可以大大降低建筑物的使用能耗 ( 采暖、空调) ，满足建筑节能的要求。从这点上讲，美国曾将陶粒称为“节能产品”。 3 大连交通大学t 学硕七学位论文 8 0 年代初，上海市在岚皋路试点建造了2 0 层陶粒混凝土高层建筑。该建筑的墙体采 用钢筋陶粒混凝土，并进行了热工测试。对于建筑物的能耗分析认为，由于陶粒生产的能 耗高，建造总能耗要比采用普通混凝土增加7 1 5 。但由于陶粒混凝土的保温性能好，每 年每m 2 建筑面积可节省1 1 k g 标煤。这样，1 1 5 年即可收回所增加的一次性建造能耗阻1 。 ( 4 ) 粉煤灰陶粒的经济效益 一般情况下，粉煤灰陶粒的生产成本为1 0 0 - 2 0 0 元m 3 ，高于石子。由于混凝土等强 时，陶粒混凝土的水泥用量要高于普通混凝土，所以单方陶粒混凝土的成本也高于普通 混凝土。 工程实践表明：对于任何新材料应用的经济效益必须通过综合经济分析，才能得出 正确的评价。若以材料单价来比较，人造的材料肯定是贵于天然材料。天津市明江浴池 的六层( 局部七层) 框架结构，六层主楼采用钢筋粉煤灰陶粒混凝土全现浇纯框架结构， 混凝土标号为l c 2 0 。与普通混凝土相比，建筑自重减轻1 2 5 ，基底剪力减少2 7 。虽然 粉煤灰陶粒比石子贵7 8 ，而总造价却减少了7 。 发展粉煤灰陶粒在环境、工程、能源和经济等四个方面具有较好的效益，尤其对于 增大混凝土材料的用灰量方面，更显出其显著的环境效益。发展粉煤灰陶粒符合“4 e 协 合 的原则，是粉煤灰资源再循环的一个有效途径。 1 9 9 7 年，已故吴中伟院士提出的发展“绿色高性能混凝土 中绿色的涵义概括为： “节约资源、能源；不破坏环境，更有利于环境；可持续发展，既满足当代人的需求，又 不危及后代满足其需要的能力。”要求人们在发展混凝土材料时，加深人们对绿色的认 识，自觉地提高高性能混凝土的绿色含量和加大其绿色程度n 叶。 在当前地球环境问题已十分严峻和迈向绿色建材的情势下，发展推广粉煤灰陶粒和 陶粒混凝土，无疑地将进一步提高混凝土的绿色含量和加强其绿色程度。这也正是混凝 土可持续发展的必由之路。 三、国内外发展现状 1 国外发展现状 以美国为代表的北美地区、以挪威为代表的北欧地区以及亚洲的日本等国是世界上 轻骨料混凝土研究与应用较为先进的国家和地区1 。 美国是轻骨料混凝土应用较早、最广泛的国家之一。2 0 世纪7 0 年代初，美国的轻骨 料产量已达1 8 0 0 万立方米，并以每年5 8 1 9 6 的速度增长。在美国，高强轻骨料混凝土广 泛应用于高层建筑、桥梁工程等各种建筑物，在高强轻骨料混凝土的制备方面积累了丰 富的经验引。 1 9 2 0 年左右，s j 海德是最初运用回转窑烧粘土的领军者之一。到1 9 2 8 年，美国开 始把这种方法用于商业生产。1 9 3 6 年美国建造的旧金山一奥克兰海湾桥的桥面，采用高强 4 绪论 轻质混凝土与普通混凝土相比，仅钢材一项就节约造价3 0 0 万美元。1 9 6 9 年，美国采用高 强轻骨料混凝土建成了高2 1 7 6m ，5 2 层的休斯敦贝壳广场大厦。根据结构和建筑要求， 内柱和外柱以及剪力墙要用强度为4 2m p a 的高强轻骨料混凝土浇制，1 1 m 跨距的楼板要 用强度为3 1 5m p a 的高强轻骨料混凝土浇制，其干表观密度为1 8 4 0 k g m 3 ，混凝土用量 达7 万立方米。1 9 8 4 年美国联邦政府委托有丰富设计施工经验的t y l i ni n t e r n a t i o n a l 编制了 c r i t e r i af o rd e s i g n i n gl i g h t w e i g h tc o n c r e t eb r i d g e s 。2 0 0 1 年，该公 司和c h 2 m h i i i 合作设计了位于美国c a l i f o r n i a 的b e n i c i a - m a r t i n e z 桥，该桥总长 2 7 1 6 m ，最大跨度2 0 0 m ，典型跨度1 6 1 m ，抗震按照1 0 0 0 2 0 0 0 年一遇设计。所用轻骨 料混凝土2 8 d 抗压强度为4 5 m p a ，干表观密度1 9 2 0 k g m 3 n 引。 从上世纪8 0 年代起，挪威混凝土协会就是联合国高强高性能混凝土和轻骨料混凝 土研究的技术力量，对桥梁用轻骨料混凝土进行系列研究，己有十余座主要桥梁使用轻 骨料混凝土制造。其中两座悬臂桥跨度分别为2 9 8 m 和3 0 1 m ，两桥分别是当时悬臂桥跨 度的世界记录。同时挪威还在北海上的h e i d r o n 漂浮离岸平台结构工程中在世界上首次 使用了最大干表观密度为2 0 0 0 k g m 3 ，抗压强度为6 0 m p a 的轻骨料混凝土。对这些结构 的检测表明轻骨料凝土的耐久性是可靠的，甚至优于普通混凝土。1 9 9 5 年和2 0 0 0 年， 在挪威的s a n d e f j o r d 和k r i s t i a n s a n d 分别召开了由挪威混凝土协会，美国混凝土协会 ( a c t ) ，国际结构混凝土联合会( f i b ) 联合资助的第一和第二届国际结构轻骨料混凝土会 议。这个国际会议代表了当今对结构轻骨料混凝土研究的最高水平和最新研究动向n 别。 2 国内发展现状 我国轻骨料混凝土的生产和应用是从人造轻骨料的研制开始的。 上世纪中叶，我国就开始对轻骨料及轻骨料混凝土进行研究，1 9 5 6 年在山东博山利 用水泥回转窑试制成功我国第一批粘土陶粒，1 9 6 3 年分别在北京、大庆、上海研究开发 并建成页岩陶粒、粘土陶粒、粉煤灰陶粒( 立窑法) 工业性中间试验线，为我国陶粒及其 混凝土和制品的生产、应用与发展开创了较好的技术基础。 1 9 6 6 在天津建成我国第一条陶粒生产线( 烧结机法粉煤灰陶粒) ，年生产能力5 万立 方米，1 9 6 8 年至8 0 年代末，全国各地建成的各类陶粒厂有页岩陶粒、粘土陶粒、回转 窑法粉煤灰陶粒和烧结剂法粉煤灰陶粒。1 9 9 0 年，中国建筑科学研究院主持编制出轻 骨料混凝土技术规程g j 5 l _ 9 0 ，新规程更具我国特色，而且达到了美、俄、德等国同类 标准水平，为我国进一步发展轻骨料混凝土技术提供了科学理论依据和技术保证。 1 9 8 6 年，上海市的岚皋路高层试点项目建筑3 幢2 0 层钢筋粘土陶粒混凝土剪力墙住 宅楼，该工程是由原设计1 8 层的普通混凝土改造成2 0 层陶粒混凝土的，由于采用了轻骨 料混凝土，每平方米自重减轻1 3 ，使用面积净增1 2 0 0 m 2 ，基础造价减少1 0 ，节约钢材 5 大连交通大学 = = 学硕十学位论文 3 7 ，实际降低建筑造价1 6 ，与临近同结构的1 8 层普通混凝土住宅建筑相比，沉降量小 3 2 5 ，具有显著的技术经济效益。但我国轻骨料混凝土的应用仍主要用于低强度的非承 重结构，如生产小砌块。 我国高强轻骨料混凝土的研究始于2 0 世纪7 0 年代，天津建筑科学研究所等单位在 实验室用高强粉煤灰陶粒配制出l c 4 0 干硬高强轻骨料混凝土。2 0 世纪8 0 年代初，铁道 部大桥局桥梁科学技术研究所在实验室采用高强粘土陶粒和6 2 5 水泥配制出l c 6 0 干硬 性高强轻骨料混凝土，将l c 4 0 粉煤灰陶粒高强混凝土应用于金山公路跨度为2 2m 的箱 形预应力桥梁，使桥梁自重减轻2 0 以上，是我国高强轻骨料混凝土应用的一个成功范例 1 4 o 2 0 世纪9 0 年代起，随着我国经济和高层建筑、节能建筑的快速发展，轻骨料及其 混凝土和制品以其综合优势步入了快速发展期。 据不完全统计，1 9 9 3 年全国陶粒产量增至1 3 0 万立方米，1 9 9 6 年2 5 0 万立方米， 2 0 0 0 年3 4 0 万立方米，到2 0 0 0 年底全国已建有1 2 0 余条陶粒生产线，多数是年产量1 5 万2 万立方米的小型生产线。主要产品是粘土陶粒( 占6 0 左右，平均堆积密度3 6 0 5 6 0k g m 3 ) ，其次为页岩陶粒( 占3 0 左右，平均堆积密度4 0 0 - - 6 0 0k g m 3 、粉煤灰陶粒( 占 1 0 左右，平均堆积密度6 3 0 - - 8 0 0k g m 3 ) 。高强陶粒也获得一定发展，2 0 0 0 年总产量约 4 万立方米，由于轻骨料混凝土制品的快速发展，天然轻骨料和工业废渣轻骨料的生产 和应用也快速增加，2 0 0 0 年全国天然轻骨料产量约8 0 万立方米，工业废渣轻骨料( 主要 是煤渣) 全国总用量约4 5 0 万立方米。 近些年来，我国的高强轻骨料混凝土有了较快的发展，在上海、宜昌等地成功研制了 高强轻骨料，也开始在桥梁工程中有较多应用。 2 0 0 0 年竣工的天津永定新河大桥，是我国轻骨料混凝土用量最大、强度等级最高的 轻骨料混凝土桥。 2 0 0 1 - 2 0 0 年，上海卢浦大桥的全桥铺装层和引桥的一实验跨中采用了l c 4 0 级 l w a c 的2 2 m 双孔后张预应力板梁。 2 0 0 1 年，在北京的健翔桥扩建、新芦沟桥的改造工程和蔡甸汉江大桥桥面辅装工程 也采用了高强轻集料混凝土，取得了很好的技术经济效果。目前正准备的还有上海的卢 浦大桥和天津海可大桥的部分引桥和立交桥面板n 引。 虽然如此，差距仍然很大，要弥合与国外的差距，还需付出巨大的努力。 6 绪论 四、研究思路 使用大连金德页岩陶粒、天津宝通页岩陶粒、天津宝通粉煤灰陶粒及大连汇海粉煤 灰陶粒，掺加活性掺合料粉煤灰，以不同的水胶比配制轻骨料混凝土，探讨轻骨料混凝 土强度的影响因素，比较不同强度等级的轻骨料能配制的混凝土最高强度等级，以粉煤 灰陶粒制备4 0 m p a 以上的轻骨料混凝土，以满足结构工程的广泛需要。 以大连汇海粉煤灰陶粒为主要研究对象，研究其力学性能，对同强度等级的粉煤灰 陶粒混凝土和普通混凝土进行力学性能分析比对。 研究相同强度等级的粉煤灰陶粒混凝土和普通混凝土抗碳化性能和疲劳性能。 利用扫描电镜观察并结合能谱分析，研究粉煤灰陶粒混凝土与普通混凝土的微观结 构，对比两种混凝土在界面过渡区的微观结构特征和材料组成，分析其对宏观性能的影 响。 五、主要研究内容 1 研究轻骨料混凝土的配合比设计； 2 研究粉煤灰陶粒混凝土的力学性能，与同强度等级普通混凝土进行分析比对； 3 研究粉煤灰陶粒混凝土的碳化性能及疲劳性能，与同强度等级普通混凝土进行分析 比对： 4 研究粉煤灰陶粒混凝土及普通混凝土的微观结构。 7 大连交通大学t 学硕士学位论文 第一章试验设计 轻骨料混凝土配合比设计较为复杂，很大程度上依赖试验试配和经验积累，本次试 验参考了国内外相关书籍文献和我国轻骨料混凝土技术规程( j g j 5 1 9 0 ) ，采用松散 体积法用四种轻骨料进行配合比设计，成功配制出强度等级l c l 5 - - 一l c 5 5 的轻骨料混凝 土。 1 1 试验材料 1 1 1 水泥 试验所用的水泥选用大连小野田水泥有限公司生产的日华牌普通硅酸盐水泥 ( p 0 4 2 5 r ，p 0 3 2 5 r ) ，其物理力学性能指标如下： 表1 1 水泥物理力学性能 t a b l e1 1p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc e m e n t 1 1 2 粉煤灰 采用的粉煤灰均为大连华能电厂的i 级粉煤灰，其基本物理性能及力学性能如下： 表1 2 粉煤灰物理力学性能 t a b l e1 2p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff l ya s h 1 1 3 陶粒 配合比设计采用的四种轻骨料，分别为大连中德页岩陶粒、天津宝通页岩陶粒、天 津宝通粉煤灰陶粒和大连汇海粉煤狄陶粒，陶粒样品见图1 1 ，其物理力学性能见表1 3 。 8 第一章试验设计 表1 3 陶粒物理力学性能 t a b l e l 3 p h y s c 山a n d m e c h a n i jp r o p e r t i e s o f c e r a m i s i t e 一家懒种颗警絮鬻篙“絮孑 大连中德页岩 5 1 06 3 04 3 81 3 42 0 01 6 天津宝通页岩3 1 51 7 8 69 6 95 0 “z 6 天津宝通糟煤灰 5 79 1 05 5 0 8 0 1 8 01 8 大连汇海 耪煤灰 5 2 01 4 5 08 0 01 0 01 2 04 0 下圈1 1 从左至右依次为大连汇海粉煤灰陶粒、天津宝通粉煤灰陶粒、天津宝通页岩 陶粒和大连中德页岩陶粒。 图1 _ l 轻骨料 f 幢1 1 t h e i 讪t 眦蛐ta g g 化g a t e 1 1 4 碎石 采用普通碎石，表观密度为2 7 0 0k g f ，碎石级配见表1 4 ； 表1 4 碎石筛分结果 ! 竺! ! ! 些竺! ! ! 1 1 1 竺! ! 竺 筛孔尺寸( m m )分计筛余c )累计筛余( ) 大连交通大学t 学硕七学位论文 筛孔尺寸( m m )分计筛余( )累计筛余( ) 1 1 6 拌合水 试验室自来水。 1 2 试验设计 1 2 1 轻骨料混凝土的配制特点 轻骨料混凝土设计要求 轻骨料混凝土的配合比设计主要应满足抗压强度、密度和稠度的要求，并以合理使 用材料和节约水泥为原则。必要时尚应符合对混凝土性能( 如弹性模量、碳化和抗冻性 等) 的特殊要求n 引。 轻骨料混凝土配合比设计特点 影响普通混凝土强度的主要因素是水泥强度、水灰比及水泥砂浆的强度。与普通混 凝土相比，影响轻骨料混凝土强度的因素复杂些，除了水泥砂浆强度的影响外，轻骨料 的强度对混凝土的强度也有着重要的影响，因此轻骨料混凝土的配合比设计有着很大的 特殊性n 7 1 。 轻骨料的主要性能指标有： 堆积密度 堆积密度是表示轻骨料在某一级配条件下自然堆积状态时单位体积的重量。该体积 1 0 第一章试验设计 包括颗粒之间的空隙以及骨料颗粒内部的孔隙。它取决于骨料的颗粒表观密度、粒径、 级配和粒形。堆积密度是轻骨料的主要品种指标，轻骨料按其堆积密度划分若干密度等 级。 颗粒强度 如何评价轻骨料的强度，至今尚无公认满意的试验方法。轻骨料混凝土技术规程 j g j s l 2 0 0 2 对于轻骨料的强度规定了两种强度指标：筒压强度和强度等级。强度等级是 以该轻骨料的“混凝土合理强度 来表示轻骨料的强度指标。因为并不是任何一种轻骨 料适用配制任何强度的混凝土，对于某种特定的轻骨料配制混凝土时，有它自己合理的 强度范围。 吸水率 由于轻骨料和普通骨料相比具有较大的吸水率，这一部分吸水量必须在配合比设计 中加以考虑，否则将引起工作性不良的问题。不同品种的陶粒配制的混凝土的最佳用水 量是变化的，它取决于很多条件，一般都存在一个各自的最佳用水量，所以陶粒混凝土 的配合比确定要比一般混凝土复杂。 正是由于上述特性，使得轻骨料混凝土的配合比设计，虽然通过国内外学者的分析 研究，但均未达到实际可用的程度，轻骨料混凝土的配合比设计很大程度上仍然依赖于 试验试配和经验累积n 7 1 。 1 2 2 轻骨料混凝土配合比设计 广泛参考了国内外相关书籍文献和我国轻骨料混凝土技术规程q g j 5 1 9 0 ) ，可 发现，轻骨料混凝土配合比设计中，水泥强度等级和用量、砂率、水灰比是三个最为重 要的设计参数。 我国轻骨料混凝土设计主要采用绝对体积法和松散体积法。轻骨料混凝土分为砂轻 混凝土和全轻混凝土两种。砂轻混凝土是指普通砂或部分轻砂做细骨料配制而成的轻骨 料混凝土宜采用松散体积法。 本文采用了松散体积法计算，设计步骤如下n 引： ( 1 ) 根据设计要求的轻骨料混凝土的强度等级、混凝土的用途，确定粗细骨料的种 类和粗骨料的最大粒径； ( 2 ) 测定粗骨料的堆积密度、筒压强度和1 h 吸水率，并测定细骨料的堆积密度： ( 3 ) 按公式1 1 计算混凝土试配强度； 凡一厂c 。j + 1 6 4 5 a ( 1 1 ) 式中厶一为轻骨料混凝土的试配强度( m p a ) ； 厶j 为轻骨料混凝土立方体抗压强度标准值( 即强度等级 ( m p a ) ； 口为轻骨料混凝土强度标准差( m p a ) 混凝土强度标准差按表1 6 取值 表1 6 强度标准差o r t a b l e1 6s t r e n g t hs t a n d a r dd e v i a t i o n 混凝土强度等级低于【c 2 0 l c 2 0 l c 3 5 高于l c 3 5 o r4 o5 06 0 ( 4 ) 确定水泥用量 根据混凝土强度等级和轻骨料密度等级，从表1 7 中选取适合水泥用量。 表1 7 轻骨料混凝土的水泥用量( 1 【g m 3 ) t a b l e1 7c e m e n tc o n t e n to ft h el i g h t w e i g h ta g g r e g a t ee o n c r e t e ( k g m s ) 混凝土试配轻骨料密度等级 强度( m p a ) 5 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 2 0 2 53 3 0 4 0 03 2 0 3 9 03 1 0 3 8 03 0 0 3 7 0 2 5 3 0 3 8 0 4 5 0 3 7 0 4 4 0 3 6 0 4 3 0 3 5 0 4 2 0 3 0 4 04 2 0 5 0 03 9 0 4 9 03 8 0 4 8 03 7 0 - 4 7 0 4 0 5 04 3 0 5 3 04 2 0 5 2 04 1 0 5 1 0 5 0 - 6 04 5 0 5 5 04 4 0 - - 5 4 0 4 3 0 5 3 0 注：表中横线上亦采用3 2 5 r 级水泥时的水泥用量值；横线下亦采用4 2 5 r 级水泥时的水泥用量值 最高水泥用量不宜超过5 5 0k g m 3 ( 5 ) 根据施工稠度的要求，从表1 8 中选取适合用水量 表1 8 轻骨料混凝士的净用水量 t a b l e1 8n e tw a t e ru s eo ft h el i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e 稠度 轻骨料混凝土用途 净用水量( k g m 3 ) 塌落度( r a m ) 现浇混凝土： ( 1 ) 机械振捣 5 0 - - - 1 0 01 8 0 2 2 5 ( 2 ) 人工振捣或钢筋密集 8 02 0 0 2 3 0 1 2 第一章试验设计 ( 6 ) 根据混凝土用途选取松散体积砂率 表1 9 轻骨料混凝土的砂率 t a b l e1 9s a n dr a t i oo ft h el i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e 轻骨料混凝士用途细骨料品种 砂率( ) 轻砂 3 5 5 0 预制构件 普通砂 3 0 4 0 轻砂 现浇混凝土 普通砂3 5 4 5 ( 7 ) 根据粗细骨料的类型，选用粗细骨料总体积，见表1 1 0 表1 1 0 粗细骨料总体积 t a b l e1 1 0t o t a lv o l u m eo fc o a r s e f i n ea g g r e g a t e 轻粗骨料类型细骨料品种 粗细骨料总体积( m 3 ) 轻砂1 2 5 1 5 0 圆球型 普通砂 1 1 0 1 4 0 轻砂 1 3 0 1 6 0 普通型 普通砂 1 1 0 1 5 0 轻砂1 3 5 1 6 5 碎石型 普通砂1 1 0 1 6 0 按下列公式计算每立方米混凝土的粗细骨料用量： 圪一k 幸s p ， m ，一k 毒p h 圪一k 一屹 历。一圪 儿 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 式中k ，v 。，k 分别为每立方米细骨料、粗骨料和粗细骨料的松散体积( m 3 ) ； m ，m 。分别为每立方米细骨料和粗骨料的用量( k g ) ； s ，为砂率( ) ； p 。，p k 分别为细骨料和粗骨料的堆积密度( k g m 3 ) ( 8 ) 根据净用水量和附加用水量的关系按下式计算总用水量，附加用水量计算， 见。表1 1 1 ： 1 3 大连交通大学t 学硕士学位论文 表1 1 1 附加水量的计算 t a b l e1 1 1c a l c u l a t i o no fa d d i t i o n a lw a t e r 项目 附加用水量( 肌。) 粗骨料预湿，细骨料为普砂研。= o 粗骨料不预湿，细骨料为普砂 m w a - - m 口书吃 粗骨料预湿，细骨料为轻砂 m w a = m ，幸吐 粗骨料不预湿，细骨料为轻砂 m w a = m o 膏口4 - ms 毒3 m 埘= 聊。+ m 。( 1 6 ) 式中m 埘为每立方米混凝土的总用水量( k g ) ； m 。为每立方米混凝土的净用水量( k 酚； m 。为每立方米混凝土的附加水量( k 酚。 ( 9 ) 按下式计算混凝土干表观密度 p 甜= 1 1 5 m 。