高强再生轻骨料和玻璃微珠配制轻质高强混凝土的研究.pdf

2 0 1 2年第 1 0期 1 O月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUC 2 01 2 No 1 0 Oc t o b e r 高强再生轻骨料和玻璃微珠配制 轻质高强混凝土的研究 陈雪梅 ， 严 云 1 2 ， 张 旭 ， 胡志华 ， ( 1 西南科技大学先进建筑材料 t ) l l 省重点实验室 ， 绵 阳 6 2 1 0 1 0 ； 2 四川省非金属复合与功能材料 重点实验室一省部共建国家重点实验室培育基地 ， 绵阳 6 2 1 0 1 0 ) 摘 要 ： 采用高强再 生轻骨料和玻璃微珠 ， 利 用体积法配制 出了性能满足预 定控制要 求的轻质高强混凝土。通 过对 比试验研 究了玻璃微珠、 水泥品种、 骨料掺量对轻质 高强混凝土力学性能和工作 性能的影 响。 结果表明， 调节玻 璃微珠的粒度和掺 量可有效控制 混凝 土的表观 密度 ， 使 用高强再 生轻骨料 可提 高混凝土 的强度和工作 性。 试验配制 出了表观 密度 1 5 2 0 k g m3 、 2 8 d抗压强度 5 8 9 MP a 、 比强度 1 0 6 6 7 、 工作性 能较好 的轻质 高强混凝土 。 关键 词 ： 再生轻骨料 ； 玻璃微珠 ； 轻质 高强混凝土 ； 比强度 Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e v o l u me mi x p r o p o r t i o n p r o c e d u r e ， t h e h i g h s t r e n g t h l i g h t w e i g h t c o n c r e t e me e t i n g t h e c o n t r o l r e q u i r e me n t s o f s c h e d u l e d p e rf o r ma n c e s i s p r e p a r e d b y u s i n g h i g h- s t r e n g t h r e c y c l e d l i g h t we i s h t a g g r e g a t e s a n d g l a s s mi c r o s p h e r e s n1 e e f f e c t s o f g l a s s mi c r o s p h e r e s c e me n t v a r i e t i e s a n d c o n t e n t o f r e c y c l e d l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e s o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d wo r k a b i l i t y o f h i g h - s t r e n gth l i g h t w e i g h t c o n c r e t e a r e s t u d i e d b y c o mp a r i s o n t e s t s T h e r e s u l t s s ho w t h a t va r y i ng e i t h e r t he p a rti c l e s i z e o r c o n t e n t o f g l a s s mi c r os p he r e s c a n e ffe c t i v e l y c o nt r o l t h e s u r f a c e de n s i t y o f c o n c r e t e ， a n d u s i n g h i g h s t r e n g t h r e c y c l e d l i g h t we i g h t a g gre g a t e s c a n i mp r o v e t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth a n d wo r k a b i l i t y o f c o n c r e t e At l a s t ，t h e h i g h - s t r e n g t h l i g h t w e i t c o n c r e t e w i t h g o o d w o r k a b i l i t y ， c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a c h i e v i n g 5 8 9 MP a ， s u r f a c e d e n s i t y o f 1 5 2 0 k g m ， a n d r a t i o of s t r e n g t h t o d e n s i t y o f 1 0 6 6 7 c a n b e o b t a i n e d Ke y wo r d s ：Re c y c l e d l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e s ；Gl a s s mi c r o s p h e r e s ；Hi g h- s t r e n g t h l i g h t we i g h t c o n c r e t e ；Ra t i o o f s t r e n g t h t o d e n s i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 2 文献标识码 A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 2 ) 1 O 一 0 7 0 4 0前 言 随着建筑物层数的增多 、 桥梁跨度 的增大和建 筑物环境的恶化 ， 不仅要求混凝土强度高 ， 而且要 求混凝土密度低。轻质高强混凝土具有重量轻 、 强 度高和耐久性好等特 点 ，具有 良好 的隔热保 温性 能， 是 目前世界混凝土技术的发展方向之一 1 】 。 美 国 、 日本 、 德国和加拿大等 国家十分重视轻 质高强混凝土的研究与应用 ， Z h a n g t2 1 等配制了抗压 强度 1 0 0 MP a 、密度 为 1 8 6 5 k g m 。 的轻质高强混凝 土。B e r r a 3 J 等配制出抗压强度 6 0 MP a 、 密度 1 7 0 0 k g m。 以下用于海洋工程的轻质混凝土。 Mo 等人对轻 质高强混凝 土的力学性能及硅灰对轻质高强混凝 土的粘结强度的影响等进行 了系统研究 ， 并配制出 抗压强度为 6 9 MP a的轻质混凝土。在我国 ， 轻质高 基金项目： “ 十二五” 国家科技支撑计划保温与结构一体 化墙 体及屋 面材料 制造与 应用技 术研究 ( 2 0 1 1 B A E 1 4 B 0 5 ) ； 西南科技大学研究生创新基金资助 ( 1 2 y c j j 1 5 ) 。 强混凝土近几年发展较快 ， 张华英5 3 通过正交试 验 配制 出抗压强度超过 5 0 MP a 、表观密度 1 9 5 0 k g m 。 的 陶粒 轻质 高 强混 凝 土 。黄 昱霖 6 7 以低 成本 为 目标 配制 出 2 8 d抗 压强 度超 过 6 0 MP a 、表 观密度 为 2 0 2 5 k s m 的大 流动 度 陶粒 混凝 土 。 轻质高强混凝土的配制 ， 关键在于轻骨料的选 取。常用的轻质集料有 ： 天然轻质集料( 浮石) 、 烧结 天 然材 料 ( 陶粒 ) 、 热 处理 的工业 废渣 ( 膨胀 矿 渣 ) 及 有机材料 ( 塑料) 等 ， 但这些轻骨料 的质量都有待提 高 ， 配制的混凝土强度等级偏低且各组分密度差异 较大 ， 新拌的混凝 土( 特别是大流动混凝土) 易出现 分层离析现象 ， 导致匀 质性变差 ， 进而影响施工质 量 。 本文采用高强再生轻骨料和轻质玻璃微珠 ， 基 于强度和密度的要求 ， 采用体积法进行了高强轻质 混凝土配合 比设计 ，通过调整玻璃微珠 的粒度、 水 泥品种及再生轻骨料掺量 ，成功配制出流动性大 、 匀质性好且比强度高的轻质高强混凝土 。 一7一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 O期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 8期 1 原 材料 与试 验方 法 1 1 原材料 水泥为北京某公 司生产的 P 0 4 2 5级普通硅 酸盐水泥 ； 硅灰为挪威埃肯硅灰 ， 灰 白色球状粉末 ， W ( S i O ： ) 9 2 ，平均粒径为 0 2 1 x m，比表面积为 1 8 xl 0 4 mZ k g 。 轻骨料采用北京某公司生产的玻璃微珠 ， 粒度 分别为 0 1 0 3 ra m、 0 2 5 0 5 mm、 0 5 1 0 mm； 粗骨料 由破型后的轻质高强混凝土试块经破碎 、筛分 、 烘 干后制得 。 减 水 剂 为 四川 某 外 加 剂 有 限 公 司 生 产 的 K J J S 5 0聚羧酸型高效减水剂 ， 棕红色液体 ， 固含量为 5 0 ， 减水 率 3 0 。 1 2 试 验方法 以坍落度 、 表观密度和抗压强度为指标对轻质 高强混凝土的工作性能和物理力学性能进行评价 。 坍落度的测定按照 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ( 普通混凝土 拌合物性能试验方法标准 进行 ； 轻集料混凝土表 观密度的测定按照 J G J 5 1 2 0 0 2 轻集料混凝土 技 术规 程 的试 验 方 法进 行 ；试 验采 用 1 0 0 m m 1 0 0 m mx l O O mm的立方体模具成型， 手工振捣 ， 静置 2 4 h后脱模 ，在 ( 2 0 2 ) 的水 中标养 2 8 d ，按 G B 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准 进 行抗 压强 度测试 。 2控制指 标 流动性 ： 要求新拌混凝土的坍落度在 l O O m m以 上 。 匀质性 ： 无明显的集料上浮、 泌水现象发生。 表观密度 ： 控制在 2 0 0 0 k g m 以下。 抗压强度： 要求 2 8 d 抗压强度达 4 5 MP a以上。 混凝土比强度 ： J( 4 5 2 4 0 0 _ V 。 ) ( 4 5 2 4 0 0 ) I， 其 中， 为 3个试样抗压强度 的算术平均值 ， 。 为 3个试样表观密度 的算术平均值。 3试 验结 果与分 析 3 1 确定水灰比及减水剂掺量 玻璃微珠是碱石灰硼硅酸盐玻璃 ， 内部为空心 网状结构 ， 几乎没有强度 ， 在混凝土中可视为缺陷 ， 但其质轻的优势可降低混凝土密度 。由A b r a m s 水 灰 比定则7 1 可知 ， 随着水灰 比的增 大 ， 强度逐渐 降 低。因此 ， 为保证配制的混凝土有较高的强度 ， 水灰 比取 0 2 。 不同粒度的玻璃微珠需水量不同， 为获得较好 的流动性 ， 便于成型 ， 经试验确定使用 0 1 0 3 mm粒 度的玻璃微珠时 ， 减水剂掺量取 1 6 ； 使用其它粒 度的玻璃微珠时 ， 减水剂掺量取 1 2 。 一 R 一 3 2 高强再生轻骨料 高强再生轻骨料取 自破型后的玻璃微珠制备 的高强轻质混凝土试块 ， 将破 型后的混凝土试块破 碎成集料。通过破碎、 筛分获得 5 2 0 mm的粗颗粒 ， 作为高强轻质混凝土的粗骨料 。 再经 2 o 0 烘 1 d ， 可 使颗粒失去 自由水 和结合水 ， 进一步降低集料 的表 观密度。高强再生轻骨料的基本性能见表 1 。G B T 1 7 4 3 1 2 O 1 0 轻集料及其试验方法 中规定 ， 堆积 密度大于 8 0 0 k m 且小于等于 9 0 0 k g m 的人造轻 粗集料 ， 属于 9 0 0级 ， 且 9 0 0级的高强人造轻粗集 料 的筒压强度应不低 于 6 5 MP a ， l h吸水率不大于 1 O 。 由表 1可知 ，高强 再生 轻 骨料 满 足 G B T 1 7 4 3 1 2 0 1 O中对 9 0 0级人造 高强轻粗集料 的要 求 。 表 1 高强再生轻骨料技术指标 3 3 配合 比设计 从宏观上看 ， 混凝土 内部组份 为砂浆 ( 包括气 孔) 和粗骨料 。按轻粗骨料取代总体积或玻璃微珠 的体积进行计算 ， 剩下的体积为砂浆体积 。砂浆 中 的气孑 L 含量按 4 计算 ， 其它组份为水 、 水 泥及玻璃 微 珠 。 由于水 化后 总体积 会 减小 ， 约为 拌 合水 的 1 2 ，故水的体积为拌合水的一半 ，水泥为其真实体 积 ， 玻璃微珠也 为其真实体积 ， 混凝土 内不 引入其 它组份。由此可得出， 水泥浆提供强度， 在符合 目标 密度的前提下应尽可能多， 玻璃微珠起到降低密度 的作用。玻璃微珠 的强度很低 ， 在混凝土 中可视作 缺陷。为避免各粒度的玻璃微珠紧密堆积形成大的 缺陷 ， 玻璃微珠采用单粒级 ， 并加强搅拌使其分散 均 匀 。 试验采用的混凝土配合 比计算方法 如下 ： 欲配 制 目标密度为 P的混凝土 ， 水的密度为 l g c m ， 水泥 的密度为 3 g e m ， 玻璃微珠的堆积密度( 不同粒级 的 密度不同) P渡 ，骨料的密度为 1 5 6 g c m 3 1 L混凝土 中， 骨料掺人量 V L ， 水灰 比取 0 2 ， 硬化水泥浆 中水 质量计算为水泥的 1 0 。设水 泥质量为 X， 玻璃微 珠质量为 Y， 根据体积和质量可分别获得式 ( 1 ) 和式 ( 2 ) 。 X 3 + O 1 X+ y P波 = ( 1 - V) ( 1 - 4 ) ( 1 ) X+ 0 1 + y+ 1 5 6 V= P ( 2 ) 经计算可获得不同密度 的混凝土配合 比，见表 2 。配合 比试验结果见表 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈雪梅 ， 严云， 张旭 ， 等高强再生轻骨料和玻璃微珠配制轻质高强混凝土的研究 编号 配制表观密度 ( k m ) 目标表观密 ( k g m ) 坍 落度 m m 2 8 d抗压强度 MP a 比强度 3 3 1 玻璃微珠对混凝土表观密度和强度的影响 从表 3可以看出，随着玻璃微珠粒度的增加 ， 混凝土表观密度减小 ， 抗压强度降低 ， 坍落度增大 。 特别是0 5 l mm粒度玻璃微珠的使用 ， 会造成混凝 土坍落度显著增加 。对于 A组试验 ， 玻璃微珠粒度 小 ， 成粉末状 ， 需水量大 ， 易与水泥 、 硅灰 、 高强再生 轻骨料形成 紧密堆积 ，拌合物具有较高的粘聚性 ， 故在减水剂掺量为 1 6 时 ， 坍落度值较低。同样 因 为拌合物粘聚性好 ， 颗粒紧密堆积 、 密实程度 高 ， A 组试块的表观密度大 、抗 压强度高 。B、 C组使用 0 2 5 0 5 mm粒度 的玻璃微珠 ， 粒度分布较小 ， 近似 于均匀的圆形颗粒且表面光滑 ， 良好的形貌效应使 混凝土需水量降低 。因此 ， 配合 比设计时， 减水剂掺 量取 1 2 。C组与 B组相 比， 水泥用量减少 5 9 0 ， 玻璃微珠 用量增加 6 6 5 ，混凝 土表观密度 降低 4 5 6 ， 抗压强度降低 3 6 6 ， 比强度增加 1 9 6 。 可 见 ，玻璃微珠 的掺量对混凝土的力学性 能影响很 大 ， 应在体积法的指导下 ， 合理调整玻璃微珠 的掺 量。D组使用 0 5 l m m粒度玻璃微珠 ， 混凝土坍落 度显著增加 ， 但抗压强度也 明显下降 ， 比强度较低 。 由于 0 5 一 i m m粒度玻璃微珠粒径大且分布宽 ， 较大 的颗粒是混凝土的薄弱区， 由此导致混凝土强度下 降。 综上所述 ， 玻璃微珠粒度 的选择 、 掺量 的确定 对混凝土性能影响显著 ， 作为混凝土中最薄弱的环 节 ， 配制轻质高强混凝 土的关键就在于玻璃微珠 的 控制。此外 ， 尽管体积法计算配合比较为粗放 ， 计算 的是各 物料 的绝 对体 积 ， 事 实上 物 料 不可 能 达 到理 想 的紧密堆积 ，故配制密度 与 目标密度有一定偏 差 。在体积法计算配合 比的基础上进行试配 ， 可减 少试验次数 ， 避免物料的浪费。 3 3 2 水泥对混凝土表观密度和强度的影响 水泥作为一种胶凝材料 ， 其胶结能力的强弱直 接影响混凝土的力学性能 。因此 ， 本试验选取 四川 某 水泥公 司生产 的 P 0 5 2 5级水泥 、 P I 4 2 5级 水泥与 P 0 4 2 5级水泥进行对 比， 其 中 3种水泥的 性能 比较见表 4 ， 配合 比为表 3中的 C组 ， 试验结果 见 表 5 。 表 4不 同水泥性能 比较 编号 水泥品种 1 d抗压强度 MP a 2 8 d 抗压 强度 M P a 表观 密度 ( k g m ) 坍落度 m m 比强度 一 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 0期 混 凝土 与水 泥制 品 总第 1 9 8期 从表 5可 以看出，使用 P 0 5 2 5级水泥和 P I 4 2 5级 水 泥 的混凝 土试 块 早 期强 度 发展 较 快 ， 后 期增 长 缓慢 。B 2与 B 3组 的 l d强 度 分别 是 2 8 d强 度的 7 3 和 7 7 ， 与 B 1组相 比， 2 8 d强度分别增长 了9 4 和 6 5 。由表 5可知， P O 5 2 5级水泥 比较 细 ，其标准稠度需水量大于 P O 4 2 5级水泥和 P I 4 2 5级水泥 ， 以至于 B 2组混凝土拌合物很稠 、 很 粘 、 不流动 、 测不出坍落度 ， 成型采用手工夯击的方 式。B 2 组混凝土成型更密实， 表观密度增加。使用 P I 4 2 5级水泥的混凝土拌合物工作性较好 ， 且在 抗压强度测试后发现试块 内部有很多分布均匀 的 微小气孔。由于这些微小气孔的存在 ， B 3组混凝土 的表观密度相对于 B 1降低了。这些微小气孔的产 生可能有两个原因 ： P I 4 2 5级水泥中没有矿物 掺合料 ；P I 4 2 5级水泥与使用的减水剂配合 后 ， 具 有引 气 的效 果 。 3 3 3高强再生轻骨料掺量对混凝土表观密度和 强度 的影 响 采用表 3中 C组 的基本配比， 轻粗骨料掺量分 别取 0 、 1 0 、 2 5 、 4 0 ， 胶凝材料使用 P I 4 2 5级 水泥 ， 试验 结果如 图 1 。 2 0 0 1 5 0 l O 0 宝 5 0 0 1 5 9 0 1 58 0 5 7 0 5 6 0誊 5 5 0 5 4 0 鎏 5 3 0 1 5 2 0 1 5 l 0 0 1 0 2 O 3 0 4 0 骨料掺量， 图 l 轻粗骨料掺量对混凝土性能 的影响 6 0 5 8 5 6 善 5 4 瓤 5 2墨 _ 口 5 0篙 4 8 由图 1可知 ，随着再生轻骨料掺量的增加 ， 混 凝土的坍落度逐渐减小 ，工作性变差 ； 昆凝土 2 8 d 抗 压 强 度 和 表 观 密 度 均 在再 生骨 料 掺 量 为 1 0 处 出现峰值 。混凝土的工作性逐渐变差是因为再生轻 骨料经过烘干处理 ， 其吸水性较强 ， 随着骨料掺量 增加 ， 浆体 中的水分损失增加 ， 从而导致工作性变 差 。当再生轻骨料掺量大于 1 0 时 ， 混凝土的表观 密度随再生轻骨料掺量增加而增加 ， 2 8 d抗压强度 随再生轻骨料掺量增加而降低。这是 因为高强再生 轻骨料 的亲水性强 ， 能很快被润湿 ， 集料表面很多 一 l O一 裂缝会 吸入 新的水泥颗粒 ，使混凝 土结构更加密 实。同时 ， 高强再生轻骨料在破碎 、 高温烘干过程 中 会产生一定 的缺陷 ， 随着 集料掺量 的增加 ， 混凝 土 缺陷增多 ， 因此 ， 混凝土强度显著降低 。在试验过程 中也发现 ， 混凝土受压沿高强再生轻骨料破裂 。水 泥凝 结 硬化 是一 个 逐 步发 展 的过 程 ， 随着 龄 期 的增 长 ，再生轻骨料 中未完全硬化的水泥继续 凝结 硬 化 ， 发挥其活性作用 ， 在一定程度上可促进混凝土 强度增长。因此 ， 掺入 1 0 再生轻骨料的混凝土 比 没掺时的 昆 凝土强度高。由于再生轻骨料的表观密 度小于细骨料混凝土 ， 故掺人 1 0 再生轻骨料 的混 凝土表观密度下降。 4结论 ( 1 ) 采用高强再生轻骨料和玻璃微珠 ， 利用体 积法配制 出了性能满足预定控制要求 的轻质高强 混凝土 ， 所配制的轻质高强 昆 凝土 ， 2 8 d抗压强度达 到 5 8 9 MP a ， 表观密度为 1 5 2 0 k g m 。 。 ( 2 ) 调节玻璃微珠的粒度可有效控制混凝土的 表观密度 ， 高强再生轻骨料的使用可进一步提高轻 质混凝土的强度。因此 ， 合理的调控玻璃微珠和高 强再生轻骨料 的掺量能够获得性能优 异的轻质高 强混 凝土 。 参 考 文 献 ： 【 1 】 王剑 轻质高强混凝 土的发展及影响 J 福建建材， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 1 - 1 3 2 Z h a n g ，M Ha n d G j o r y ，O E M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f H i 出 一 S t r e n g t h L i g h t w e i g h t c o n c r e t e A C I M a t e r i a l s J o u r a l ， Vo l ， 8 8 ， No 3 ， 1 9 91 ： 2 4 0 - 2 4 7 3 B e t a ， Ma n d F e r r a r a ， G N o r m a l w e i g h t a n d T o t a l l i g h t w e i g h t Hi g h S t r e n g t h c o n c r e t e A c o mp a r a t i v e E x p e fi m e n t a l s t u d y J A C I S P ， 1 9 9 0 ( 1 2 1 - 3 4 ) ： 7 0 1 - 7 3 3 【 4 】M o r , A S t e e l c o n c r e t e B o n d i n Hi g h - S t r e n gth L i g h t w e i g h t c o n c r e t e J A C I M a t e r i a l s J o u rna l ， V o l ， 8 9 ， 1 9 9 2 ： 7 6 8 2 5 】 张华英 陶粒轻质高强混凝土 的实验研究 J 】 佛 山科学技 术学院学报， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 4 3 - 4 6 6 黄昱霖 低成本大 流动度轻质 高强页 岩陶粒混凝 土研究 【 J 1 新型建筑材料， 2 0 1 1 ： 1 9 2 1 7 库马 梅塔 混凝土 M】 北京： 中国电力出版社， 2 0 0 8 学 院 收 稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 8 2 8 作者简介 ： 陈雪梅 ( 1 9 8 7 一 ) ， 女 ， 硕 士研究生 。 通讯地址 ： 四J I I 省绵 阳市西南科 技大学材料科学与工程 联 系 电话 ： 1 5 3 9 0 4 8 0 4 1 0 E- ma i l ： 7 6 4 7 3 8 3 41 q q t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m