高性能轻集料混凝土的研究

第17卷 第1期2002年3月西 南 工 学 院 学 报JOURNAL OF SOUTH WEST INST IT UTE OF T ECH NOLOGY Vol.17No.1 Mar.2002 收稿日期:2001-09-03

文章编号:1007-8916(2002)04-0067-03

高性能轻集料混凝土的研究

蒋 明 谭克锋 范付忠

(西南科技大学材料科学与工程学院 四川 绵阳 621002)

摘要:本文结合了国内外的研究成果,研究了集料形状、孔结构、吸水率、筒压强度以及混凝土的性能,在实验的基础上总结了高强轻混凝土的基本理论。

关键词:高强陶粒;吸水率;高性能轻集料混凝土

中图分类号:Tu528.041 文献标识码:A

通常高性能轻集料混凝土是指密度等级为1600~1950kg/m 3

、强度等级为CL30以上、具有好的耐久性和工作性的轻集料混凝土。由于其轻质、高强的特点,已广泛应用于高层建筑、桥梁、水下建筑等。在国外自从本世纪初已开始使用结构用轻集料混凝土,而我国起步较晚50年代才开始生产陶粒。近年来得到了较大发展,但是对CL50以上的高性能轻集料混凝土研究还很少,远不能满足需要。1 轻集料的性能

与普通混凝土不同,影响高性能轻集料混凝土强度最主要的因素是集料,通过实验发现:无论7天还是28天强度实验后的轻集料混凝土裂缝都是穿过了集料,而普通混凝土则是绕过集料而断裂。说明集料的强度对其混凝土强度至关重要。国外的一些资料表明:只有粘土、页岩、板岩、矿渣、烧结粉煤灰适合配制高强轻集料混凝土。

1.1 颗粒的外形

由于生产工艺的不同,颗粒的外形有煤渣状的、圆球形的、多棱角的、层状4种,它影响混凝土的和易性。

1.2 颗粒的表面状态

在破碎中,材料的蜂窝状结构被破坏,有气孔的地方断裂,外表面状态极不规则,为了把骨料周围的蜂窝、孔洞填满,水泥砂浆的耗用要比光滑表面的多得多。而且这种骨料制成的混凝土很 粗糙 ,和易性不好。

1.3 颗粒材料的结构

由于在高温促成了一系列化学变化,有机物的燃烧,产生的气泡使材料膨胀而成蜂窝状,尽管人造轻集料内部的疏松多孔,但是通过半颗粒的微观观察,都有一层致密的外壳层,使许多内部孔封闭使骨料短时间内吸水减少。

由于颗粒的外形、表面状态和结构对混凝土最终质量起了很重要的作用,人们往往采用颗粒坚固(筒压高)表面规则的圆形颗粒来配置高强轻集料混凝土。这对混凝土的和易性、水泥用量及混凝土的最终强度影响很大。

1.4 容重

颗粒的松散容重是由颗粒的孔结构决定的,当然也和颗粒的大小有关,但一般说来,精细的集料容重大,粗糙的集料容重低,所以它可以粗略知道集料的力学性能,容重大的一般强度较高。

1.5 吸水率

与一般集料相比,轻集料由于多孔的本质,会吸收大量的水,这种吸水很快,但随时间很快会降低。吸水率和总的吸水量主要依赖于孔的结构和表面状态。有密实外壳的通常比没有的要吸水少。在实验的4种集料中发现:表面光滑的全颗粒吸水较少,但剖成两半后,吸水率增加了将近40%,而全颗粒吸水较大的粉煤灰陶粒变化不大,约10%。与在纯水中相比,在新制水泥浆体混凝土混合物中,它们的粘度和容重会影响吸

水。实验表明:水灰比大于0.6的水泥浆体在最初30分钟内,集料吸水几乎与在纯水中相同。

[1]1.6 强度特征

轻集料的强度与来源和种类有关,通常孔隙率越高,容重越低,强度也越低。大的、不规则形状的孔隙可能使集料不牢固,降低集料强度。这样的集料不适合配制高强轻混凝土。一些轻集料象膨胀粘土、页岩有一个密实的外壳,会使集料强度提高大约10%。[2]

当然,在集料容重和集料强度之间、以及在集料强度和混凝土强度并没有一个确切的关系。

2 轻集料混凝土的微观结构

我们可以将混凝土认为是粗、细集料包埋在水泥浆中的两相混合物。而我们知道复合材料的性能由组成材料的性能和它们间的相互作用。轻混凝土与普通混凝土的差别在于组成的集料和集料与水泥浆之间的界面区不同。由于集料的性能由生产厂家确定了,目前大多通过改变砂浆强度和它们界面区的性能来提高混凝土的性能。国外资料报道:轻集料混凝土在恶劣的水下环境也可以使用7年而仍可很好使用,具有良好的耐久性。原因之一在于轻集料和水泥浆之间有很强的结合力。

在其扫描电镜微观图中已不能分辨集料和砂浆间的界面区。据俄国学者报道:他们观察到了轻集料和水泥石间新的化学结构。通过微硬测试表明:界面区的强度比界面区外层的水泥石强度要高。

Fagerlund 运用电子显微镜分析了轻集料和水泥石间的界面区。他认为:可能是由于过滤效应,这种效应使集料吸水,集料周围产生一个相对而言不可渗透的壳,这个壳会减少水的进一步浸入,在界面产生一种

增强效应。

[3]下列的因素有利于改善界面区的性能

(1)集料的多孔,它为集料和水泥浆之间在没有游离水在集料表面的情况下达到湿度平衡和水泥浆渗进集料表面的开孔提供了机会。[4]

这些都有利于集料和水泥浆间形成较强的化学键。(2)集料吸水,它使水泥浆的内部固化时间延长。(3)轻集料和水泥浆间的火山灰反应。

近来有学者用扫描电子显微镜研究了几种高强轻骨料和水泥浆体之间的界面区的微结构。结果表明:对有一密实外壳层的高强轻集料混凝土来说,集料和水泥浆体间的界面区的本质与普通混凝土相同,在这个区域,有一多孔的自然形成的Ca(OH )2层的界面区。外壳层多孔、不牢固的轻集料比没有密实外壳层的轻集料界面区更加均质化。还有,在这种情况下,由于集料和水泥石间的相互机械相互作用,使键变得更强。对有密实外壳层的集料而言,加入硅灰降低了孔隙和界面区的厚度,但在一些区域,集料颗粒附近的Ca (OH)2的富集仍然可见当然通过降低水灰比来增强轻集料和水泥石间的界面区强度也是明显的。据资料:集料的表面湿度是控制界面区微观结构的最重要的因素,它比集料总含湿量更重要。通过实验发现:没掺硅灰时,集料和水泥石间的薄界面区与其测得的力学强度是一致的;参硅灰时,28天强时,混凝土的裂缝明显的穿过集料颗粒。而未掺硅灰的混凝土,裂缝只部分穿过集料,而部分出现在集料周围。

也有研究人员用测定水泥石和磨碎集料混凝土里的Ca(OH)2的含量来研究火山灰反应[5],观察到了火山灰的反应程度,但不显著。一些理论认为:这种不明显的火山灰反应可能是由于在生产中矿物的再结晶的影响造成的。

也有人用扫描电镜研究了在载荷下轻集料混凝土的裂纹发展。[6]他们发现:破裂首先出现在硬的易碎的水泥石中,然后在集料中传播开来。在低载荷下,一些裂缝到达集料时发生了偏转,然后停在那里。68 西 南 工 学 院 学 报 2002年