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3 混凝土的特性3.1 容重用于结构的轻集料混凝土最重要的参数之一就是它的容重。
这类轻集料混凝土的容重比普通混凝土低(20~40)%,轻集料混凝土的容重有3种:新制混凝土容重、气干表观密度和干表观度。
前两种是变数,不能确切表示其密度,而且干表观密度还被用作与强度和弹性模量等与混凝土其它相关的量的估计,国内多采用这种密度(如无说明,以后均指这种密度)。
而国外越来越多采用新制混凝土密度。
超过50M pa 的高强轻集料混凝土的容重通常在(1600~1950)kg/m 3之间,象普通轻集料混凝土一样,高强轻混凝土的容重主要由集料颗粒容重控制。
当我们选用容重低、球形的、表面孔隙少、空隙率低的轻粗集料,尽量少用或不用普通砂而选用轻砂采用引气剂,选用较大粒径的轻粗集料(最大粒径不大于40mm)时,可以降低密度。
对于给定的集料,提高水泥含量和加入辅助材料如像粉煤灰或硅灰,对混凝土的强度影响不大。
试验和实践表明:1m 3轻集料混凝土的水泥用量每增加50kg,而其表观密度大约增加30kg/m 3。
3.2 抗压强度与普通混凝土不同,在给定坍落度时,高强轻集料混凝土的抗压强度通常受水泥含量的影响比水灰比要大,但当增大到一定程度时,影响会减小,而且增加水泥含量对高强轻混凝土的影响不如对普通混凝土影响明显。
对高性能轻混凝土来说:为了得到高强度,减水剂和硅灰是必要的成分。
在早期,高强轻混凝土展示了一个比低中强度混凝土更高的强度增长率,但后期就变得不明显了。
对普通混凝土来说,强度发展与砂浆强度发展成比例,而轻集料混凝土的早期强度和28天强度都很难估计,甚至同种集料的也很难估计。
通常认为:轻集料混凝土由两相组成,水泥砂浆及包在其中的粗集料。
强度和变形主要由集料、砂浆和它们间的界面区确定。
对高强轻混凝土来说,集料强度通常比砂浆的强度要低,在这样的情况下粗集料显得尤为重要。
然而,通过使用高强砂浆比只通过考虑集料强度得到高强轻混凝土更可能。
给定集料的轻集料混凝土的极限强度字一定程度上也依赖于砂浆的强度,因为对轻混凝土来说,集料的弹性强度和弹性模量低于砂浆的强度和弹性模量,当混凝土受到一个非轴向的压力时,集料受到一个周围砂浆的面的限制,在这种多轴向压力下,轻集料的强度可能会高于单轴向的。
对大多数轻混凝土来说,集料典型的穿过集料而不是围绕着集料是一个很常见的特征。
然而,近来的研究表明:对有密实外壳的高强轻集料混凝土来说,裂缝也可能围绕集料颗粒。
在实验中发现:从高强轻集料混凝土得到的强度数据与普通混凝土相比更分散。
这可能是由于轻集料的更大活性、湿度条件的变化以及集料的上浮引起的。
3.3 抗冻性对普通混凝土和轻集料混凝土来说,为了得到足够的抗冻性,满足空气含量是一个具有争议的课题。
一些研究人员认为一定的空气含量是必需的[7],而另一些则报道了不含空气的具有优良抗冻性的高强轻混凝土。
多孔的轻集料是引起轻混凝土和普通混凝土的主要原因。
集料的颗粒大小和孔结构等物理特性对抗冻性是致关重要的集料的多孔的本质并不意味着轻集料容易被冷冻和解冻毁坏。
这是由于轻集料的孔只部分被水填充。
因此,孔剩余的体积为水压和水的形成物提供了补偿空间,还有:在轻集料混凝土中轻集料和砂浆中的水的饱和度可能相互影响,多孔的轻集料可能充当砂浆中冷冻水的扩张空间。
而且实验表明:可以通过使用轻砂来得到良好的抗冻性。
这是由于小颗粒的多孔轻砂使混凝土充满空气的缘故。
抗渗低水灰比、密实和掺硅灰被认为是得到好的抗渗能力的轻混凝土的有效方法。
与普通混凝土相比,尽管轻集料有一个高的孔隙率,但研究表明:轻混凝土有一个相等或更低的渗水率。
可能是由于改进的(下转第74页)69第1期 蒋 明等:高性能轻集料混凝土的研究3126 A.Eden,C.Foias,B.Nicolaenko,R.Teman,Exponential attractor for dissipative evolution equations,M asso Paris and J.w ily collection recherch -esen,M athmatiques Appligues,1994EXPONENTIAL ATTRACTOR OF NONLINEAR STRAIN WAVESIN ELASTIC WAVEGUIDESChen Ling,Du Xianyun(Mianyang Nor mal College)Abstract:Based on the paper 1,we obtain the ex ponential attractors for the generalized nonlinear Strain waves e -quation in one dimension.Key words:Nonlinear Strain Wave equation;The Squeezing Property;Exponential Attractors(上接第69页)界面区和更一致的结构所致。