火山渣混凝土力學(xué)性能優(yōu)化試驗(yàn)研究

肖力光，張金宏，劉燕峰

1吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118

2吉林省保障性住房建設(shè)投資有限公司，長(zhǎng)春 130012

0 引言

混凝土是我國(guó)建筑行業(yè)中使用最廣泛的建筑材料之一,輕質(zhì)高強(qiáng)綠色環(huán)保是混凝土的發(fā)展方向,火山渣是火山爆發(fā)的產(chǎn)物,是一種天然輕骨料,世界各國(guó)研究人員對(duì)火山渣混凝土在建筑上的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究.Aho等[1]人研究發(fā)現(xiàn),火山渣可作為粗骨料用于生產(chǎn)輕骨料混凝土,該混凝土具有足夠的強(qiáng)度,有利于降低建筑結(jié)構(gòu)中的恒荷載;李晟[2]利用火山渣為骨料制備出具有良好透水性能的透水混凝土用于道路市政路面；在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)混凝土的生產(chǎn)過(guò)程中,利用火山渣和硅灰、粉煤灰礦物摻合料配制的的火山渣輕骨料混凝土,其在比強(qiáng)度方面表現(xiàn)出色[3].蹇守衛(wèi)等[4]人利用水稻秸稈對(duì)水泥基材料進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),水泥基材料的韌性得到明顯增強(qiáng);Xijun Zhang等[5]人利用聚合物制備出的水泥砂漿能夠更好的解決傳統(tǒng)砂漿耐久性和韌性較差的缺點(diǎn).

但由于火山渣質(zhì)量較輕,在制備火山渣輕骨料混凝土過(guò)程中容易出現(xiàn)分層離析強(qiáng)度低,嚴(yán)重影響了火山渣輕骨料混凝土的工程應(yīng)用,本試驗(yàn)研究的意義在于,通過(guò)對(duì)火山渣混凝土中摻加適量泡沫劑、聚合物和秸稈纖維提高其和易性改善火山渣混凝土的力學(xué)性能.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥: 長(zhǎng)春亞泰水泥廠生產(chǎn)的P.042.5普通硅酸鹽水泥,28 d抗壓強(qiáng)度為45.5 MPa.

火山渣: 來(lái)自于吉林省輝南縣,粒徑為0.15 mm～4.75 mm細(xì)骨料,5 mm～12 mm為粗骨料,火山渣主要化學(xué)成分、物理力學(xué)性能見(jiàn)表1，表2.

表1 火山渣主要化學(xué)成分

表2 火山渣物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of scoria slag

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究秸稈纖維、聚合物和泡沫劑對(duì)火山渣混凝土力學(xué)性能的影響,參照J(rèn)GJ55《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[6]在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上按照聚合物(A1-1 %，A2-2 %，A3-4 %，A4-8 %，A5-16 %);泡沫劑(B1-0.01 %，B2-0.05 %，B3-0.1 %，B4-0.2 %，B5-0.3 %);秸稈纖維(C1-1 %，C2-2 %，C3-3 %，C4-4 %，C5-5 %),分別制備出單摻聚合物、泡沫劑、秸稈纖維的火山渣混凝土試塊.

依據(jù)單摻試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,制備聚合物、泡沫劑和秸稈纖維復(fù)摻的火山渣混凝土試塊,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的水膠比保持0.60不變,利用正交試驗(yàn)對(duì)配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)見(jiàn)表3.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d按照GB/T 50081《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土試塊進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試.

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 3 Orthogonal design

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 聚合物對(duì)火山渣混凝土力學(xué)性能的影響

加入聚合物的目的是改善火山渣混凝土和易性,有效解決火山渣混凝土的分層問(wèn)題,聚合物能夠穩(wěn)定附著在水泥顆粒表面上,對(duì)保水性起著重要作用.

從圖1中可以看出,隨著聚合物摻量的增加,火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度先增加后降低,并在摻量為2 %時(shí),混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值36.8 MPa.根據(jù)與未摻聚合物時(shí)相比抗壓強(qiáng)度提高了20.7 %,聚合物最佳摻量為2 %.

圖1 聚合物對(duì)火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Compressive strength of single doped polymer

2.2 泡沫劑對(duì)火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2看出,B1組(泡沫劑摻量0.01 %)火山渣混凝土28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到32 MPa,較未摻泡沫劑時(shí)抗壓強(qiáng)度相比提高了4.9 %,隨著泡沫劑摻量的增加發(fā)現(xiàn)火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度呈一種不規(guī)則的變化下降.少量泡沫劑的摻入使火山渣混凝土中的輕骨料分散均勻和易性提高,抗壓強(qiáng)度略有提高且使得火山渣混凝土封閉孔增加,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)火山渣混凝土抗凍性同時(shí)得到提高,泡沫劑最佳摻量為0.01 %.

圖2 泡沫劑對(duì)火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Compressive strength of single foam additive

2.3 秸稈纖維對(duì)火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可以看出,在秸稈纖維摻量為1 %和2 %

圖3 秸稈纖維對(duì)火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Compressive strength of single straw doped fiber

時(shí),火山渣混凝土7 d抗壓強(qiáng)度基本一致,但隨著摻量的增加混凝土抗壓強(qiáng)度急劇降低;在28 d時(shí)發(fā)現(xiàn)摻量為1 %時(shí)明顯高于2 %的抗壓強(qiáng)度,且隨著摻量的增加混凝土抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì).

另外，在對(duì)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn),摻入秸稈纖維后的火山渣混凝土試塊的破壞形式不是原來(lái)的脆性破壞,而是塑性破壞,證明摻入秸稈纖維后火山渣混凝土的脆性減低塑性提高,可以大大提高建筑物的抗地震性能.秸稈纖維最佳摻量為1 %.

2.4 聚合物、泡沫劑、秸稈纖維復(fù)摻對(duì)火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)聚合物、泡沫劑、秸稈纖維同時(shí)摻入混凝土中時(shí),泡沫劑產(chǎn)生的氣泡和聚合物的凝膠顆粒起到“滾珠”作用,使得秸稈纖維以及火山渣混凝土的孔隙率降低,大大的改善了混凝土內(nèi)部的流動(dòng)性,通過(guò)抗壓試驗(yàn)看到試塊破壞時(shí)呈“漏斗”狀開(kāi)裂且開(kāi)裂時(shí)并沒(méi)有全部“炸開(kāi)”,由此可以看出混凝土為脆性破壞,且混凝土抗震性能增強(qiáng).

由表4可以看出,測(cè)試結(jié)果分為三組:第一組D1-D3;第二組D4-D6;第三組D7-D9,在每一組測(cè)試結(jié)果中7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì),且在D4時(shí)抗壓強(qiáng)度7 d和28 d分別達(dá)到最大值,再對(duì)其進(jìn)行50次凍融循環(huán)測(cè)試發(fā)現(xiàn)該組抗凍性能標(biāo)準(zhǔn)最佳.

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,當(dāng)聚合物摻量為2 %、泡沫劑摻量為0.01 %、秸稈摻量為2 %時(shí),火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度、抗凍性能達(dá)到最佳.

3 結(jié)論

(1) 聚合物的摻入使得混凝土內(nèi)部出現(xiàn)凝膠顆粒，在混凝土內(nèi)部中凝膠顆粒使得各成分之間的黏結(jié)性增強(qiáng),從而使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,當(dāng)聚合物摻量為2 %時(shí),火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度得到極大地提高.

(2) 泡沫劑的摻入使得火山渣內(nèi)部的孔隙得到有效地填充,當(dāng)泡沫劑摻量為0.01 %時(shí),火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度有小幅度提高,密閉孔的加入使得混凝土抗凍性能得到改善.

(3) 秸稈纖維通過(guò)堿處理后,由于表面糖分的缺失使得秸稈表面粗糙,摻入混凝土中使得各成份間的摩擦力增大能夠很好抑制混凝土內(nèi)部的流動(dòng)性,當(dāng)秸稈纖維摻量為1 %時(shí),混凝土28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值.

(4) 將泡沫劑、聚合物和秸稈纖維復(fù)摻于火山渣混凝土中,會(huì)使火山渣混凝土性能得到明顯改善,火山渣混凝土抗壓強(qiáng)度得到明顯提高,優(yōu)于各組分單摻,能夠有效地解決火山渣混凝土中由于骨料輕產(chǎn)生的分層離析問(wèn)題.