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陶粒在混凝土中的应用技术发展现状

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/1/8     浏览次数:    

陶粒在混凝土中的应用技术发展现状


陶粒在混凝土中的应用技术发展现状

陶粒是一种多孔隙的固体,表面粗糙,质量较轻,通常以球状较多,陶粒堆积密度一般为300~ 900 kg /m3,在陶粒制备的过程中,原材料之间发生反应产生气体,充满陶粒内部,陶粒体积膨胀,气体排出后,陶粒表面布满排气细孔,使陶粒具有轻质多孔的特点。孔丽娟通过对陶粒进行微观结构观察,发现陶粒结构分为外壳和内核两个部分,陶粒外壳粗糙坚硬、有光泽、强度较高,而陶粒内核多孔隙,孔隙封闭不相互连通,呈现细密蜂窝状。陶粒这种特殊的结构特性,在园艺、化工、石油以及建筑材料等各方面发挥重要作用。

1 陶粒的性能及分类

1.1 按原料分类

陶粒制备所用原材料不同,来源不同,制成陶粒的外观、工作性能以及应用场景有所不同。

1) 黏土陶粒。黏土陶粒是一种以黏土、亚黏土为原材料,加入适量的胶凝材料以及外加剂烧制而成的陶粒,图1为黏土陶粒,黏土陶粒的粒径一般在5 mm 以上,具有质量轻、高度强以及保温隔热的特点,大量应用于高层建筑结构混凝土的制备、隔热保温工程、园林绿化、饮水净化等领域。李文斌以两种不同类型黏土陶粒为骨料,制备出黏土陶粒轻骨料混凝土,实验测量发现陶粒混凝土的密度较轻,一般小于1 900 kg /m3。在对陶粒混凝土进行力学抗压测试时,能满足实验目标力学性能。进行热工测试,黏土陶粒轻骨料混凝土密度较低,相应其导热系数较普通混凝土低。



图1 黏土陶粒




2) 页岩陶粒。页岩陶粒的原材料多为页岩、板岩等。由于制备工艺不同,大致分为普通型页岩陶粒,圆球形页岩陶粒。两者区别在于,圆球型页岩陶粒较普通型陶粒多了“成球”的制作步骤。李国昌等研究不同制备方法对页岩陶粒的影响,发现破碎法的孔隙率还是孔径等都和成球法没有差别,用这两种烧结办法都能制作出高性能的页岩陶粒。

3) 粉煤灰陶粒。粉煤灰陶粒主要原材料是发电厂废料———粉煤灰,粉煤灰陶粒废物利用更加环保。粉煤灰陶粒加入粉煤灰、胶凝材料、水,成球烧结而成。粉煤灰陶粒内部的孔隙较多,强度相对较低,较少用于配制高强度混凝土,但其保温隔热的性能较好,所以粉煤灰陶粒普遍应用于隔音隔热材料中。由于粉煤灰陶粒烧结工艺复杂、投入较大等缺点,其发展应用较为困难,降低生产耗能成为现在粉煤灰陶粒研究的重点。

1.2 按生产工艺分类

1) 烧结型。烧结法是比较常用的制备陶粒的工艺,在烧结时,通过氧化钠、氧化钾、氧化镁以及氧化铁等氧化物的氧化作用下,使原材料的氧化硅、氧化铁、氧化铝等物质生产硅酸盐化合物,并在该化学反应过程中生产大量气体,使陶粒体积得到膨胀,并在内部形成多气孔,待陶粒冷却,内部呈现多孔隙,而陶粒的表面则发生还原反应,生成坚硬的釉质外壳。

2) 免烧型。免烧型陶粒不需要高温烧结,在制备陶粒时,加入水泥作为激发剂,水泥在陶粒的制作过程中提供碱性环境,使原材料可以相互反应。陶粒原材料具有火山灰活性,通过原材料之间发生化学反应,生成具有胶凝性能的物质,固结原材料中有害的重金属物质。温久然利用粉煤灰和水泥为原材料,加入轻质填充材料,经过免烧法制备出了粉煤灰陶粒。该陶粒具有堆积密度低、性能优良的特点。

2 陶粒对混凝土的影响

2.1 陶粒用量对混凝土的影响

1) 力学性能。轻骨料经过高温的煅烧,表面活性较强,在与水泥接触时,发生化学反应,加固接触面,同时陶粒表面粗糙多孔,与水泥石的接触面积较大,彼此之间的咬合力也更能提高界面的粘结力。

混合骨料混凝土是在原有混凝土基础上进行改良,用一部分轻骨料代替原有旧骨料。Bing Han 等研究混合骨料混凝土轴心受压应力-应变时发现,当陶粒体积分数占总骨料的20%时,混凝土的抗压强度是最低,当陶粒体积分数占总骨料60%时,混凝土的抗压强强度达到最大,从以上实验数据可以知道,普通骨料和轻骨料之间存在合理的容积率大致在50%~ 60%,其工作性能和力学性能可以达到最佳。随着陶粒用量在一定范围内的提升,陶粒混凝土密度下降,保温隔热性能得到提升,但超出一定范围,其力学性能下降较快,并且出现骨料上浮的现象,影响混凝土的运输和泵送。

在进一步研究混合骨料混凝土力学性能影响时,图2 是陶粒不同取代率的混凝土抗压强度,由图2 可知,抗压、抗折强度在陶粒用量小于50%时,次轻混凝土的抗压强度变化基本平稳; 当陶粒用量大于50%后,次轻混凝土的强度随着陶粒用量的增加而不断减少,在40% ~ 50%处混凝土抗压强度下降幅度较大。由此可见,陶粒用量在40%时,混合骨料混凝土在保持较低密度的同时,力学性能最佳,陶粒是一种圆形或椭圆形的球体,该形态使水泥砂浆能够均匀包覆在陶粒表面,在承受外部荷载的时候,陶粒受力较为均匀,较少出现应力集中的现象,提高了混凝土的力学性能,并且在振动成型的时,颗粒之间的摩擦较小,紧密排列,形成较为紧密的均质结构。



图2 陶粒不同取代率的强度等级混凝土抗压强度



2) 工作性能。吴勇在研究混合骨料混凝土工作性能影响因素时,以普通混凝土配合比为基准,改变陶粒在粗骨料中的体积取代率,在取得轻质同时获得更高的强度。实验结果表明: 陶粒体积分数占总骨料50%的时候,工作性能较好,混合骨料混凝土扩展度最大,同时离析率最小。这是因为在混合骨料混凝土中,粗骨料由陶粒和石子组成,在粗骨料与胶凝材料拌和时,陶粒和石子两种不同颗粒在浆体中互相干扰,形成互相阻碍的局面,影响混合骨料混凝土的工作性能。当陶粒取代率为50%时,陶粒和石子的数量大致相同,工作性能取决于陶粒和碎石的相互影响,上层的陶粒和底部的碎石之间的相互影响可以达到最小,浆体移动速度可达到最快,此时的工作性能表现优异。

2.2 陶粒预湿对混凝土的影响

目前研究较多的高性能混凝土,由于水胶比较低,在水泥水化过程中,常会出现严重的自收缩现象,以往在混凝土加入膨胀剂解决混凝土收缩的问题,但随着混凝土朝着高强、高性能方向发展,混凝土的水灰比不断减少,出现膨胀剂争夺水泥水化有限水分,造成混凝土的水泥颗粒不能完全水化现象。由杨全兵通过研究发现混凝土在水中养护虽会在一定程度缓解自收缩现象,但是混凝土内部收缩仍在继续。最佳解决混凝土自收缩的办法是寻找特定材料,以取代混凝土中组成部分。陶粒内部存在大量相互连通的孔隙,这些孔隙使陶粒具有吸水的能力,在混凝土养护过程中,随着水泥的硬化,陶粒内部水分“反哺”给水泥,使水泥进一步充分水化。陶粒的“微泵”作用降低了集料与水泥接触面的水灰比,硬化过程中,提高了水泥石的致密度,同时减少了集料表面分层现象的出现,陶粒与水泥石界面结合更加紧密,大为改善陶粒混凝土的性能。

预湿陶粒会为水泥水化补充水分,使水泥浆水化更加彻底,自收缩减少。如陶粒没有预湿,制备出的轻骨料混凝土出现明显自收缩,导致混凝土的早期开裂。Cusson使用预湿和未预湿两种陶砂,试验中预湿后的轻骨料混凝土自收缩程度减少,而未预湿的陶粒混凝土的收缩程度较高,由试验可以总结,轻骨料的预湿有利于减少轻骨料混凝土自收缩现象。


陶粒预湿时长对混凝土的工作性能有影响,高英力等研究不同预湿程度对经时坍落度损失的影响,他们分别选用未润湿、润湿1、12、24、72 h 的陶粒制备成混凝土,并分析混凝土坍落度经时损失的差异。图3 为预湿时间不同,轻骨料混凝土坍落度经时损失有差异,由图3 可知,未预湿的陶粒混凝土的坍落度损失在5 组中为最大,陶粒预湿时间越长,混凝土的坍落度经时损失越少,而预湿时间超过24 h的混凝土,其坍落度损失明显得到抑制,基本达到了饱和吸水的状态,此时混凝土坍落度经时损失较小并且坍落度较大。




图3 不同预湿时间下轻骨料混凝土坍落度经时损失



2.3 陶粒吸水率对混凝土的影响

陶粒吸水率对混凝土性能影响较大,陈上伟等将陶粒置于不同温度下,测量其吸水率,实验表明: 随着温度的升高,陶粒中空气体积变大,水的表面张力下降,陶粒的吸水率也下降,“微泵”作用减弱。可以得出结论: 不同温度下,陶粒吸水率会改变,同时陶粒的“微泵”作用也会有差异。

陈建武等研究陶粒吸水率对研究陶粒-水泥石界面影响,选用三种不同吸水率的陶粒,分别为低吸水率、中吸水率以及高吸水率的陶粒。将三种不同吸水率的陶粒分别和W/C= 0.30 的水泥浆进行拌和制备成轻骨料混凝土,测定陶粒-水泥石界面( 陶粒表面附近1 mm 内) 的水化程度。

图4 是吸水率不同的陶粒制备的轻骨料混凝土,由图4可知,随着陶粒吸水率的增大,陶粒与混凝土石边界的水化反应也愈加明显,“自养护”效果显著。在90d 的时候,水泥内含水量仍在不断增加,水泥仍在继续水化,“自养护”仍在继续。

郑秀华等探讨了不同吸水率陶粒对轻骨料混凝土力学性能的影响。在研究力学性能时,分别使用4 种不同吸水率陶粒,吸水率分别为0、2.4%、7.1%以及14.1%。







图4 不同吸水率陶粒的轻骨料混凝土吸水率


图5 是不同吸水率陶粒制成的轻骨料混凝土抗压强度随时间变化,如图5 所示,通过对比吸水率不同的陶粒配制混凝土的强度,随着陶粒吸水率的增加,配制成的混凝土的强度也在不断变强,尤其是在混凝土养护后期,这种增长尤其明显,这是因为高吸水率的陶粒在水泥石水化后期,仍能提供充足的水化用水,使混凝土的强度一直在增加。




图5 不同吸水率陶粒的轻骨料混凝土抗压强度


总结陶粒不同吸水率对混凝土耐久性影响,陶粒吸水率与轻骨料混凝土冻融情况有关,实验显示,吸水率大的陶粒抗冻能力大于吸水率小的陶粒制备的混凝土,当陶粒吸水率越高时,对混凝土养护越彻底,水泥石在吸水率高的陶粒养护下,变得致密,图6 是冻融次数不同时轻骨料混凝土相对弹性模量,由图6 可知,当吸水率在7%左右时,达到了最佳状态。





图6 冻融次数不同时轻骨料混凝土相对弹性模量



郑秀华等在探讨了陶粒不同吸水率下的混凝土抗渗性能时,陶粒吸水率与混凝土抗渗性也有一定的关系。实验研究证明,越小的陶粒,自养护的性能也就越差,其抗渗性能表现也较差,高吸水率陶粒配制的混凝土尤其在后期,其抗渗性能提高越多。

3 陶粒混凝土存在的问题

目前陶粒混凝土广泛应用于桥梁、高层、大跨度结构以及旧的桥梁加固维修中。但在使用过程中,陶粒混凝土仍存在很多问题,如陶粒自身质量较轻,振捣时会造成混凝土轻骨料的上浮,从而混凝土力学性能下降。在陶粒混凝土成型时,还易出现收缩干裂的现象,影响结构的性能等大量问题仍需攻克。

3.1 离析泌水问题

在混凝土振捣过程中,骨料和胶凝材料之间的密度差和骨料的移动速度呈正比关系,图7 是轻骨料上浮现象,如图7 所示,轻骨料的质量较轻,在流动度较大时,会出现轻骨料上浮的情况,骨料上浮对混凝土的各项性能指标都会降低,影响建筑的正常使用。





图7 轻骨料上浮



当使用泵送施工时,陶粒混凝土同样易发生分层离析现象,并且坍落度的损失也会加快,在压力作用下,陶粒吸收混凝土中的水分从而导致混凝土水胶比下降,混凝土无法泵送。当泵送的压力减小时,在压力作用下,陶粒吸入的水分被挤出,当陶粒中的水进入混凝土中,会导致混凝土的泌水以及上下分层,并且堵塞泵管,当在浇筑现场时,压力的消失,挤出的水分会引起混凝土的力学强度和耐久度变差。

3.2 收缩与徐变问题

高吸水率的陶粒混凝土早期的收缩变形会比同等轻度的普通混凝土低,但是在养护后期,其收缩变形仍会很大。

目前混凝土徐变研究较多的是受压徐变,但是混凝土受拉徐变破坏的研究比较少,尤其是轻骨料的受拉徐变需要研究人员进行研究。

3.3 耐久性问题

轻骨料吸水率大于普通骨料,当轻骨料吸水率较高的时候,抗冻性能就会下降,内部毛细孔水在温度降低时,发生形态的变化,体积膨胀,造成混凝土耐久性变差,同时随着冻融次数的增长,混凝土的力学性能也会急剧降低。

4 总结与展望

轻骨料混凝土在我国快速发展,取得了令人瞩目的成就,不仅可以节约砂石等自然资源的使用,与普通混凝土相比,可以大幅度减轻结构自身重量,减轻了地基的荷载,节省了材料的运输量,随着大跨度结构以及海事工程的日益增多,陶粒混凝土的发展势不可挡。随着土木工程的科研人员对轻骨料混凝土的深入研究,我们要面对大量问题,这些问题的解决有利于陶粒混凝土的推广使用。陶粒混凝土只有付诸于实际工程中,才能发挥最大的价值。


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