Strength tests of shale ceramsite concrete with part sand

Architectural Engineering February 2015, Volume 3, Issue 1, PP.1-6

Strength Tests of Shale Ceramsite Concrete with Part Sand Jianhui Yang 1,2, Xiao Fan 2, Lu Xu 2, Jianyu Yu 3 1. Opening Project of Key Laboratory of Deep Mine Construction, Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China 2. School of Civil Engineering of Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China 3. Henan Province Engineering Group Co., Ltd. Henan Province, Zhengzhou, Henan 450002, China

Abstract Taking LC30 for an example, the compressive and flexural strengths were tested under different conditions in order to investigate the influences of water cement ratio (W/C ratio) and sand volume replacement rate (rs) on the physical and mechanical properties of shale ceramsite concrete with part sands (sand lightweight concrete, specified density concrete). The results show that the strengths, specific strength and flexural-compressive strength ratio all increase with the reducing of W/C ratio, but the flexuralcompressive strength ratio change little. The strengths increase firstly and then reduce than the test-piece group with the increasing of rs, and the critical rs is 10%. It is mainly affected by rs when W/C ratio is smaller or by W/C ratio when W/C ratio is bigger for the strengths of sand lightweight concrete than the test-piece group. The specified density concrete can reduce weight than normal concrete, cut down cost, raise pump ability and construction than full lightweight concrete by the comparison of specific strengths under the condition of intensity satisfying with the requirement.

Keywords: Lightweight Concrete; Specified Density Concrete; Shale Ceramsite Concrete; Specific Strength; Flexural-compressive Strength Ratio

砂轻页岩陶粒混凝土的强度试验 杨健辉1,2，樊晓 2，徐璐 2，余建雨 3 1.河南理工大学 深部矿井建设重点学科开放实验室，河南 焦作 454000 2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000 3. 河南省建设集团有限公司，河南 郑州 450002 摘

要：为了研究水灰比和河砂取代率对砂轻页岩陶粒混凝土（简称为砂轻混凝土，次轻混凝土）的物理力学性能影响，

本文以 LC30 为例，分别进行了不同影响因素时的抗压与抗折强度试验。结果表明，随着水灰比降低，砂轻混凝土的强度、 比强度及折压比逐渐增大，但折压比变化幅度很小；而随着河砂取代率增大，强度较基准组先提高后降低，其临界点为 10%；当水灰比较小时，相较于基准组，砂轻混凝土的强度主要受河砂取代率影响；而当水灰比较大时，其强度则主要受 水灰比影响；由比强度对比可知，砂轻混凝土较全轻混凝土和普通混凝土在满足强度要求的前提下，能够减轻重量和降 低成本，并能提高泵送和施工性能。 关键词：轻质混凝土；次轻混凝土；页岩陶粒混凝土；比强度；折压比

引言 随着我国国民经济的快速发展，人口急剧增加和土地资源的匮乏，迫使现代建筑物或构筑物向超高层、 超大跨度、节能保温与生态建筑构建方向发展。然而，普通混凝土由于自重大以及由此带来的一系列技术经 基金项目：国家自然科学基金项目(41172317)，深部矿井建设省重点学科开放实验室开放基金(2011KF-01), 河南省教育厅科技 攻关项目(2010A560010) -1http://www.ivypub.org/AE

济问题日趋明显，迫使混凝土向轻质、高强、节能与保温方向发展。因此，发展轻质、高强混凝土成为我国 2020 年科技发展目标实施纲要之一。其中，骨料全部由轻质粗、细骨料所配制的不同强度等级混凝土，称之 为全轻混凝土。而次轻混凝土则是指在全轻粗、细骨料中掺入适量普通粗、细骨料，1950kg/m3<干表观密度 ≤2300kg/m3 的混凝土[1]。其中，仅以部分普通石子替代轻质粗骨料的混凝土，称之为石轻混凝土；而仅以部 分普通砂子替代轻质细骨料的混凝土，称之为砂轻混凝土；或同时以部分普通石子和普通砂替代轻质粗、细 骨料的混凝土，称之为次轻混凝土。以上三种划分，也可统称为次轻混凝土。次轻混凝土能够在保证混凝土 强度等级不变的前提下，显著降低混凝土的表观密度，从而减轻结构的自重。同时，次轻混凝土可以利用轻 骨料的吸、放水特性减少混凝的干燥土收缩，并提高混凝土的自养护能力，从而提高混凝土的体积稳定性和 抗裂性[2]。因此，次轻混凝土适用于高层和超高层建筑、大跨径桥梁、地下工程和人防工程等对抗渗、抗震、 保温、隔热、抗裂有较高要求的建筑，不仅能很好地改善结构构件的工作性能，减轻上部结构自重，减少下 部结构的工程量，而且还可提高混凝土的泵送性能和施工性能，大幅度节约工程总成本，因而具良好的市场 应用前景。 根据文献[3-10]的研究结论，次轻混凝土的强度、比强度较全轻混凝土有明显提高。然而，目前对次轻 混凝土的研究主要是胶凝材料对次轻混凝土的影响、轻骨料在不同因素影响下对次轻混凝土的影响和用轻骨 料取代普通混凝土中的部分粗、细骨料等，对用普通骨料取代全轻混凝土中部分轻骨料的研究较少。当用轻 骨料取代普通骨料时，轻骨料的抗震、抗渗、保温等性能，与用普通骨料取代轻骨料相比其性能受到一定的 限制。因此，本文针对掺入河砂的砂轻页岩陶粒混凝土（以下简称为砂轻混凝土，或次轻混凝土）进行试验 研究，其主要目的是降低工程造价，同时提高混凝土的泵送和施工性能。

1 试验原材料及配合比 1.1 原材料 水泥：焦作市坚固水泥厂 P .O42.5 水泥，性能指标满足标准要求。 粉煤灰：焦作电厂生产的 II 级粉煤灰，物理性能指标如表 1 所示。 页岩陶粒：河南美赛克科技有限公司生产的 700 级碎石型页岩陶粒（以下简称陶粒） ，其性能指标如表 2 所示。 页岩陶砂：河南美赛克科技有限公司生产的 900 级页岩陶砂（以下简称陶砂） ，其性能指标如表 3 所示。 河砂：天然中砂，堆积密度 1074 kg/m3，细度模数 2.8。 减水剂：聚羧酸高效减水剂 MY-Ⅰ，减水率 40%，掺量为胶凝材料的 1.0%。 水：普通饮用水。 表 1 粉煤灰性能指标 细度/% 10.8

烧失量/% 4.16

含水量/% 0.26

需水量比/% 92

SO3/% 0.88

表 2 页岩陶粒性能指标 粒度/mm 5-10

吸水率/% 4.3

筒压强度/MPa 4.3

堆积密度/(kg/m3) 720

软化系数 1.0

表 3 页岩陶砂性能指标 粒度/mm

含泥量/%

硫化物和硫酸盐含量/%

沸煮质量损失量/%

堆积密度/(kg/m3)

细度模数

≤5

1.0

0.02

0.4

880

3.5

1.2 配合比 混凝土配合比设计采用松散体积法[1]。首先，通过正交试验得到抗压强度为最优的 LC30 全轻页岩陶粒 -2http://www.ivypub.org/AE

混凝土最佳配合比，即水泥:陶砂:陶粒:粉煤灰:减水剂:水= 1:1.1:1.2:0.4:0.01:0.4，1m3 混凝土水泥用量为 380kg； 其次，将其作为基准组，在此基础上调整水灰比分别为 0.35、0.40、0.45，河砂体积取代率分别为 0%、5%、 10%、15%、20%，细度模数依次是 3.5、3.5、3.4、3.3、3.2；并通过改变水灰比和河砂的取代率，来研究其 对砂轻混凝土的强度影响。

1.3 试验方法 试验方法参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》 （GB/T50081-2002）[11]，坍落度控制在 200mm-220mm， 在温度为（20±2）℃时的静水中养护 28d，采用标准试验方法测试强度。其中，抗压试件规格为 100mm×100mm ×100mm（每组 3 块，取平均值并乘以换算系数 0.95） ，抗折试件规格为 100mm×100mm×400mm（每组 3 块， 取平均值并乘以换算系数 0. 85） 。

2 试验结果及分析 2.1 强度与龄期关系 混凝土强度的推算采用单一龄期推算法[12]，如式(1)所示。 lg n Rn  Rα lg α

(1)

其中，Ra—a 天(≥3)龄期时的混凝土抗压强度/MPa；Rn—n 天龄期时的混凝土抗压强度/MPa。 通过前期试验测定的 3d、7d、14d、28d 强度，如表 4 所示。对表 4 中 15 组强度数据进行分析可知，砂 轻混凝土 3d 强度达到 28d 的 30%，7d 达到 28d 的 65%，14d 达到 28d 的 80%。而通过式(1)计算可知，普通 混凝土 3d 强度达到 28d 的 33%，7d 达到 28d 的 60%，14d 达到 28d 的 80%。因此，砂轻混凝土的强度与龄 期的变化规律与普通混凝土基本一致，其强度推算可采用单一龄期推算法。 表 4 河砂取代率对砂轻混凝土性能的影响 W/C

0.35

0.40

0.45

rs /% 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20

fcu/MPa 3d

7d

14d

28d

ρg28d /(kg/m3)

15.24 16.96 18.32 13.79 10.60 13.77 15.01 17.25 12.81 9.44 11.48 12.55 16.36 11.12 8.79

26.24 28.21 31.63 24.07 20.38 23.83 25.06 28.05 20.35 17.66 23.07 24.18 26.63 19.90 16.92

32.04 34.51 35.85 30.17 25.35 31.33 33.51 34.41 29.36 24.39 30.90 31.92 33.14 25.86 19.53

40.34 41.89 43.37 38.73 32.44 39.58 40.93 42.56 38.17 30.00 38.33 39.17 41.31 30.59 23.87

1686 1761 1811 1881 1936 1683 1750 1808 1875 1930 1682 1752 1810 1874 1932

CD28d /(kN·m/kg)

fm28d /MPa

CF28d

23.93 23.78 24.05 20.59 16.76 23.52 23.39 23.54 20.36 15.54 22.79 22.36 22.82 20.06 14.43

6.74 7.04 7.37 6.39 5.38 6.45 6.75 7.10 6.18 4.83 6.23 6.34 6.82 4.92 3.82

0.167 0.168 0.170 0.165 0.165 0.163 0.165 0.167 0.162 0.161 0.163 0.162 0.165 0.161 0.160

注：1) W/C 表示水灰比；2) rs 表示河砂的体积取代率/%；3) fcu 表示立方体抗压强度/MPa；4) ρg 表示干表观密度/(kg/m3)；5) fm 表示抗折强度/MPa； 6) CD 表示比强度/(kN·m/kg)，即立方体抗压强度与干表观密度的比值；7) CF 为折压比，即立方体抗压强度与抗折强度的比值。

2.2 河砂取代率对砂轻混凝土的强度影响 当 W/C=0.35 时，由图 1(a)可知，在龄期为 3d、7d、14d、28d 时，随着河砂取代率增大，砂轻混凝土抗 压强度较基准全轻页岩陶粒混凝土，具有先逐渐增大后降低的特征。当河砂取代率为 10%时，砂轻混凝土抗 压强度为最大；但河砂取代率在 15%、20%时，砂轻混凝土强度逐渐降低且低于基准组强度。当河砂掺量≤ 10%时，因陶砂和河砂混合后颗粒级配较好，且所配制的混凝土具有良好的和易性与较高的密实度，因而提 高了砂轻混凝土的抗压强度。当河砂掺量为 10%-20%时，因河砂所占细骨料的体积率增加，使陶砂的“微泵” -3http://www.ivypub.org/AE

作用[13]降低，同时也因颗粒级配性能下降，导致强度降低。

40

50

3d 7d 14d 28d

40

50

fcu/MPa

3d 7d 14d 28d

fcu/MPa

fcu/MPa

50

40

30

30

30

20

20

20

10

10

10

0

0

0

5

10

15

20

25

0

5

rs/%

(a) W/C=0.35

10

rs/%

15

20

3d 7d 14d 28d

0

25

0

5

10

15

20

25

rs/%

(b) W/C=0.40

(c) W/C=0.45

图 1 河砂取代率对砂轻混凝土抗压强度的影响

类似地，当 W/C=0.40 时，图 1(b)较图 1(a)，在河砂掺量≤10%时，砂轻混凝土各龄期抗压强度稍有降低； 这说明尽管水灰比有所增大，但在掺量适当的情况下，对混凝土的强度影响并不明显，其主要影响因素为取 代率；当河砂掺量为 10%-20%时，各龄期抗压强度下降速率较大。 当 W/C=0.45 时，图 1(c)相较图 1(a)，在河砂掺量≤10%时，砂轻混凝土各龄期抗压强度降低幅度较大； 当掺量在 10%-20%时，各龄期抗压强度下降速率更大。图 1(b)、图 1(c)同时与图 1(a)比较可知，在较大的河 砂取代率条件下，并随着水灰比增大，砂轻混凝土内部含水量持续增加；但原本应由陶砂吸收的水分此时却 无法被吸收，从而导致砂轻混凝土的抗压强度降低。此时，与河砂取代率相比，水灰比对混凝土抗压强度影 响增大。 通过对在不同水灰比条件下，不同河砂取代率的分析可知，砂轻混凝土强度、比强度及折压比较基准组 先提高后降低，其临界点为 10%。本课题组在 LC40、LC50 全轻混凝土的基础上，也分别采取 0%、5%、10%、 15%、20%同样 5 种不同河砂取代率时的相关试验。由试验结果分析可知，LC40、LC50 砂轻混凝土河砂取 代率的临界点仍然是 10%，这说明河砂取代率 10%的临界点对砂轻混凝土具有一定的普遍性。

2.3 水灰比对强度的影响 将水灰比分别为 0.35、0.40、0.45 时的抗压、抗折强度及折压比进行对比分析，其结果分别如图 2、图 3 所示。 0.35 0.40 0.45

fm28/MPa

fcu28/MPa

45 42 39

0.35 0.40 0.45

7.5 7.0 6.5

36 6.0

33 5.5

30

5.0

27

4.5

24

4.0

21

3.5

0

5

10

15

20

0

5

rs/%

(a) 抗压强度

10

15

20

rs/%

(b) 抗折强度 图 2 水灰比对砂轻混凝土强度的影响

由图 2 可知，在河砂取代率相同的情况下，水灰比为 0.35 时，砂轻混凝土的抗压、抗折强度均高于其他 两种水灰比时的强度；并且随着水灰比增大，强度下降速率变大。在河砂掺量较少时，混凝土内部水适量， -4http://www.ivypub.org/AE

水灰比增大对强度影响不明显；但随着河砂取代率逐渐增加，且水灰比同步增大，从而造成混凝土内部水量 增多，导致混凝土强度骤降。 由图 3 可知，折压比均相近，说明强度一致性较好，配合比稳定。另一方面，在河砂取代率相同时，水 灰比为 0.35 时的折压比均优于其他两组；而在水灰比不同时，折压比均是在河砂取代率为 10%时达到最大。 由此可见，当水灰比为 0.35，河砂取代率为 10%时，砂轻混凝土的强度、折压比达到最优。 0.35 0.40 0.45

CF28

0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0

5

10

15

20

rs/%

图 3 水灰比对砂轻混凝土折压比的影响

2.4 比强度关系 从图 4 可知，随着水灰比降低，比强度逐渐升高；当水灰比相同，且河砂取代率≤10%时，比强度先升 高后降低，并在取代率为 10%时达到最高且与基准组相当；当河砂取代率为 10%-20%，比强度逐渐降低且降 低速率较快。 因比强度是衡量材料是否为轻质高强的指标[14]，由表 4 和图 4 可知，在相同强度等级 LC30 时，全轻混 凝土的比强度是 23.5kN·m/kg，砂轻混凝土为 24.0kN·m/kg。C30 普通混凝土的干表观密度一般为 2400 kg/m3， 则比强度是 20kN·m/kg。由此可见，砂轻混凝土较全轻混凝土和普通混凝土在满足强度要求的前提下，能够 减轻重量和节约成本。 0.35 0.40 0.45

28 CD /(kN·m/kg)

25

20

15

10

5

0 0

5

10

15

20

r /% s

图 4 河砂取代率和比强度的关系

3 结论 (1) 砂轻混凝土强度与龄期的变化规律与普通混凝土基本一致，可采用单一龄期推算法推算不同龄期时 的抗压强度； (2) 随着水灰比降低，砂轻混凝土强度、比强度及折压比逐渐升高；但随着河砂取代率增大，强度较基 准组先提高后降低，其临界点为 10%；并在水灰比为 0.35 时，抗压强度提高 7.5%； (3) 水灰比较小时(0.35、0.40)，相较于基准组，砂轻混凝土强度主要受河砂取代率影响；而水灰比较大 -5http://www.ivypub.org/AE

时(0.45)，其强度主要受水灰比影响。

REFERENCES [1]

JGJ51-2002, 轻集料混凝土技术规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002: 4-8

[2]

季韬, 庄一舟, 梁咏宁, 等. 轻骨料吸水返水特性及其对轻骨料混凝土抗裂性能的影响[J]. 混凝土, 2010, Vol.9(6): 61-63

[3]

Mauricio Lopez. Creep and Shrinkage of High Performance Lightweight Concrete: A Multi-Scale Investigation[D](Master's Degree Paper), Georgia Institute of Technology, 2005: 16-19

[4]

钱伟, 樊传刚, 冉松林. 粉煤灰陶砂次轻混凝土的制备与性能[J]. 安徽工业大学学报(自然科学版), 2012, Vol.29(2): 157-161

[5]

Zhang Yankun, Chen Eryan, Guo Zhenlei. Experimental Study on the Combined Aggregate Concrete Strength [J]. Advanced Materials Research, 2012, Vol.450: 413-416

[6]

蒋思晨, 李晓丽, 张鹏远. 不同粉煤灰掺量高强混合骨料混凝土力学性能及本构关系试验研究[J]. 硅酸盐通报, 2011, Vol.30(5): 989-994

[7]

周明辉, 李连君. 次轻混凝土强度的试验研究[J]. 混凝土, 2011, (6): 156-158

[8]

曲维峰, 李立辉. LC40 轻质高强混凝土技术的研究[J]. 混凝土世界, 2012, (4): 59-62

[9]

张华英. 陶粒轻质高强混凝土的试验研究[J]. 佛山科学技术学院学报(自然科学版), 2009, Vol.27(5): 43-46

[10] 孔丽娟, 葛勇. 陶粒对次轻混凝土的强度和抗渗性的影响[J]. 材料研究学报, 2008, Vol.22(1): 98-101 [11] GB/T 50081-2002, 普通混凝土力学性能试验方法标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2003: 9-12 [12] 岳建新, 邢分麦. 混凝土抗压强度预测[J]. 山西建筑, 2003, Vol.29(7): 106-107 [13] 罗杰. 轻集料的改性处理及其混凝土性能研究[D](硕士学位论文). 重庆: 重庆大学, 2011: 33 [14] 魏天伟, 谭伟, 陈明. 纤维对泡沫混凝土比强度的影响[J]. 混凝土与水泥制品, 2013, (5): 49-51

【作者简介】 杨健辉（1969-） ，男，河南南阳人，博士（后） ，教授，主要从事工程材料与结构、动力响应等方面研究。 Email: yjh.dr@163.com; yangjianhui@hpu.edu.cn

-6http://www.ivypub.org/AE