轻集料混凝土是指利用轻粗骨料、轻砂 (或普通砂) 、水泥和水配制而成的干密度≤1 950kg/m³的混凝土^[1]。陶粒泡沫混凝土是轻集料混凝土的一种, 是用陶粒代替普通粗骨料, 掺入泡沫配制而成的一种表观密度<1 950kg/m³的高性能混凝土。由于陶粒内部具有独特的孔隙结构, 使得配制出的陶粒泡沫混凝土与普通混凝土相比具有轻质高强、抗震性能好、保温隔热性能好等特点^[2,3,4]。但陶粒混凝土在施工和运输过程中存在陶粒上浮问题^[5,6], 制约着陶粒混凝土的发展。陶粒是采用工业废渣等原材料加工而成, 符合国家关于绿色节能建材的要求, 是一种利废、环保、节能的新型建筑材料, 是目前高性能混凝土的研究热点之一。

文献[7-8]研究了泡沫混凝土密度与抗压强度的关系, 但很少有人研究陶粒泡沫混凝土密度和抗压强度之间的关系。本研究在前期试验研究的基础上, 通过适当调整配合比, 得到不同配合比的立方体试件。通过压缩试验, 研究了陶粒泡沫混凝土中减水剂掺量和砂含泥量对陶粒泡沫混凝土抗压强度的影响, 得到陶粒泡沫混凝土抗压强度与混凝土密度的关系。

本文使用的陶粒为贵州某公司生产的黏土陶粒;水泥为市购52.5R级普通硅酸盐水泥;缓凝剂为柠檬酸钠;粉煤灰选用一级粉煤灰;发泡剂为市购动物蛋白类发泡剂;减水剂为聚羧基减水剂, 浓度≥10%;水采用自来水。

本试验基于前期研究及试验时的情况, 为探明砂含泥量、减水剂、陶粒外裹水泥浆对陶粒泡沫混凝土力学性能的影响以及陶粒泡沫混凝土抗压强度与其密度之间的关系, 通过适当调整配合比, 得到表1~4所示物料配合比。采用表1~4中的配合比, 共浇筑84块立方体试件, 试件设计边长为100 mm, 在自然条件下养护28d后进行力学性能试验。

压缩试验加载装置如图1所示, 采用RMT-301数显压力试验机 (1 500k N) , 通过位移加载, 持续加载至试件破坏。同时采用数字图像相关 (digital image correlation, DIC) 技术, 利用相机进行连续图像采集, 可以实时测出试件表面变形^[9]。

陶粒泡沫混凝土试块的典型破坏状态一般为劈裂破坏且劈裂破坏面大都为垂直面, 如图2a所示。图2b为破坏试件的水平位移云图, 通过位移云图中的不连续可以判断裂缝的发展状况。压缩试验中试块的裂缝发展过程大致如下。

1) 当轴向压应力增加到30%~50%的抗压强度时, 试件中的压应力较小, 裂缝尖端产生应力集中, 但只有少许微裂缝延伸, 裂缝扩展稳定, 砂浆并未开裂。

2) 当应力达到50%~75%抗压强度时, 粗骨料界面处裂缝缓慢延伸, 少量微裂缝也出现在水泥砂浆中。因为试件中裂缝扩展持续, 试件内部的裂缝状态变得不再稳定。

3) 当应力>75%抗压强度后, 粗骨料界面裂缝和砂浆中的原有裂缝扩展加速, 而后贯通直至试件完全破坏。

从试件受压和裂缝发展的过程看, 微裂缝常出现在骨料附近处。随着应力增大, 骨料附近的裂缝逐渐扩展与砂浆中裂缝交错贯通形成贯穿裂缝直到试件破坏。

由于部分试件在浇筑、脱模和运输过程中损坏严重而未加载, 剩下的67个立方体试件的密度及抗压强度试验结果如表5所示。

每个试块的密度与抗压强度的散点图如图3所示, 通过回归分析可以得到陶粒泡沫混凝土试块的抗压强度f与其密度ρ的关系式f=0.193 9e^{0.002 64ρ}, 通过判定系数R²=0.782 4, 关系式拟合比较好 (R=0.88, 接近1) 。通过这个关系式, 预测陶粒泡沫混凝土的抗压强度, 可以找到强度与密度的最佳组合, 为装配式建筑提供指导。

表2中配合比是考虑减水剂对试件抗压强度的影响, 每种配合比试件的抗压强度和减水剂含量如表6所示。由表6可知, 减水剂含量与试件的抗压强度之间并无必然联系, 即减水剂的掺入量对试件的抗压强度基本无影响。还有可能是本文所选取的减水剂范围太小, 不能正确反映出试验结果。在接下来的研究中会扩大减水剂的掺入量来研究减水剂掺量对试件抗压强度的影响。

表3中物料配合比是考虑砂含泥量对试件抗压强度的影响, 每种配合比试件的抗压强度与砂含泥量之间的关系如表7所示, 其中天然泥砂含泥量为100%, 洗净后砂含泥量为0。由表7可知, 砂含泥量与试件的抗压强度之间并无必然联系, 即砂的含泥量对试件的抗压强度影响不大。

表4中物料配合比为陶粒外裹水泥浆配合比, 图4为黏土陶粒, 图5为外裹水泥浆的陶粒。由表5可知, 陶粒外裹水泥浆后的试块抗压强度比不裹水泥浆的试块的抗压强度高, 这是因为陶粒外裹水泥浆增大了陶粒的质量和界面强度, 从而提高陶粒泡沫混凝土的抗压强度, 还可解决陶粒混凝土在施工和运输过程中陶粒上浮问题。但同时, 陶粒泡沫混凝土的密度也有所增加。

材料泊松比为线弹性阶段内横向应变与纵向应变的比值, 通过分析应变片的测试结果, 得到部分试块的泊松比, 结果如表8所示。表8中的结果表明, 各试块的泊松比较接近, 为0.17~0.26, 平均为0.22。材料的抗压强度对其泊松比并无明显影响。

1) 陶粒泡沫混凝土的典型破坏形态为劈裂破坏, 劈裂破坏面主要为垂直面。

2) 陶粒泡沫混凝土的抗压强度随着混凝土密度的增加呈指数形式 (f=0.193 9e^{0.002 64ρ}) 提高。利用该公式, 可以预测特定密度陶粒泡沫混凝土的抗压强度, 为装配式建筑提供指导。

3) 砂的含泥量和减水剂掺量对陶粒泡沫混凝土的抗压强度影响不大。

4) 陶粒外裹水泥浆可以增大陶粒的质量和界面强度, 从而提高陶粒泡沫混凝土的抗压强度, 还可解决陶粒混凝土在施工和运输过程中陶粒上浮问题。

5) 陶粒泡沫混凝土的抗压强度对泊松比并无明显影响, 泊松比可取0.22。