陶粒粒径及级配对陶粒混凝土力学性能的影响

陶粒混凝土又称轻骨料混凝土，具有质轻、高强、保温隔热、抗震性好、抗渗性佳、耐火性好等优点，广泛应用于装配式建筑、桥梁工程、地铁、隧道等领域。研究人员采用页岩 、粉煤灰 、尾矿 、煤矸石 等为原料烧制轻质高强陶粒，以陶粒作为骨料制得高性能陶粒混凝土，主要研究陶粒预处理、孔结构、配合比等对陶粒性能的影响。陶粒粒径及其级配对陶粒混凝土力学性能影响尚鲜见报道。本试验以商洛钒尾矿为主要原料烧制轻质高强陶粒，研究陶粒粒径及其级配对陶粒混凝土抗压强度和抗折强度的影响，确定制备高性陶粒混凝土的**优陶粒粒径及级配。
1 试验部分
1.1 原料 采用陕西省商洛市山阳县大量堆存的钒尾矿作为主要原料，加入黏土、长石为辅助原料，采用高纯度 SiC 作为发泡剂。经过前期试验探索得出制备钒尾矿基轻质高强陶粒的**优原料配方（ w/%）为：钒尾矿，80；黏土，10；钾长石 10。发泡剂 SiC 加入量为 0.5%。
1.2 试验方法 原料经球磨、陈腐、成型、烘干后在1 125 ℃下保温 30 min 烧结，制得粒径分别为 10 mm、15 mm 和 20 mm 轻质高强陶瓷颗粒。每组陶粒粒径相差小于 2 mm，将不满足条件的陶粒去除。然后将陶粒在水中浸泡 1 h，倒入模具等待浇注。为消除沙石、混凝土配合比等因素影响，本研究采用纯水泥浆浇注，将硅酸盐水泥和水按 100∶18 质量比称量，加入质量分数 0.4% 聚羧酸减水剂，快速搅拌直至混合均匀。再将水泥浆料慢慢浇注到放有陶粒的模具中，1 d 后脱模，**后放入标准恒温恒湿养护箱中进行养护。
1.3 测试方法 按照国标 GB/T 17431.2-2010《轻集料及其试验方法 第 2 部分：轻集料试验方法》对钒尾矿基陶粒进行测试表征。陶粒混凝土的宏观形貌采用 TX5300 视频显微镜进行观察。混凝土抗压强度和抗折强度采用 WDW-50 型万能试验机进行测试，每组数据重复测量 3 次，取平均值。
2 结果与讨论
2.1 不同粒级陶粒的制备 
      以商洛钒尾矿为主要原料，加入黏土、钾长石为辅料，原料质量比为 8∶1∶1，发泡剂 SiC 添加量为 0.5%，球磨 0.5 h，加水 35%，搓
揉成块陈腐 24 h，然后成型为直径 8 mm、12 mm、16 mm 的陶粒生坯，放入烘箱在 100 ℃下干燥 12 h，**后放入马弗炉从室温以 8 ℃ /min 的升温速率升至800 ℃，再以 3 ℃ /min 升温至 1 125 ℃，保温 30 min 后随炉冷却，制成粒径分别为 10 mm、15 mm 和 20 mm的球状陶瓷颗粒。GB/T 17431.2-2010 要求轻集料陶粒的筒压强度大于等于 6.0 MPa，吸水率小于等于 10%，堆积密度小于等于 800 kg/m3。结合《轻集料及其试验方法》对不同粒径陶粒性能进行测试。3 组不同粒径陶粒的堆积密度、筒压强度和吸水率均满足国家标准，具体数据见表 1。由表 1 可知，随着陶粒粒度的增大，其堆积密度和筒压强度均减小。这是因为陶粒粒度越大，陶粒与陶粒之间的空隙越大，导致堆积密度降低，筒压强度随之降低。3 组陶粒的吸水率差异不大。


2.2 陶粒粒径对轻质骨料混凝土力学性能的影响 
      以粒径为 10 mm、15 mm 和 20 mm 的陶粒作为轻集料制备陶粒混凝土，采用石子作为粗骨料制备混凝土进行对照。为消除其他因素的影响，采用纯水泥浆料进行浇注。在恒温恒湿养护箱养护中，记录其 14 d、28 d 的抗折强度和抗压强度。混凝土断面图，见图 1。


      从图 1 可看出，4 组混凝土浇注均较为致密，断裂时，陶粒拔出和断裂都有发生，陶粒表面与水泥之间结合紧密。陶粒混凝土及石子混凝土的 14 d 和 28 d 抗压强度测试结果，见表 2。由表 2 可知，3 组陶粒混凝土的抗压强度均比石子混凝土的抗压强度低。这是因为石子是致密型粗骨料，具有较高的抗压强度。陶粒属于多孔材料，抗压强度较低。随着陶粒粒径的增大，陶粒混凝土的抗压强度降低。这是因为陶粒粒径越小，其筒压强度越大，导致陶粒混凝土的抗压强度越高。粒径 10 mm 陶粒制备的陶粒混凝土 28 d 抗压强度达到 52.7 MPa。


      陶粒混凝土及石子混凝土的 14 d 和 28 d 抗折强度测试结果，见表 3。由表 3 可知，3 组陶粒混凝土的抗折强度均比石子混凝土高。这是因为陶粒属于多孔材料，陶粒表面的孔洞使其与水泥结合更加紧密，导致断裂时需要更大载荷，抗折强度更高。粒径为15 mm 陶粒制备的陶粒混凝土抗折强度**高，28 d 抗折强度比石子混凝土高 64%。陶粒混凝土的抗折强度与陶粒的粒径无线性关系。综合考虑，粒径为15 mm 的陶粒制备的陶粒混凝土力学性能较优。


2.3 陶粒级配对陶粒混凝土性能的影响 
     将粒径为 10 mm、15 mm 和 20 mm 3 种陶粒按体积比 1∶1组合得到 V(10 mm)∶V(15 mm)=1∶1， V(10 mm))∶V(20 mm)=1∶1 和 V(15 mm)∶V(20 mm)=1∶1 此 3组粗集料。将以上 3 种陶粒按体积比 1∶1∶1 配比得到第 4 组粗集料。然后采用纯水泥浆料进行浇注，在恒温恒湿养护箱养护中，记录其 14 d、28 d 的抗压强度和抗折强度。不同陶粒级配混凝土的断面图，见图 2。从图 2可看出，4组陶粒混凝土浇注均较为致密，小粒径陶粒分布在大粒径陶粒之间。


      不同陶粒级配制备陶粒混凝土的 14 d 和 28 d 抗压强度测试结果，见表 4。对比表 2 和表 4 可看出，不同粒径陶粒配合作为粗集料制备的陶粒混凝土，其抗压强度均有提升。其中陶粒配比 V(10 mm）∶ V(15mm） =1∶1 制备的陶粒混凝土抗压强度**高，达到58.5 MPa，较粒径 10 mm 陶粒混凝土 28 d 抗压强度高11%；另外，与粒径为 20 mm 的陶粒配合的 3 组陶粒混凝土抗压强度均比 20 mm 陶粒混凝土高。这表明以不同粒径的陶粒配合作为粗集料，提高陶粒的堆积密度，有利于提高陶粒混凝土的抗压强度。


      不同陶粒级配制备陶粒混凝土的 14 d 和 28 d 抗折强度测试结果，见表 5。由表 5 可知，不同粒径陶粒级配使陶粒混凝土的抗折强度有所提升。其中陶粒配比 V(10 mm)∶V(15 mm)=1∶1 制备的陶粒混凝土28 d 抗折强度**高，达到 16.2 MPa，比石子混凝土的抗折强度高 76%。加入粒径为 20 mm 的陶粒，陶粒级配为V(10 mm)∶V(15 mm)∶V(20 mm)=1∶1∶1时，该组陶粒混凝土的抗折强度为 13.8 MPa，说明过大粒径陶粒的加入不利于陶粒混凝土抗折强度的增大。综上所述，陶粒配比 V(10 mm) ∶ V(15 mm)=1 ∶ 1 制备的陶粒混凝土力学性能**佳。


3 结论
      采用 80% 商洛钒尾矿为主要原料制备不同粒径的轻质高强陶瓷颗粒，研究陶粒粒径及陶粒级配对陶粒混凝土抗压强度和抗折强度的影响，单一陶粒粒径为 15 mm 制备的陶粒混凝土力学性能较好。陶粒配比 V(10 mm)∶V(15 mm)=1∶1 制备的陶粒混凝土力学性能**优，28 d 抗压强度达到 58.5 MPa， 28 d 抗折强度为 16.2 MPa。