火山渣混凝土力學性能優化試驗研究

肖力光，張金宏，劉燕峰

1吉林建筑大學 材料科學與工程學院，長春 130118

2吉林省保障性住房建設投資有限公司，長春 130012

0 引言

混凝土是我國建筑行業中使用最廣泛的建筑材料之一,輕質高強綠色環保是混凝土的發展方向,火山渣是火山爆發的產物,是一種天然輕骨料,世界各國研究人員對火山渣混凝土在建筑上的應用進行了大量研究.Aho等[1]人研究發現,火山渣可作為粗骨料用于生產輕骨料混凝土,該混凝土具有足夠的強度,有利于降低建筑結構中的恒荷載;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；在輕質結構混凝土的生產過程中,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,其在比強度方面表現出色[3].蹇守衛等[4]人利用水稻秸稈對水泥基材料進行研究發現,水泥基材料的韌性得到明顯增強;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砂漿耐久性和韌性較差的缺點.

但由于火山渣質量較輕,在制備火山渣輕骨料混凝土過程中容易出現分層離析強度低,嚴重影響了火山渣輕骨料混凝土的工程應用,本試驗研究的意義在于,通過對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性能.

1 實驗設計

1.1 原材料

水泥: 長春亞泰水泥廠生產的P.042.5普通硅酸鹽水泥,28 d抗壓強度為45.5 MPa.

火山渣: 來自于吉林省輝南縣,粒徑為0.15 mm～4.75 mm細骨料,5 mm～12 mm為粗骨料,火山渣主要化學成分、物理力學性能見表1，表2.

表1 火山渣主要化學成分

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

1.2 實驗設計

為了研究秸稈纖維、聚合物和泡沫劑對火山渣混凝土力學性能的影響,參照JGJ55《普通混凝土配合比設計規程》[6]在基準配合比基礎上按照聚合物(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.

依據單摻試驗的實驗結果,制備聚合物、泡沫劑和秸稈纖維復摻的火山渣混凝土試塊,在實驗過程中的水膠比保持0.60不變,利用正交試驗對配合比進行設計見表3.標準養護28 d按照GB/T 50081《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對混凝土試塊進行力學性能測試.

表3 正交試驗設計Table 3 Orthogonal design

2 實驗結果與討論

2.1 聚合物對火山渣混凝土力學性能的影響

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題,聚合物能夠穩定附著在水泥顆粒表面上,對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度先增加后降低,并在摻量為2 %時,混凝土7 d和28 d抗壓強度達到最大值36.8 MPa.根據與未摻聚合物時相比抗壓強度提高了20.7 %,聚合物最佳摻量為2 %.

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

2.2 泡沫劑對火山渣混凝土抗壓強度的影響

由圖2看出,B1組(泡沫劑摻量0.01 %)火山渣混凝土28 d抗壓強度達到32 MPa,較未摻泡沫劑時抗壓強度相比提高了4.9 %,隨著泡沫劑摻量的增加發現火山渣混凝土抗壓強度呈一種不規則的變化下降.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,抗壓強度略有提高且使得火山渣混凝土封閉孔增加,經過實驗測試發現火山渣混凝土抗凍性同時得到提高,泡沫劑最佳摻量為0.01 %.

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

2.3 秸稈纖維對火山渣混凝土抗壓強度的影響

由圖3可以看出,在秸稈纖維摻量為1 %和2 %

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

時,火山渣混凝土7 d抗壓強度基本一致,但隨著摻量的增加混凝土抗壓強度急劇降低;在28 d時發現摻量為1 %時明顯高于2 %的抗壓強度,且隨著摻量的增加混凝土抗壓強度呈下降趨勢.

另外，在對試塊進行抗壓強度測試時發現,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、秸稈纖維復摻對火山渣混凝土抗壓強度的影響

當聚合物、泡沫劑、秸稈纖維同時摻入混凝土中時,泡沫劑產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部的流動性,通過抗壓試驗看到試塊破壞時呈“漏斗”狀開裂且開裂時并沒有全部“炸開”,由此可以看出混凝土為脆性破壞,且混凝土抗震性能增強.

由表4可以看出,測試結果分為三組:第一組D1-D3;第二組D4-D6;第三組D7-D9,在每一組測試結果中7 d和28 d抗壓強度均呈下降趨勢,且在D4時抗壓強度7 d和28 d分別達到最大值,再對其進行50次凍融循環測試發現該組抗凍性能標準最佳.

表4 正交試驗結果測試

根據實驗結果分析,當聚合物摻量為2 %、泡沫劑摻量為0.01 %、秸稈摻量為2 %時,火山渣混凝土抗壓強度、抗凍性能達到最佳.

3 結論

(1) 聚合物的摻入使得混凝土內部出現凝膠顆粒，在混凝土內部中凝膠顆粒使得各成分之間的黏結性增強,從而使得混凝土內部結構更加穩定,當聚合物摻量為2 %時,火山渣混凝土抗壓強度得到極大地提高.

(2) 泡沫劑的摻入使得火山渣內部的孔隙得到有效地填充,當泡沫劑摻量為0.01 %時,火山渣混凝土抗壓強度有小幅度提高,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部的流動性,當秸稈纖維摻量為1 %時,混凝土28 d抗壓強度達到最大值.

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