我国高强陶粒和洋陶粒性能的试验

我国高强陶粒和洋陶粒性能的试验研究[提要]结合某工程的要求，本文主要介绍我国高强陶粒和美国页岩陶粒及其混凝土对比试验的一些情况，并与国内外的关标准、规程进行对比、分析，说明我国高强陶粒质量已达到美国同类产品水平，用它来人替洋陶粒是可行的。

[关键词]高强陶粒高强陶粒混凝土弹性模量收缩徐变一、问题的提出

近几年，我国高强陶粒(或称高强轻集料)的和平和应用有较大发展。但可能是因为超轻陶粒在墙体中的应用较多，给一些人产生错觉，好象陶粒只能用作隔热保温墙体，而不能用在承重结构上。一些工程技术人员，包括建筑设计单位的一些建筑师、工程师们，也对我国的高强陶粒可以用在承重结构上不甚了解，或持怀疑态度，对用它可以制成抗压强度为40—70MPa的高强陶粒混凝土还有些不太相信；甚至有些国外的建筑师，在承担我国的某些工程设计时，想用高强陶粒而不敢用，或因为不知道我国也有生产高强陶粒而不采用，即使知道有生产的，但对它的性能如何，能不能达到国外同类型高强陶粒及其混凝土的水平，能否满足有关标准的要求都不清楚，使设计无法进行。

为此，我们想把这几年来配合有关工程在这方面所做的一些工作和了解的某些情况介绍给大家，供大家参考。二、从一个工程方案谈起

在我国，将轻集料混凝土用在承重结构上早已不是什么新鲜事，只是近几年，随着改革开放的发展，用普通集料制成的高强混凝土闹得沸沸扬扬，相比之下，高强陶粒混凝土就沉默得多了。这种情况不仅使我们自己为难，也使一些外国公司感到奇怪。国际上以擅长预应力轻集料混凝土结构设计著称的林同炎美国公司对此更是困惑不解。为此，该公司现任董事长杨裕裘老先生，为了将他们的优化设计和预应力结构轻集料混凝土相结合的新技术在我国的一些土木建筑工程中推广应用，以锲而不舍的精神，四处奔波、宣传这项新技术的优越性。经过多年的努力，终于得到了天津市市政工程局领导的理解和支持，和该市市政设计院密切合作，将这项新技术用在永定新河公路桥上。(参加本项工作的还有陈乃铮、高斌等同志)

按设计方案的要求，最初因不了解我国也能生产高强轻集料，设计要求采用美国进口的页岩陶粒(或称膨胀页岩)，并已得到美方的积极支持。但当我们建议可以考虑采用国产的高强陶粒时，杨老先生非常感兴趣，并立即亲自进行了大量的调查研究和实地考查，结果是比较满意的。

由于我国还没有将高强陶粒用在类似大跨度预应力轻集料混凝土桥梁承重结构上的经验，为慎重起见，我们建议将国产陶粒和美国陶粒及其混凝土性能全面进行对比试验，为工程应用的最后决策提供依据。三、陶粒性能检测

近十多年来，我国结构用的高强轻集料生产发展较慢。以前在甘肃、辽宁等地一些可以大批量供应高密度结构用轻集料的厂家早已相继转产。虽然，还有些小厂家可根据用户的需要，生产一些密度较大、强度较高的轻集料，但却没有大批量供应的能力。目前，根据我们了解，仅有宜昌和上海的两个厂家可以生产高强陶粒。

这次对比试验，我们得到宜昌宝珠陶粒开发有限责任公司和美国索耐特(Solite)陶粒公司的大力支持。受他们的委托，根据我国刚颁发执行的国家标准GB/T17431-98的要求，对他们提供的产品进行全性能检测。其主要结果列于表1。两种陶粒性能检测结果(表1)序号项目名称宜昌陶粒美国陶粒标准要求1陶粒品种页岩陶粒页岩陶粒-2粒型圆球型碎石型碎石型-3堆积密度(kg//m3)770780740800级4最大粒径(mm))16162016.25筒压强度(MPaa)6.66.43.8＞6.06强度标号404040≥357吸水率1h-2.0

244h-2.00

48h-33.02.08.3

10.0

110.6≤8.0

-

-8粒型系数1.12.31.7≤2.09软化系数0.970.980.95≥0.810含泥量(%)0.100.204.20≤3.011颗粒级配合格合格合格(略)12有害物质含量合格合格合格(略)从表1的检测结果可见，宜昌页岩陶粒的各项性能指标都完全符合我国国家标准对高强轻集料的要求，其中有些指标还优于美国陶粒。而美国陶粒则有几项指标达不到标准的要求。但是对照美国的(结构用轻集料)标准ASTMC330，则两种陶粒都是符合要求的。

研究分析认为，美国的页岩陶粒有长期生产和应用的经验，其质量确实很好。有几项指标达不到我国标准要求的主要原因是由于两个标准编制的方法和要求不同，以及陶粒的生产工艺不同所致。因篇幅所限，这里不加详述。

四、混凝土性能比较

该工程设计要求，陶粒混凝土的强度等级为CL40，表观密度为1900kg/m3。按泵送混凝土施工考虑，混凝土坍落度要求不小于150mm。根据对陶粒的检测结果，两种陶粒的堆积密度属800级，其强度标号高达40号，高于国标要求的35号。因此，可以有把握地认为，用它配制CL40以上的高强轻集料混凝土完全不成问题。

根据《轻集料混凝土技术规程》JGJ51-90的要求，我们对这两种陶粒混凝土在同条件下，同时进行了全性能的试验研究。其主要内容和结果简要介绍如下：

1.对CL40、50和60三个强度等级的高强陶粒混凝土的配合比进行设计和试配。同时合比、同条件的试配主要结果见表2。试验结果充分证明，这两种陶粒不仅可以配制出CL40的陶粒混凝土，必要时，也可配制出CL50和CL60的高强陶粒混凝土。高强度混凝土强度性能比较(表2)序号混凝土品种强度

等级坍落度

(mm)干表观密度

(kgg/m3)抗压强度(MPaa)3d7d28d1

2

3宜昌陶粒混凝土

((圆球)CL40

CL500

CL60230

235

20001860

19022

186645.1

50.99

48.850.1

51.88

55.454.9

58.11

68.44

5

6宜昌陶粒混凝土

((碎石)CL40

CL500

CL60＞160

160

16601900

19400

195048.0

43.116

53.00054.0

46.55

61.66667.16

68..00

72..337

8

9美国陶粒混凝土

((碎石)CL40

CL500

CL60220

160

15501856

19366

195042.8

55.44

52.349.4

57.33

61.351.0

70.00

68.12.对CL40两种陶粒混凝土的劈拉、抗折、轴压和弹性模量等力学性能进行了对比试验。试验结果充分说明，两种陶粒混凝土的检测结果都十分接近，且大大超过规程的要求。特别是大家所关心的弹性模量，都超过规程规定值的10-15%以上，且都与我国规程和美国《结构轻集料混凝土指南》ACI213R-87提出的弹性模量公式的计算结果十分相符。

3.对CL40两种混凝土的收缩和徐变同时进行了龄期为一年的试验。收缩与徐变是预应力混凝土结构应用中重要的两个技术指标。试验结果说明，两种陶粒混凝土收缩率和徐变系数都可满足我国规程规定和美国ACI213R-87的要求。由于美国陶粒的吸水率较大，其混凝土早期（180d以前）的收缩和徐变略小；但180d后至一年，宜昌陶粒混凝土的收缩率和徐变，则都略小于美国陶粒混凝土。为此，可以看出，两种陶粒混凝土检测数据十分接近。

4.对陶粒混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化性能和对钢筋的保护作用等耐久性能也都根据规程的要求进行了对比试验。显然，由于陶粒本身“微泵作用”的影响，这些性能都取得了良好的试验结果。吸水率较小的宜昌陶粒混凝土经50次的冻融循环强度损失为零，抗渗性至S35未见有渗水现象；碳化深度几乎等于零；更未见钢筋有锈蚀。美国陶粒混凝土也有类似现象，只是在35大气压的作用下，劈开后观察，约有0.5cm的渗水高度，但与同条件试验的C80普通混凝土相比，其渗水的平均高度和非匀质性则小得多。

这些都说明，这两种CL40的高强陶粒混凝土的各项物理力学性能都可满足我国JGJ151-90和美国ACI213R-87的要求。五、几点看法和启示

1.从以上两种陶粒及其混凝土性能的试验结果可以看出，无论是国产的宜昌页岩陶粒还是美国陶粒，其性能指标都可满足我国国家标准GB/T1431-98的要求，且各项指标的测试结果都十分接近，都可用来配制CL40至CL60的高强陶粒混凝土。

2.两种陶粒配制成的高强陶粒混凝土，无论其物理力学性能，变形性能，或耐久性能都可满足我国JGJ51-90行业标准的要求。由此，可以说明，我国生产的高强陶粒的质量达到美国高强陶粒的水平，用它来代替美国的进口陶粒在工程上应用是可行的。

3.如前所述，美国生产的这种页岩陶粒的生产工艺与我们用干法生产的页岩陶粒不同。其粒型和某些性能与我国加工后的开然轻集料有些相似，属碎石型轻集料。它的某些性能指标虽不如粉磨成球的圆球型的页岩陶粒，但却大大优于火山渣等天然轻集料，甚至有些性能比圆球型陶粒更为优越。

4.我们发现，美国破碎型的页岩陶粒配制成的高强陶粒混凝土，与圆球型高强陶粒混凝土相比，某些性能更好。这就是碎石型陶粒与水泥砂浆的粘接性更好，抗上浮的能力强，特别是在高流动性混凝土拌合物中不易离析，因而用它来配制更高强度的混凝土（如CL50或更高），常常表现出有更好的强度性能，特别是更高的抗折性能。

5.因此，我们认为，这次对比试验，不仅达到了用国产陶粒取代美国陶粒，为国家节约大量外汇和数以百万元计的工程投资的目的，而且，也使我们认识到美国的这种页岩陶粒的生产工艺，不仅可使陶粒具有某些高强陶粒所需要的优良性能，而且与粉磨成球工艺相比，工艺简单，可节约投资，降低陶粒成本，具有很大的技术经济价值，值得我们学习和进一步研究。宜昌宝珠页岩陶粒混凝土基本力学性能试验研究前言

本试验所用陶粒是湖北宜昌宝珠陶粒开发有限公司生产的高强页岩陶粒。限于历史条件，现行的有关《轻集料砼技术规程》(JGJ51)和《轻集料砼结构设计规程》(JGJ2-99)中强度和弹性模量的设计取值，大多数是根据≤CL40轻集料砼的试验资料和分析统计所得。鉴于目前高强陶粒和高强陶粒砼应用的需要，本试验研究的目的是采用宝珠碎石型高强页岩陶粒，系统地测定了20MPa至60MPa以上页岩陶粒砼的基本力学性能。以供结构设计参考。1、试验用原料

陶粒

湖北宜昌宝珠碎石高强页岩陶粒的基本性能见表1。陶粒的基本性能(表1)项目堆积密度(kg//m3)1小时吸水率(%))强度标号颗粒级配指标7602.5405-25mm连续级级配陶粒在使用前先经预湿处理。

水泥

525#普通硅酸盐水泥，上海联合水泥有限公司生产，水泥胶沙强度见表2。水泥胶砂强度(表2)龄期抗折强度(MPaa)抗压强度(MPaa)7d7.844.828d9.059.6

砂子

普通中砂，细度模数2.4。

外加剂

高效减水剂(粉剂)，掺量为水泥重量的0.75%，减水率为15%。2、陶粒混凝土配合比

本试验所用陶粒混凝土配合比的设计强度为20MPa至60MPa以上，混凝土配合比及拌合物的坍落度见表3。陶粒混凝土配合比(kg/m3)(表3)编号1234567891011净水灰比0.260.300.300.300.340.380.420.460.500.540.54水泥550530530530470420380350320300300砂987933797664716758793815840857724陶粒420420490560560560560560560560630外加剂4.14.04.04.03.53.22.92.62.42.32.3坍落度(mm)1802002002102102101901951902201903、陶粒混凝土抗压强度与干密度

陶粒混凝土的立方体抗压强度与干密度试验结果见表4。陶粒混凝土的抗压强度和干密度(表4)编号1234567891011抗压

强度

(MPaa)7d58.058.055.150.647.241.127.128.724.519.516.228d70.665.165.367.059.254.044.842.838.732.321.4干密度(kg/mm3)195219541929184618681813177118241717174816944、陶粒混凝土轴压强度

混凝土轴压强度试验结果

陶粒混凝土的轴压强度试验结果见表5。陶粒混凝土的轴压强度(表5)编号1234567891011抗压强度(MPaa)70.665.165.367.059.254.044.842.838.732.321.4轴压强度(MPaa)62.458.465.462.255.445.440.738.030.523.020.4/0.880.901.000.930.940.840.910.890.790.710.95

陶粒混凝土轴压强度与立方体抗压强度的相关关系

根据表5陶粒混凝土轴压强度与立方体抗压强度的相关关系统计结果，得出以下关系：

=0.88

陶粒混凝土轴压强度与立方体抗压强度相关关系的分析比较

在《轻集料混凝土应用技术规程》JGJ51-90制订时，对全国471组轻集料砼和试验结果所得相关公式为：

=0.93

而通砼的轴压强度与立方体抗压强度的关系则为：

=0.76

在取值时，对试件强度再乘以修正系数0.88，则普通砼和的关系式为：

=0.67

由于考虑到轻集料的不匀质性，以及试验误差等因素的影响，及其对结构性能可带来不利影响，在设计取值时，轻集料砼也适当降低到与普通砼相同，即

=0.67

因此宜昌宝珠页岩陶粒混凝土的抗压强度、轴压强度与一般轻集料砼相接近，而且大大高于规范中设计取值。5、陶粒混凝土抗拉强度

一般采用砼立方体劈裂抗拉强度试验通过折算求混凝土的轴心抗拉强度。

陶粒混凝土劈裂抗拉强度试验结果

陶粒混凝土劈裂抗拉强度试验结果见表6。陶粒混凝土劈裂抗拉强度(表6)编号1234567891011劈拉强度(MPaa)4.143.523.423.693.243.222.762.842.892.211.67

陶粒混凝土轴心抗拉强度

根据公式=1.18折算求得陶粒混凝土轴心抗拉强度见表7。陶粒混凝土轴心抗拉强度(表7)编号1234567891011轴拉强度(MPaa)4.884.154.044.353.823.803.263.353.412.611.97抗压强度(MPaa)70.665.165.367.059.254.044.842.838.732.321.4

陶粒混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的相关关系分析

对表7陶粒混凝土轴心抗拉强度与相应抗压强度进行回归分析，得出以下关系式：

=0.265

在《轻集料混凝土应用技术规程》JGJ51--征求意见稿中，采用的混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度公式为：=0.26

本试验中，宝珠页岩陶粒混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度相关关系的回归系数为0.265，稍高于规程所采用的回归系数0.26，也就是说，宝珠页岩陶粒混凝土轴心抗强度符合一般轻集料砼的要求。6、陶粒混凝土抗折强度

陶粒混凝土抗折强度试验结果

陶粒混凝土的抗折强度试验结果见表8。陶粒混凝土抗折强度(表8)编号1234567891011抗折强度(MPaa)6.646.636.296.205.275.785.365.364.864.013.23劈拉强度(MPaa)4.143.523.423.693.243.222.762.842.892.211.67抗压强度(MPaa)70.665.165.367.059.254.044.842.838.732.321.4折压比/0.090.100.100.100.090.110.120.120.130.120.15折拉比/1.501.881.841.801.631.801.941.891.681.811.93

陶粒混凝土抗折强度与抗压强度和抗折强度与劈拉强度的相关关分析

对于宝珠陶粒混凝土，通过表8中抗折强度与抗压强度相关关系(/)的统计分析，其关系式为：

/=0.11

对表8中抗折强度与劈拉强度相关关系(/)的统计，其关系式为：

/=1.79

一般，轻集料混凝土的抗折强度试验结果尚不多见。普通砼的/为0.10-0.30，/为1.5-3.0(摘自《砼实用手册》，中国建筑科学研究院砼研究所主编)，所以，同普通砼相比，宝珠页岩陶粒混凝土的抗折强度与同强度普通砼的一致。7、陶粒砼弹性模量

陶粒砼弹性模量试验结果

陶粒混凝土的弹性模量试验结果见表9。陶粒砼弹性模量E测和E计(×104