超轻粗骨料淤泥陶粒基本性能研究

袁维华，王潘绣，徐　硕

(金陵科技学院建筑工程学院，江苏 南京 211169)



超轻粗骨料淤泥陶粒基本性能研究

袁维华，王潘绣，徐硕

(金陵科技学院建筑工程学院，江苏 南京 211169)

淤泥陶粒以其自身轻质、保温、环保的优点逐渐被应用于工程领域。通过对淤泥陶粒和其他轻集料的对比，研究了颗粒级配、堆积密度、吸水率、筒压强度等基本性能，得出了淤泥陶粒具有良好的颗粒级配和较轻的密度；同时，较高的空隙率和吸水率有利于提高淤泥陶粒的强度。

淤泥陶粒；超轻；基本性能

1　研究背景

陶粒是一种常见的建筑人造轻集料，以其自身轻质、保温、环保等优点备受关注，已成为黏土实心砖等非可持续发展材料的主导代替产品。2001年12月1日，由财政部、国家税务总局颁布的《关于部分资源综合利用及其他产品增值税政策问题的通知》中将“轻集料混凝土条板”列入享受税收优惠政策新型墙体材料目录，之后页岩陶粒、黏土陶粒及其砌块产品也都得到了长足发展。然而，传统陶粒是以黏土和页岩烧制而成，需要开凿大量黏土和矿山，开采过程中破坏严重，环境负担增加，背离了国家相关文件精神，同时也违背了可持续发展原则。因此，寻求一种环保新型陶粒来代替传统的黏土、页岩陶粒势在必行。

目前国内外对陶粒甚至新型陶粒都开展了大量研究。许国仁等[1]以黏土为主要原料，添加适量污泥烧制出陶粒产品，筛分并进行性能分析，该陶粒产品具有内部孔隙发达，外表坚硬，强度符合要求等优点。但是，其主要原料为黏土，大量采用将会对环境资源产生一定的不利影响。鲍腾等[2]采用凹凸棒石黏土，添加水玻璃和锯末为原料造粒，在氨气保护下煅烧制备出凹凸棒石基碳复合陶粒，并测得在一定条件下，该陶粒具有较佳的抗压强度和孔隙率，且在长时间的浸泡下仍能保持其强度，具有一定的工程意义。但是，其制作陶粒工艺较复杂，实际操作较困难，不适用于实际工程中。Xu G R等[3]通过对污泥、黏土、水玻璃进行混合配比，并加热到不同组温度进行分析，得出烧结温度对污泥陶粒的特性有明显影响。以上研究虽然对陶粒产品的烧制和应用起到一定指导作用，但由于将重点放置在黏土等陶粒上，而忽视了对新型陶粒基本性能的深入研究，故未能为新型超轻、环保陶粒的应用提供相关理论依据。因此，随着陶粒制作工艺的发展和新型陶粒产品的诞生，系统开展新型超轻陶粒基本性能研究对该类陶粒的推广应用具有十分重要的现实意义。

本文以某商品淤泥陶粒为研究对象，系统开展了淤泥陶粒的颗粒级配、粒型系数、吸水率等基本性能的实验研究，并与普通陶粒进行了细致对比，总结分析了淤泥陶粒在工程应用中的优越性和不足。研究成果可为设计和施工单位提供有效可靠的数据，有助于淤泥陶粒在实际工程中的大面积推广。

2　淤泥陶粒的基本性能

根据《轻集料及其试验方法 第2部分：轻集料试验方法(GB/T 17431.2—2010)》[4]的规定，对福州某建筑材料有限公司生产的淤泥陶粒进行形态、颗粒级配、粒型系数、堆积密度、表观密度、空隙率、吸水率及筒压强度性能测试。

2.1淤泥陶粒的形态及颗粒级配

淤泥陶粒为近似球状或椭球状，表面粗糙有气孔的固态物质，外观颜色大部分为灰黑色、暗红色，少数呈现青灰色，页岩陶粒和黏土陶粒的形状与淤泥陶粒相似，颜色更接近其原料(页岩和黏土)本身的颜色，多为暗红色和赭红色。

通过已有的筛分工具，选用31.5、20、16、10、5、2.5 mm孔径的筛网进行颗粒筛分试验，试验流程见图1。

图1　淤泥陶粒颗粒级配试验流程

经试验，测得淤泥陶粒颗粒级配分布，见图2。本文所采用的淤泥陶粒颗粒粒径为2.5～16 mm，其中90%左右的淤泥陶粒粒径为5～16 mm，粒度分布范围较宽，级配良好。工程要求：粗骨料最大粒径对普通混凝土的性能影响不大，但对高性能混凝土有一定影响，规范规定高性能混凝土粗骨料最大粒径不超过31.5 mm，通常取20～25 mm[5]。本文所用淤泥陶粒均未超过31.5 mm，通过简单筛分配比即可达到高性能混凝土的颗粒配比要求，可用于部分代替传统粗骨料浇筑高性能混凝土。

图2　淤泥陶粒累积筛余量

对比分析淤泥陶粒和黏土、页岩陶粒颗粒级配的差异(图3)，可知这三种陶粒粒径均在2.5～31.5 mm 范围之内，且主要分布在10.0～16.0 mm，三种陶粒粒径分配均接近正态分布，粒度分布范围较宽，颗粒不均匀，级配良好，可用于部分代替传统粗骨料。

图3　陶粒各粒径颗粒比例

2.2粒型系数

粒型系数是描述陶粒几何外形的一个重要指标，以陶粒颗粒的长向最大尺寸与中截面最小尺寸的比值来表示。不管是圆球型、普通型、碎石型的陶粒，都有一定的粒型系数。研究表明[6]，粒型系数对陶粒的物理力学性能有很大的影响，粒型系数越小，陶粒颗粒的比表面积越小，其受力性能越佳，颗粒级配也越好。虽然新标准[7]中对人造轻集料的粒型系数没有详细的要求(要求平均粒型系数≤2.0)，但是通过对旧标准的研究，行业对不同类型陶粒的粒型系数仍有较高的要求(表1)，其设置有利于促进产品质量的提高。

淤泥陶粒属于圆球型轻集料，通过对样品的随机采样测量分析，结果见图4。

表1　旧标准中轻粗集料粒型系数的规定

图4　淤泥陶粒的粒型系数分布

由图4可知，淤泥陶粒粒型分布较为集中，长向最大尺寸位于21～42 mm区间内，大多数分布在24～30 mm区间内；中截面最小尺寸位于10～26 mm区间内，大多数分布在15～21 mm区间内。采用式(1)和式(2)计算淤泥陶粒的平均粒型系数。

(1)

Dmax为粗集料颗粒长向最大尺寸，mm；

Dmin为粗集料颗粒中间截面的最小尺寸，mm。

(2)

式中：Kc为粗集料的平均粒型系数；

n为被测试样的颗粒数，n=50。

以两次测定值的算数平均值作为试验结果，Kc为1.54，淤泥陶粒平均粒型系数见图5。结果表明，淤泥陶粒粒型系数分布相对集中，94%分布在1.00～2.00的区间内，基本呈球形或椭球形，平均粒型系数小于1.6，属于合格品。此外，淤泥陶粒在此区间(1.00～2.00)内呈正态分布，且总体平均粒型系数较小，接近球形，比表面积较小，相对于普通型的页岩陶粒和碎石型的煤矸石陶粒[8]，受力性能更佳，粒型分布也更好。

图5　陶粒平均粒型系数分布图

2.3堆积密度

陶粒的堆积密度是工程材料重要的物理指标。通过堆积密度和表观密度得出试样的空隙率，从而粗略判断试样的质量等指标。淤泥陶粒同样属于轻集料的一种，其堆积密度要求小于1 200kg/m3，根据《轻集料及其试验方法 第2部分：轻集料试验方法(GB/T17431.2—2010)》[4]的规定方法进行淤泥堆积密度的试验。取淤泥陶粒40.96L，放入干燥箱内干燥至衡重。等分成两组，每组20.48L。用料铲将陶粒从离容器口上方50mm处均匀倒入，让陶粒自然落下，不碰撞容器筒。装满后容量筒上部分陶粒成锥体，称量质量，并应用式(3)计算陶粒的堆积密度。

(3)

式中：ρb为堆积密度，计算精确到1 kg/m3；

m1为试样和容量筒的总质量，kg；

m0为容量筒的总质量，kg；

V为容量筒的容积，L。

以两次测定值的平均值作为实验结果。实验结果见表2。本文淤泥陶粒的堆积密度为376kg/m3，小于500kg/m3，从而属于超轻集料，可用于轻质混凝土，降低其自重，可以在大跨度、桥梁、高层建筑等工程中发挥优势。

表2　淤泥陶粒的堆积密度

通过整理大量文献，研究黏土陶粒、页岩陶粒、煤矸石陶粒以及淤泥陶粒的堆积密度，结果见表3。由表3可知，这几种陶粒包括淤泥陶粒的堆积密度均在1 000kg/m3以内，属于轻集料堆积密度的要求，且页岩陶粒的堆积密度较大，淤泥陶粒的堆积密度与其他三种陶粒相比较小。淤泥陶粒的轻质性能较传统陶粒更加明显，在混凝土墙体和楼板等需要轻质混凝土的构件中，更能发挥其超轻集料的优势。

表3　常用陶粒的堆积密度

2.4表观密度

表观密度指陶粒的干重与1h饱水后体积的比值。它的影响因素主要有自身材料的吸水性能，包括吸水速率和吸水后膨胀性能，以及内部开闭孔相对数量，更与外部环境有关，包括水温、水压等。本文在20 ℃，1个标准大气压的环境中采用图6所示流程测得淤泥陶粒的表观密度(表4)。

图6　淤泥陶粒表观密度实验流程

序号烘干试样质量/g试样和水的总体积/mL再注入清水质量/g颗粒表观密度/(kg·m-3)平均值/(kg·m-3)1119.2648.6500802.22133.4662.3500821.9812.1

对比粉煤灰陶粒、页岩陶粒、煤矸石陶粒、污泥陶粒的表观密度(表5)，并结合本文实验可知，在相近的制作工艺下，这几种陶粒的表观密度均在500～1 300kg/m3之间，且页岩陶粒的表观密度相对较小，淤泥和污泥陶粒的表观密度相对较大，但相差不大，都在1 000kg/m3左右。说明试验所用淤泥陶粒其本身质量相对较大，内部封闭的孔隙相对较少，开放的孔隙相对较多，使其吸水后密度增加。同样有研究[9]表明，陶粒混凝土的强度随陶粒表观密度增大而提高，因此淤泥陶粒的高表观密度有利于其混凝土的强度，故淤泥陶粒混凝土强度将优于页岩陶粒和煤矸石陶粒。

表5　常用陶粒的表观密度

2.5空隙率

空隙率是影响陶粒密度、吸水率和强度的重要指标。结合淤泥陶粒的堆积密度和表观密度，由式(4)可得淤泥陶粒的空隙率。

(4)

式中：v为空隙率，%；

ρw为粗集料的堆积密度，kg/m3；

ρp为粗集料的表观密度，kg/m3。

本文由376kg/m3的堆积密度和812.1kg/m3的表观密度算得空隙率为53.7%。对比页岩陶粒、煤矸石陶粒的空隙率(表6)，可知页岩陶粒和煤矸石陶粒的空隙率较低，这与其原材料选取和制作的工艺有密切的关系。淤泥陶粒的空隙率在35%～50%，一半左右属于空隙。空隙越多自重越轻，更加降低其密度；同样，空隙越多，其吸水率越高。本文采用的淤泥陶粒具有较高的空隙率，保证了其与同类陶粒相比具有较轻的密度和较高的吸水率。

表6　常用陶粒的空隙率

2.6吸水率

轻集料的吸水率是其重要的性能指标。吸水率是由其浸水后的质量与烘干后的质量，经过简单计算得出，反映的是其一定时间内吸水的能力。吸水率影响其混凝土中水的含量，从而影响水灰比，混凝土的强度也受到了影响。淤泥陶粒空隙率较高，保证了其吸水率比普通集料高很多。试样浸水24h后，根据规范要求的流程(图7)进行试验测定其吸水率。由试验结果(表7)可知，本文采用的淤泥陶粒24h吸水率平均值为14.47%，吸水的质量约占饱水后总质量的12.64%。

图7　淤泥陶粒吸水率实验流程

序号浸水试样质量/g烘干试样质量/g吸水率/%平均值/%18680758014.5128440738014.3638740763014.5514.47

不同种类的陶粒内部结构和其本身的原材料不同，吸水率也有很大的差异，结合其他学者所做的试验得出的试验数据[8]，吸水率见图8。由图8可知，陶粒总体吸水率处于6.00%～20.00%之间，且各陶粒的吸水率大小差异明显。页岩陶粒和煤矸石陶粒的吸水率相对较小，淤泥陶粒的吸水率较页岩陶粒和煤矸石陶粒略大，略小于黏土陶粒和粉煤灰陶粒，说明淤泥陶粒表面孔隙和内部孔隙连通率较高，水易进入内部。陶粒的吸水率不仅影响其混凝土早期性能，同时对混凝土成型一段时间后的性能也有较大的影响。ZhuangYizhou等[14]通过对高吸水率陶粒、低吸水率陶粒、正常吸水率陶粒进行研究分析，得出内有高吸水率陶粒的轻骨料混凝土具有较低的徐变。因此，淤泥陶粒的高吸水率在其工程运用中具有相当重要的意义。

图8　陶粒24 h吸水率

2.7筒压强度

陶粒的强度是影响其混凝土强度的一大因素，强度越高，其混凝土强度也越高。目前大多数陶粒混凝土强度低于普通混凝土，其强度是制约其大范围运用的一大棘手问题。然而，陶粒本身强度较难测得，因此，通过筒压法(图9)进行强度的测定，从侧面反映出陶粒性能。

图9　测定陶粒筒压强度流程图

经过分析大量文献，确定影响陶粒的筒压强度有很多，其中最直接的影响因素是陶粒的密度(即堆积密度)。标准[7]中，对不同密度等级陶粒的筒压强度有明确的要求(不低于表8中的数值)，并且可知密度越大，筒压强度越大。因此，选取不同种类的陶粒各三个密度等级进行筒压强度试验，结果见图10。

表8　轻集料筒压强度

图10　不同密度等级下陶粒的筒压强度

由图10可得，各种陶粒的筒压强度随堆积密度等级的提升而增加，并且增加的幅度基本一致，而煤矸石陶粒筒压强度在600～700kg/m3的密度等级内上升较快，在700kg/m3密度时明显高于页岩陶粒和粉煤灰陶粒。淤泥陶粒的筒压强度略低于黏土陶粒，但满足轻集料筒压强度的规范要求，相差不太明显。与其他陶粒相比，淤泥陶粒在各个密度等级上都符合规范中筒压强度的要求，故在实际工程中有较好的发展前景。

3　结　语

本文通过上述对淤泥陶粒颗粒级配、堆积密度、吸水率、筒压强度等进行的大量试验，和与黏土陶粒、页岩陶粒、煤矸石陶粒、粉煤灰陶粒等进行对比分析，系统研究了淤泥陶粒与其他陶粒性能的差异，得出如下主要结果：

1)淤泥陶粒有良好的级配，主要在5～16mm之间，有利于提升混凝土的性能。

2)淤泥陶粒堆积密度为376kg/m3，低于黏土、页岩等陶粒，属于超轻集料，可用于轻质混凝土，有利于降低其自重，可以在大跨度、桥梁、高层建筑等工程中发挥优势。表观密度为812.1kg/m3，在陶粒中处于较高水平，因而有利于提升其混凝土的强度。

3)淤泥陶粒的空隙率为53.7%，吸水率为14.47%。较高的空隙率可降低陶粒自身密度，间接提升淤泥陶粒吸水率。其吸水率一般是煤矸石陶粒和粉煤灰陶粒的2倍，并且与页岩陶粒和黏土陶粒相类似，因此对混凝土的工作性能有较大影响。所以，在事先应经过充分饱水浸泡，以利于泵送混凝土。

4)在不同的密度等级下，淤泥陶粒的筒压强度不同，并随密度等级上升而上升，400kg/m3时为1.1MPa，500kg/m3时为1.55MPa，600kg/m3时为2.05MPa。与其他陶粒相比，淤泥陶粒在各个密度等级上都符合规范中筒压强度的要求，在实际工程中有较好的发展前景。

淤泥陶粒具有良好级配、超轻质、低堆积密度、高表观密度、高空隙率和高吸水率等优点，同时生产成本较低，在资源和能源消耗方面贡献突出，因此可以取代黏土陶粒和页岩陶粒成为工程使用轻集料。当然，依照目前的制作技术和施工工艺，淤泥陶粒仍存在施工中普遍的上浮问题，并且其混凝土强度也不容乐观，因此，今后需要对这些问题进行进一步的研究。

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Analysis on the Fundamental Characteristics of the UltraLight Coarse Aggregates Sludge Ceramsites

YUAN Weihua, WANG Panxiu, XU Shuo

1008-3707(2016)01-0043-06

2015-09-17

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划(201513573049X),金陵科技学院科研基金(2014-jit-n-04)

袁维华(1993—)，男，浙江湖州人，本科在读。

TU528.2

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