王佳敏，張凱峰，路飛，王曉峰，陳良

（中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710063）

在各種類型的混凝土中，輕集料混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)及良好的保溫隔熱性能和抗震性等特點(diǎn)，越來(lái)越多的研究者開始著重研究其配合比和其在工程上的特性[1,2]。美國(guó)和日本是世界上研究輕集料混凝土較早的國(guó)家，生產(chǎn)的輕集料強(qiáng)度高、密度小、質(zhì)量較好且具有低吸水率[3-5]。國(guó)內(nèi)輕集料混凝土起步較晚，雖發(fā)展較快，也成功將輕集料混凝土應(yīng)用于超高層建筑和橋梁中，但研究不夠全面[6]。因此開展輕集料混凝土配合比和其高強(qiáng)泵送的研究，對(duì)提高輕集料混凝土在土木工程中的廣泛應(yīng)用具有重要的意義[7]。

1 輕集料混凝土的配合比

輕集料混凝土以其優(yōu)異的性能逐漸被應(yīng)用于超高層建筑中，然而由于輕集料本身的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致其配制較普通混凝土困難。只有充分考慮不同顆粒間的相互作用、不同尺寸范圍孔隙間的填充方法、混凝土界面和過渡區(qū)的相互作用，繼而建立起多尺寸范圍顆粒堆積體的科學(xué)模型和分析方法后，才能真正用于輕集料混凝土的配合比設(shè)計(jì)和孔結(jié)構(gòu)分析。

胡曙光[8]、王發(fā)洲[9]等人總結(jié)了兩種輕集料混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法——絕對(duì)體積法和松散體積法。松散堆積體積法通過標(biāo)準(zhǔn)中提供的粗、細(xì)集料總的松散堆積體積參考值來(lái)確定集料的用量；而絕對(duì)體積法則是利用混凝土的體積減去水泥漿所占體積后，結(jié)合所選擇的砂率計(jì)算出粗、細(xì)集料的體積用量。這兩種方法的重點(diǎn)只是關(guān)心水泥的用量和水灰比的研究，無(wú)法判斷輕粗集料的多項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)輕集料混凝土強(qiáng)度是否有影響，無(wú)法判斷配合比的砂率是否合理，且設(shè)計(jì)方法參數(shù)較多，不易被掌握。

輕粗集料的用量及自身性能是影響輕集料混凝土的重要因素之一。崔寧[10]等人在總結(jié)絕對(duì)體積法和松散體積法的優(yōu)缺點(diǎn)后，提出富余填充配合比設(shè)計(jì)理論。根據(jù)輕集料自身的性能指標(biāo)，通過調(diào)整輕集料的用量控制混凝土的強(qiáng)度。他們?cè)诨炷林猩皾{密度配合比的基礎(chǔ)之上，用砂漿的影響合理替代砂率、水泥用量以及水灰比對(duì)輕集料混凝土性能的影響。結(jié)果表明：富余填充配合比設(shè)計(jì)方法是可行和更易掌握的，它更能反映出輕集料性能、用量等的變化對(duì)輕集料混凝土性能的影響，并且為研究輕集料中各種原材料的變化對(duì)輕集料混凝土性能的影響提供了便利的途徑以及理論依據(jù)。但是，這種方法沒有全面考慮砂漿的顆粒尺寸。

為了更進(jìn)一步研究其配合比，綜合考慮了不同顆粒間的相互作用，不同尺寸范圍孔隙間的填充方法后，顧馨允[11]等人采用 PFC3D 軟件模擬顆粒堆積體，計(jì)算其孔隙率。結(jié)果表明：具有相對(duì)低的孔隙率一般為符合Fuller 粒徑分布曲線的顆粒堆積體，且顆粒的形狀對(duì)堆積體系的孔隙率有很大的影響。

2 輕集料配合比的影響因素

2.1 礦物摻合料

隨著技術(shù)的發(fā)展，水泥熟料在輕集料混凝土中所占的平均百分比從 2003 年的 85% 下降 2010 年的 77%，預(yù)計(jì)未來(lái)將進(jìn)一步降至 71%[12]，現(xiàn)代混凝土已經(jīng)不再單獨(dú)使用硅酸鹽水泥，而是將硅酸鹽水泥和多種礦物摻合料復(fù)合在一起組成復(fù)合膠凝材料。在美國(guó)，目前有超過60% 的預(yù)拌混合物含有膠凝材料[13]。在國(guó)內(nèi)，以磨細(xì)礦渣粉、粉煤灰、硅灰、偏高嶺土等為原料，經(jīng)激發(fā)劑激發(fā)形成的膠凝材料不僅可以改善混凝土的強(qiáng)度、耐久性和抗?jié)B性，同時(shí)還可以降低混凝土的成本，節(jié)約能源，改善環(huán)境，并可預(yù)防鋼筋銹蝕和堿—骨料反應(yīng)[14-18]。

礦物摻合料的反應(yīng)活性直接影響了混凝土的強(qiáng)度、力學(xué)性能和耐久性能。馬驍[19]等人通過對(duì)比礦渣、高嶺土、粉煤灰的活性，發(fā)現(xiàn)礦渣被激發(fā)后的活性最強(qiáng)，高嶺土其次，粉煤灰的活性最低。在水泥—粉煤灰體系中，水泥本身的膠結(jié)能力和粉煤灰的活化生成的膠凝性水化產(chǎn)物會(huì)提高輕集料混凝土的強(qiáng)度。

當(dāng)?shù)V物摻合料的含量過大時(shí)，因?yàn)閾饺氲牡V粉密度大于水泥的密度，使得混凝土的密度增大，性能降低。張亞濤[20]發(fā)現(xiàn)砂漿和混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰的摻量增大，出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，在粉煤灰摻量20% 時(shí)具有最大抗壓強(qiáng)度。張樹忠[17]等人將礦物摻合料硅灰和陶粒添加入輕集料混凝土中，在增大混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，小密度的硅灰會(huì)代替部分水泥來(lái)減輕輕集料混凝土的密度，達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的效果，且具有優(yōu)異的保溫性能。錢慧麗[21]、張旭賢[22]和王彥君[23]等人將粉煤灰加入到輕集料混凝土中，發(fā)現(xiàn)由于粉煤灰良好的潤(rùn)滑作用，填充骨料間的間隙，同時(shí)改變輕集料混凝土的坍落度、可塑性和粘聚性。

此外，Juenger[24]也從氯離子滲透性、硫酸鹽腐蝕等方面總結(jié)了近年來(lái)有關(guān)偏高嶺土、粉煤灰、礦渣、稻殼灰等礦物摻合料對(duì)混凝土耐久性的影響?？諝庵写嬖诘牧蛩岣x子和氯離子會(huì)侵蝕混凝土，大大降低混凝土使用的安全性。在硫酸根離子和氯離子共同侵蝕輕集料混凝土?xí)r，硫酸鹽和氯鹽的存在對(duì)輕集料混凝土侵蝕破壞會(huì)相互影響[25]。

2.2 外加劑的影響

輕集料混凝土的外加劑對(duì)其性能的改進(jìn)有著非常重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，合理的外加劑加入，可以大大改善混凝土性能，提高效率，節(jié)約資源[26]。

劉登宇[27]等人證明，加入的減水劑可以大大提高混凝土的流動(dòng)性，進(jìn)而改善輕集料混凝土的泵送性能。

Kim[28]等人在已有的減水劑的基礎(chǔ)上，將物理發(fā)泡劑和化學(xué)發(fā)泡劑加入輕集料混凝土的拌合物中，制備出的輕集料混凝土具有優(yōu)異的特性，包括非常高的可加工性、低密度和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。與傳統(tǒng)的輕骨料混凝土相比，這種材料具有更高的強(qiáng)度和隔熱性。肖力光[29]等人發(fā)現(xiàn)摻入適量的泡沫劑可以使火山渣輕集料混凝土的和易性得到改善，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度升高；當(dāng)摻入0.1‰ 的泡沫劑時(shí)，輕集料混凝土的抗?jié)B性和抗凍性變好，吸水率下降。

2.3 體積砂率的影響

在配合比一定的條件下，砂率的變動(dòng)會(huì)影響混凝土的工程性，對(duì)其強(qiáng)度也有一定的影響，且目前專門研究砂率的文獻(xiàn)很少。

時(shí)建剛[30]等人研究發(fā)現(xiàn)如果要保持輕集料混凝土的流動(dòng)性和勻質(zhì)性，輕集料混凝土的體積砂率應(yīng)為 40%左右。張明聚[31]等人研究證明當(dāng)體積砂率為 47% 時(shí)，可制備出具有輕質(zhì)、微膨脹和自密實(shí)性能的高強(qiáng)填充輕集料混凝土。

2.4 筒壓強(qiáng)度的影響

筒壓強(qiáng)度是反應(yīng)輕集料力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。與同等強(qiáng)度的普通混凝土相比，輕集料混凝土雖然優(yōu)點(diǎn)很多，但較高的脆性和較低的機(jī)械性能使其無(wú)法在建筑工業(yè)中廣泛使用，這嚴(yán)重制約了高強(qiáng)輕集料混凝土的進(jìn)一步發(fā)展。研究表明，在輕集料中添加纖維可以適當(dāng)?shù)慕鉀Q這些問題[32]。

據(jù)報(bào)道混凝土中鋼纖維摻量從 1% 增加到 1.5%時(shí)，可將抗拉強(qiáng)度提高至 100%，抗彎強(qiáng)度從 100% 提高至 150%～200%，抗壓強(qiáng)度從 10% 增加至 25%。纖維在混凝土中引起均勻的應(yīng)力分布，從而更好地利用高強(qiáng)度基體。此外，添加鋼纖維可提高沖擊強(qiáng)度和韌性，并將混凝土從脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)楦哐诱剐缘牟牧蟍33,34]。

劉增晨[35]等人發(fā)現(xiàn)在輕集料混凝土里摻加一定量的聚丙烯纖維和橡膠微?？梢杂行У亟档洼p集料混凝土的脆性，提高混凝土的韌性。一般條件下輕集料混凝土的密度也與其強(qiáng)度相關(guān)，一般輕集料混凝土的堆積密度越高，其強(qiáng)度也就越大。胡忠楠[36]等人發(fā)現(xiàn)加入的聚丙烯纖維摻量達(dá)到 1.2kg/m3后，可顯著改善次輕混凝土的干燥收縮和吸水率，同時(shí)聚丙烯纖維對(duì)輕集料混凝土的強(qiáng)度具有顯著的效果。

3 輕集料混凝土配合比的調(diào)整及泵送施工中工藝的控制

因輕集料混凝土自重輕，常常用來(lái)以減輕高層、超高層、大跨度建筑的自重。在調(diào)配輕集料混凝土及在泵送施工的過程中，應(yīng)注意以下問題：

（1）控制輕集料混凝土的配合比，嚴(yán)格控制水的含量，同時(shí)應(yīng)對(duì)砂的含水率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。一般在水泥強(qiáng)度確定的條件下，輕集料混凝土的水灰比越小，其強(qiáng)度越高。同時(shí)應(yīng)大力提倡固體廢棄物的再利用，將石材尾礦、建筑垃圾應(yīng)用到輕骨料混凝土中，有效地緩解環(huán)境壓力。如專利 CN109053109A 提供一種高強(qiáng)輕骨料混凝土的制備方法，將石材尾礦、建筑垃圾、城市污泥和陶瓷廢渣添加到凝膠材料和骨料中，在大大改善混凝土的力學(xué)性能和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，為固態(tài)廢棄物再利用提供了新途徑[37]。

（2）應(yīng)對(duì)輕粗集料配合比的各種含量準(zhǔn)確計(jì)量。施工開始后應(yīng)嚴(yán)格控制物料比例與加料順序，注意外加劑必須與水泥或粉煤灰同時(shí)加入，減水劑的摻入必須嚴(yán)格控制。

（3）正常泵送時(shí)，必須保證混凝土澆筑施工的連續(xù)性，設(shè)計(jì)合理的施工工序，防止因施工時(shí)間過長(zhǎng)引起的堵泵。如專利 CN105888254A 提供一種輕集料混凝土高層泵送施工方法，在根據(jù)設(shè)計(jì)要求配制好輕集料混凝土后，采用兩種不同的泵車進(jìn)行兩種不同規(guī)格的輕集料混凝土的泵送施工，從而完成整個(gè)高層建筑的輕集料混凝土的泵送施工[38]。

4 展望

輕集料混凝土作為一種可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑材料，在現(xiàn)代的超高層、大跨度建筑中起著不可忽視的重要作用。以往的研究者主要集中在輕集料混凝土配合比設(shè)計(jì)方面，缺乏輕集料及輕集料混凝土性能系統(tǒng)的研究。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)輕集料混凝土以下方面的研究與探討：首先，對(duì)配合比影響因素研究，尤其是對(duì)混凝土抗硫酸根離子侵蝕、抗氯離子侵蝕的方法等方面的研究。再者，對(duì)泵送輕集料混凝土不同時(shí)間段及其泵送中隨高度變化其性能變化的研究。第三，應(yīng)加強(qiáng)輕集料混凝土泵送外加劑的研究。第四，應(yīng)大大提高固體廢棄物的再利用，石材尾礦、合金尾礦、建筑垃圾、城市污泥合理的加入，不僅提高環(huán)保效率，也使得超高層泵送輕集料混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景。