卞立波，劉造軍，覃鈴玲

（1. 北京建筑大學(xué)，北京 100044；2. 舟山市普陀華通公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，浙江 舟山 316100）

根據(jù) JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》的 規(guī)定，用輕粗骨料、輕砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的干表觀密度不大于 1950kg/m3的混凝土為輕骨料混凝土[1]。輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土（HSLC）是目前世界混凝土技術(shù)的發(fā)展方向之一，它具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好、無堿骨料反應(yīng)、體積穩(wěn)定性好、保溫隔熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)[2]。

近年來，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程。美國將輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土運(yùn)用于房屋建筑如休斯頓貝殼廣場大廈，大跨度橋梁如 Napa 河橋梁等工程。日本將其運(yùn)用于寫字樓的樓板和隔墻板如橫濱亮馬大廈，鐵路橋梁如稻舟橋梁等工程。挪威則將其運(yùn)用于橋梁建設(shè)如 Stolma 橋和石油平臺搭建如 Heidrun TLP 浮體石油平臺。我國主要用于大跨度橋梁建設(shè)方面，如北京健翔橋和盧溝新橋的改造工程等；高層建筑方面，如珠海國際會議中心等[3]。

在我國，張華英[4]通過普通成型工藝配制出抗壓強(qiáng)度超過 50MPa、表觀密度 1950kg/m3的混凝土。黃昱霖[5]以低成本為目標(biāo)配制出 28d 抗壓強(qiáng)度超過 60MPa、表觀密度為 2025kg/m3的大流動度陶?；炷?。陳雪梅[6]采用高強(qiáng)再生輕骨料和玻璃微珠，利用體積法配制出了表觀密度 1520kg/m3、28d 抗壓強(qiáng)度 58.9MPa 的混凝土。

第九屆全國混凝土設(shè)計(jì)大賽要求，試配出表觀密度(1800±50)kg/m3更高強(qiáng)度的混凝土。本文試驗(yàn)初期采用以骨料相為主要承重體系，后期采用以漿體相為主要承重體系，選用頁巖陶粒和空心玻璃微珠等配制輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土，用絕對體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，多次優(yōu)化配比，最終得出工作性良好，表觀密度 1760kg/m3，強(qiáng)度72.0MPa 的輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土。

1 原材料

1.1 粗骨料

選用頁巖陶粒為粗骨料，其性能指標(biāo)見表1。

表1 頁巖陶粒的物理性能

1.2 細(xì)骨料

選用頁巖陶砂、天然砂為細(xì)骨料。頁巖陶砂的性能指標(biāo)見表2。陶砂為 3～5mm 單級配粒徑，對陶砂進(jìn)行了破碎篩分，使級配情況為Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù) 2.76，見表3。

表2 頁巖陶砂的物理性能

表3 陶砂的顆粒級配

1.3 膠凝材料

本研究所用膠凝材料見表4。

表4 膠凝材料品種

1.4 減水劑

聚羧酸減水劑，減水率為 30%。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 采用以骨料相為主要承重結(jié)構(gòu)體系的配合比設(shè)計(jì)

2.1.1 試驗(yàn)思路

使用輕骨料頁巖陶粒和陶砂作為骨料，摻加不同比例的天然砂、石。為使骨料級配良好，篩選使用粒徑5～16mm 的陶粒和天然石，并篩去針片狀顆粒；對陶砂進(jìn)行了破碎篩分，使級配情況為Ⅱ區(qū)中砂。膠凝材料中摻入硅灰以降低漿體的總體密度。同時依靠聚羧酸減水劑來降低水膠比，減少孔隙率，提高漿體強(qiáng)度。

2.1.2 配合比計(jì)算

使用絕對體積法設(shè)計(jì)配合比。設(shè)計(jì)中，參照 JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，先確定三個重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，即膠凝材料用量、水膠比和砂率，然后利用絕對體積法計(jì)算細(xì)骨料和粗骨料用量。按式 (1)至 (4) 進(jìn)行計(jì)算。

其中膠凝材料用量選為 550kg/m3，體積砂率為35%。硅灰摻量（硅灰占膠凝材料總質(zhì)量的百分率）為9%，水膠比選為0.28 或0.25，使用“絕對體積法”設(shè)計(jì)配合比，漿體密度為 1820kg/m3，28d 漿體抗壓強(qiáng)度為 55.0MPa。具體試驗(yàn)配合比表5 所示。

表5 以骨料相為承重體系的混凝土配合比.g/m3

2.1.3 結(jié)果分析

由表5 可以看出，序號 2 組配合比最優(yōu)，28 天強(qiáng)度能達(dá) 61.6MPa。由于水膠比較低，水泥漿體比重較大，試塊出現(xiàn)陶粒上浮趨勢增大，表面不易抹平的情況，這將導(dǎo)致輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土出現(xiàn)外分層現(xiàn)象。外分層作用造成陶粒和水分集中在混凝土表層，強(qiáng)度測定時試件成型面易脫落。而坍落度只有 140mm 左右的混凝土的破壞形式呈現(xiàn)均勻破壞行為，這是由于降低新拌混凝土的坍落度，降低流動性，形成塑性狀態(tài)，可明顯減少陶粒上浮現(xiàn)象，提高成型混凝土的均勻性，減少混凝土因局部密度差產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)首先破壞掉強(qiáng)度薄弱相（陶粒）。

通過調(diào)整后觀察混凝土受壓后破壞的截面，依舊發(fā)現(xiàn)混凝土被破壞時，骨料相先破壞，即骨料相為薄弱相。由于受到輕質(zhì)骨料自身強(qiáng)度的約束，混凝土的強(qiáng)度難以提高；通過增加水泥用量來提高混凝土的強(qiáng)度又會導(dǎo)致混凝土的容重上升；并且由于輕骨料易于上浮，混凝土容易離析，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降且容重和強(qiáng)度的離散性增加[7]。為實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度能繼續(xù)提高，決定增大漿骨比，采用讓漿體起到主要支撐作用，陶粒均勻填充在其中的體系來實(shí)現(xiàn)在較低密度下提高混凝土的強(qiáng)度。

其次，在拌合過程中，由于輕骨料吸水率高，導(dǎo)致成型過程中實(shí)際水膠比降低，實(shí)際用水量難以掌控。成型時多呈現(xiàn)干硬性的狀態(tài)，坍落度很低，試塊強(qiáng)度偏差大，難以符合實(shí)際工程應(yīng)用。為此，決定采用飽和面干骨料的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，即計(jì)算骨料體積所使用的密度是在飽和面干狀態(tài)下測定的。

2.2 采用以漿體相為主要承重結(jié)構(gòu)的體系的配合比設(shè)計(jì)

2.2.1 試驗(yàn)思路

混凝土的力學(xué)性能由骨料性能、硬化水泥漿體性能及骨料與水泥石的強(qiáng)度和黏結(jié)性能決定。高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的破壞形式與普通混凝土的破壞形式截然不同，普通混凝土由于骨料強(qiáng)度大于水泥石強(qiáng)度，骨料與水泥石的界面區(qū)是普通混凝土的最薄弱環(huán)節(jié)，即普通混凝土通常以界面破壞為主。而對于輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土，輕骨料強(qiáng)度往往小于水泥石的強(qiáng)度，因此輕骨料混凝土往往產(chǎn)生骨料破壞，即骨料強(qiáng)度是混凝土強(qiáng)度的決定因素[8]。

通過前期試驗(yàn)，可得出普通混凝土的以骨料為主要承重，漿體為輔助承重的體系，在輕骨料自身強(qiáng)度的限制下，強(qiáng)度在達(dá)到 60.0MPa 左右后難以再有所提升。所以提高漿體用量，讓漿體起主要承重作用，減少骨料強(qiáng)度對混凝土強(qiáng)度的限制，讓骨料起到填充與降低容重為主的作用。

2.2.2 配合比設(shè)計(jì)

經(jīng)檢測，所選用的陶粒的表觀密度為 1600kg/m3，在密度等級為 (1800±50)kg/m3的混凝土中，容易出現(xiàn)上浮的情況。為使陶粒在混凝土中分布更加均勻，我們通過改變摻合料的用量及比例，來設(shè)定合適的漿體密度。

為降低漿體密度，使用空心玻璃微珠、硅灰、粉煤灰、礦粉等質(zhì)輕的摻合料，取代部分水泥。在控制漿體密度的同時，利用粉煤灰、礦粉作為活性混合材，進(jìn)行二次水化，提高后期強(qiáng)度，避免早期收縮大、開裂等問題。

使用絕對體積法設(shè)計(jì)配合比。設(shè)計(jì)中，參照 JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，首先確定三個重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，即膠凝材料用量、水膠比和砂率，然后利用絕對體積法計(jì)算細(xì)骨料和粗骨料用量。按式(1)～(4) 進(jìn)行計(jì)算。其中膠凝材料用量選為 900kg/m3，體積砂率為 35%，水膠比選為0.2 或0.24，使用“絕對體積法”設(shè)計(jì)了配合比。漿體密度為 1460kg/m3，28d漿體立方體抗壓強(qiáng)度為 82.0MPa。

具體試驗(yàn)配合比如表6 所示。

表6 以漿體相為承重體系的混凝土配合比.g/m3

2.2.3 小結(jié)

由表6 可以得出 2 組的配比最優(yōu)，能試配出坍落度為 220 mm、擴(kuò)展度為 500mm、和易性較好、28 天強(qiáng)度達(dá) 72.0MPa 的混凝土。混凝土的表觀密度隨著高性能空心玻璃微珠摻量的增加而明顯降低，而硅灰、礦粉和粉煤灰摻量的改變對漿體表觀密度影響不明顯。隨砂率增加，混凝土強(qiáng)度降低，最佳砂率為 40%。根據(jù)陶粒表觀密度，優(yōu)化混凝土配合比，達(dá)到漿體表觀密度、陶粒表觀密度與預(yù)期混凝土等級密度的之間的協(xié)調(diào)匹配，是讓陶粒在輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土內(nèi)部均勻分布，提高輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土的工作性能和強(qiáng)度的關(guān)鍵。

3 主要結(jié)論

（1）試配輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土?xí)r，采用普通混凝土的以骨料為主要承重體系，漿體為輔助承重體系，因輕骨料自身強(qiáng)度的限制，強(qiáng)度在達(dá)到 60.0MPa 左右后難以再有所提升。

（2）根據(jù)陶粒表觀密度，優(yōu)化混凝土配合比，達(dá)到漿體表觀密度、陶粒表觀密度與預(yù)期混凝土等級密度的之間的協(xié)調(diào)匹配，是讓陶粒在輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土內(nèi)部均勻分布，提高輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土的工作性能和強(qiáng)度的關(guān)鍵。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用漿體為主，骨料為輔的承重結(jié)構(gòu)體系，在水膠比0.2、砂率0.3，漿體用量900kg/m3，漿體密度 1460kg/m3，能夠制備出表觀密度1760kg/m3、28 天強(qiáng)度 72.0MPa 的輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土。