李書明 曾志 劉競 謝永江 鄭新國

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

輕骨料混凝土是一種由輕粗骨料、輕砂或普通砂、水泥和水配制而成的混凝土。通常稱濕表觀密度小于1 950 kg/m3且28 d 抗壓強(qiáng)度大于40 MPa 混凝土為高強(qiáng)輕骨料混凝土［1］。與普通混凝土相比，輕骨料混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)、隔熱保溫、耐火抗凍等優(yōu)點(diǎn)，可減輕結(jié)構(gòu)自重、減小基礎(chǔ)荷載幾何尺寸，表現(xiàn)出良好的抗震性能［2］，其已在國內(nèi)外多個(gè)大跨橋梁、高層建筑中應(yīng)用［3-4］。

國內(nèi)關(guān)于輕骨料混凝土的研究和應(yīng)用較多，且主要集中在 LC40 級及以下［5］，對于 LC60 級及以上的高強(qiáng)度自密實(shí)輕骨料混凝土的研究相對較少。隨著我國工程建設(shè)行業(yè)的發(fā)展，在復(fù)雜環(huán)境下修建大跨橋梁、高層建筑等結(jié)構(gòu)已在所難免，如穿越艱險(xiǎn)復(fù)雜山區(qū)的川藏鐵路，根據(jù)地形地勢的需要部分工程不得不采用大跨橋梁。高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土要求同時(shí)具有高強(qiáng)度和低密度，但是通常輕骨料混凝土密度越低，強(qiáng)度也越低［6～7］。另外，高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土還要求具有較高的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，但是輕骨料混凝土流動(dòng)性越大，輕骨料上浮的風(fēng)險(xiǎn)越大，穩(wěn)定性越差，因此需要協(xié)調(diào)各項(xiàng)配制參數(shù)才能確保各種性能同時(shí)滿足要求。

通常輕骨料混凝土的強(qiáng)度與輕骨料密度有關(guān)，采用低密度的輕骨料配制高強(qiáng)度的輕骨料混凝土是技術(shù)人員追求的目標(biāo)。本文以濕表觀密度為1 900 kg/m3的LC60 級輕骨料混凝土為設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別選用堆積密度為500，600，700，800 kg/m3的頁巖陶粒作為輕骨料，通過調(diào)整水膠比控制漿體強(qiáng)度，預(yù)濕骨料確?；炷凉ぷ餍阅?，添加高分子增稠劑增加輕骨料的穩(wěn)定性，配制出LC60 級高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土，并觀察輕骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，測試其界面過渡區(qū)的顯微硬度。以期研究成果能為高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土在鐵路工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

試驗(yàn)所用水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥的主要性能參數(shù)見表1。粗骨料為頁巖陶粒和碎石，陶粒和碎石粒徑均為5～20 mm 連續(xù)級配，粗骨料主要性能參數(shù)見表2。細(xì)骨料為天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5。減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率為29%。高分子增稠劑為多糖類。礦物摻和料為超細(xì)礦粉和硅灰，其主要性能參數(shù)見表3。

根據(jù)JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》按照松散體積法配制濕表觀密度為1 900 kg/m3的輕骨料混凝土。通過調(diào)節(jié)陶粒與碎石含量配制出4種相同濕表觀密度的混凝土。通過調(diào)整減水劑含量控制混凝土的坍落擴(kuò)展度，擴(kuò)展度控制在600～650 mm，混凝土含氣量為3.0%～4.0%。輕骨料混凝土的配合比見表4。

表1 水泥主要性能參數(shù)

表2 粗骨料主要性能參數(shù)

表3 礦物摻和料主要性能參數(shù)

表4 輕骨料混凝土配合比 kg·m-3

1.2 試驗(yàn)方法

1）攪拌工藝

粗骨料未預(yù)濕時(shí)攪拌工藝為：將干粗骨料、細(xì)砂、摻和料、1/2用量的水加入攪拌機(jī)中拌和1 min，再將水泥、減水劑、剩余水加入攪拌機(jī)中拌和2 min后出機(jī)。

粗骨料預(yù)濕時(shí)攪拌工藝為：先將陶粒浸水預(yù)濕，稱取浸水前后的重量，再將預(yù)濕粗骨料與細(xì)砂、摻和料一起加入攪拌機(jī)中拌和30 s，最后將水泥、減水劑、剩余水加入攪拌機(jī)中拌和2.5 min后出機(jī)。

2）工作性能測試

坍落擴(kuò)展度、J 環(huán)障礙高度、輕骨料上浮率按照J(rèn)GJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測試；L型儀充填比按照Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土》測試；流變性能采用Brookfield公司生產(chǎn)的RS-SST型砂漿流變儀測試。

3）力學(xué)性能測試

輕骨料混凝土成型之后，在溫度（20±2）℃，濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中分別養(yǎng)護(hù)至3，7，28，56 d時(shí)進(jìn)行力學(xué)性能測試。抗壓強(qiáng)度和彈性模量按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試。

4）顯微硬度

待試件養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)取出，用切割機(jī)切割成60 mm（長）×60 mm（寬）×30 mm（高）的試樣，然后采用PG-2A型拋光機(jī)拋光，接著用1.5 W 金剛石噴霧拋光劑將試樣表面打磨平整，采用上海研潤科技公司生產(chǎn)的HMAS-D1000 維氏顯微硬度儀測試試樣的顯微硬度，見圖1。

圖1 顯微硬度測試

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 輕骨料混凝土力學(xué)性能

1）陶粒的堆積密度對抗壓強(qiáng)度的影響

不同堆積密度的陶粒配制出的不同配合比輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度及破壞形式見圖2。

圖2 不同配合比輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度及破壞形式

由圖2可以看出：①隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，各配合比輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度均逐漸增加，28 d 之后抗壓強(qiáng)度增長趨勢變緩。②不同堆積密度陶粒配制出的相同密度輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度存在較大差異。當(dāng)陶粒堆積密度較小時(shí)，輕骨料混凝土早期抗壓強(qiáng)度略高，但后期抗壓強(qiáng)度增長較緩慢；隨著陶粒堆積密度的增加，輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度早期雖有降低，但后期增長較快；當(dāng)齡期超過28 d 后，隨著陶粒堆積密度的增加，相同齡期輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)陶粒堆積密度為800 kg/m3時(shí)，輕骨料混凝土56 d 抗壓強(qiáng)度高于65 MPa，達(dá)到LC60 級高強(qiáng)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度要求。這是因?yàn)槎逊e密度越大的陶粒，其筒壓強(qiáng)度越高，造成輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度隨陶粒堆積密度增大而增大。③輕骨料混凝土破壞界面均穿越陶粒，這說明輕骨料混凝土中陶粒處是混凝土的薄弱部位，輕骨料混凝土破壞最先從此處發(fā)生。

不同配合比輕骨料混凝土的彈性模量見表5?？梢钥闯觯S著陶粒堆積密度的提高，輕骨料混凝土彈性模量有所增加。通常C60 普通混凝土彈性模量在38 GPa 左右［8］。與相同強(qiáng)度等級的普通混凝土相比，輕骨料混凝土彈性模量有所降低。因此在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用輕骨料混凝土?xí)r，須考慮彈性模量降低對預(yù)應(yīng)力損失的影響。

表5 輕骨料混凝土彈性模量

綜合考慮輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，LC60級輕骨料混凝土宜選用800LC配方。

2）水膠比對抗壓強(qiáng)度的影響

在輕骨料混凝土配制中，除輕骨料外水膠比也是影響其強(qiáng)度的重要參數(shù)。選用800LC 作為基礎(chǔ)配合比，調(diào)整水膠比。不同水膠比時(shí)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度見圖3。

圖3 不同水膠比時(shí)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖3可以看出：①隨著水膠比的增大，不同齡期輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度均逐漸降低，其中28 d 和56 d 抗壓強(qiáng)度降低尤為顯著。②當(dāng)水膠比小于0.29時(shí)，輕骨料混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度大于65 MPa，這說明配制高強(qiáng)輕骨料混凝土?xí)r應(yīng)采用較低的水膠比，LC60級高強(qiáng)輕骨料混凝土水膠比不宜超過0.29。

3）骨料預(yù)濕時(shí)間對抗壓強(qiáng)度的影響

為減少拌和后陶粒吸水對輕骨料混凝土工作性能的影響，通常采用水中浸泡的方式對陶粒進(jìn)行預(yù)濕［9］。選用800LC 作為基礎(chǔ)配合比，調(diào)整陶粒預(yù)濕時(shí)間。不同預(yù)濕時(shí)間陶粒筒壓強(qiáng)度見圖4，不同預(yù)濕時(shí)間陶粒所配制的輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度見圖5。

圖4 預(yù)濕時(shí)間對陶粒筒壓強(qiáng)度的影響

圖5 陶粒預(yù)濕時(shí)間對輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4 和圖5 可以看出，預(yù)濕時(shí)間對陶粒的筒壓強(qiáng)度和輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度具有重要影響。與未預(yù)濕和預(yù)濕24 h相比，預(yù)濕1 h時(shí)輕骨料混凝土28 d及56 d 的抗壓強(qiáng)度均最高。這主要是因?yàn)?，與未預(yù)濕陶粒相比，預(yù)濕1 h 時(shí)陶粒僅表面被濕潤，內(nèi)部仍是干燥狀態(tài)，陶粒筒壓強(qiáng)度未降低，但是預(yù)濕后能夠?yàn)楣橇吓c漿體界面處水泥水化提供水分，起到了內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，增強(qiáng)了陶粒與漿體界面過渡區(qū)的密實(shí)性，進(jìn)而提高了輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度；預(yù)濕24 h 時(shí)水浸入陶粒內(nèi)部造成陶粒筒壓強(qiáng)度降低，進(jìn)而造成輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度降低。說明通過陶粒預(yù)濕能夠改善輕骨料混凝土的工作性能，提高混凝土的強(qiáng)度，但是陶粒預(yù)濕時(shí)間不能太長。

2.2 輕骨料混凝土工作性能

1）流變性能

塑性黏度和屈服應(yīng)力是新拌混凝土的2個(gè)關(guān)鍵流變參數(shù)［10］。增稠劑通常能夠改變新拌混凝土的流變參數(shù)，進(jìn)而避免輕骨料上浮。采用與輕骨料混凝土同配比的砂漿，用流變儀測試摻入多糖類高分子增稠劑砂漿的塑性黏度和屈服應(yīng)力，結(jié)果見圖6。

圖6 增稠劑對砂漿流變性能的影響

由圖6 可以看出，多糖類高分子增稠劑對砂漿流變性能具有重要影響。摻入增稠劑后砂漿的塑性黏度有所降低，且隨著剪切速率的提高砂漿的屈服應(yīng)力逐漸增大，而未摻入增稠劑時(shí)隨著剪切速率的提高屈服應(yīng)力基本不變。摻入增稠劑后，砂漿的黏度降低對于確保輕骨料混凝土的和易性和易施工性十分有利，且隨著剪切速率的提高，屈服應(yīng)力的提升對于增加輕骨料混凝土的穩(wěn)定性，抑制輕骨料上浮具有顯著效果。摻入增稠劑后，輕骨料混凝土坍落擴(kuò)展度為620 mm時(shí)，陶粒基本無上浮，輕骨料上浮率也較未摻入增稠劑時(shí)大大降低，見圖7。

圖7 增稠劑對輕骨料上浮率的影響

2）流動(dòng)性能

選用800LC 作為基礎(chǔ)配合比，水膠比為0.28，摻入增稠劑后LC60 級輕骨料混凝土流動(dòng)性能參數(shù)見表6。

表6 LC60級輕骨料混凝土流動(dòng)性能參數(shù)

由表6 可以看出：輕骨料混凝土含氣量、坍落擴(kuò)展度、J 環(huán)障礙高差、L型儀充填比和流動(dòng)時(shí)間均適宜，各項(xiàng)參數(shù)均能夠滿足JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中相應(yīng)要求。

2.3 輕骨料混凝土微觀性能

采用顯微硬度儀測試了C60普通混凝土和配合比為800LC 的LC60 級輕骨料混凝土中骨料與漿體界面過渡區(qū)的顯微硬度。微觀形貌及其硬度見圖8。

圖8 界面過渡區(qū)微觀形貌及其顯微硬度

由圖8 可以看出：①普通混凝土中碎石與漿體界面過渡區(qū)較為疏松，沿碎石與漿體界面呈現(xiàn)一條細(xì)縫，而輕骨料混凝土中陶粒與漿體界面過渡區(qū)相對較為密實(shí)，未見明顯裂縫。②輕骨料混凝土中陶粒與漿體的界面過渡區(qū)與同強(qiáng)度等級普通混凝土中碎石與漿體界面的顯微硬度也存在較大差異。這主要是因?yàn)樘樟?nèi)預(yù)儲的水分不斷地放出來，促進(jìn)輕骨料與漿體界面處水泥充分水化，界面處更加致密，減少了輕骨料與漿體界面裂縫發(fā)生的概率，致使界面過渡區(qū)強(qiáng)度更高。

3 結(jié)論

1）陶粒堆積密度越大，其筒壓強(qiáng)度越高，配制的輕骨料混凝土28 d 后抗壓強(qiáng)度和彈性模量越大。配制LC60 級高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土宜選用800 kg/m3的頁巖陶粒。陶粒預(yù)濕時(shí)間越長，輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度越低，預(yù)濕時(shí)間宜在1 h左右。

2）隨著水膠比的降低，輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。配制LC60 級高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土的水膠比不宜高于0.29。

3）摻入高分子增稠劑會降低漿體塑性黏度，提高漿體的屈服應(yīng)力，抑制輕骨料的上浮。摻入高分子增稠劑配制的800LC 高強(qiáng)輕骨料混凝土的工作性能滿足JGJ/T 283—2012中相應(yīng)要求。

4）與相同強(qiáng)度等級的普通混凝土相比，輕骨料混凝土中界面過渡區(qū)更加密實(shí)，缺陷較少，界面過渡區(qū)顯微硬度明顯高于相同強(qiáng)度等級的普通混凝土。