丁 波，歐志華，奉瑞萍

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

1 研究綜述

用輕粗骨料、輕砂或普通砂、膠凝材料、外加劑和水配制而成的表觀密度不大于1 950 kg/m3的混凝土為輕骨料混凝土，其具有隔熱保溫性能好、耐火性好、抗震性能好、綜合經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。在高層建筑和結(jié)構(gòu)跨度大的建筑中，傳統(tǒng)普通混凝土由于自重大、結(jié)構(gòu)笨重，增大了施工難度和成本，因此輕骨料混凝土的發(fā)展與應(yīng)用研究具有十分重要的意義[1]。輕骨料混凝土最早來(lái)自于國(guó)外[2]，1952年美國(guó)的Chesapeake海灣橋主橋面使用了輕骨料混凝土，該橋全長(zhǎng)6 500 m；截至1986年，美國(guó)運(yùn)用輕骨料混凝土建成的橋梁已有400多座；1979年德國(guó)建成的科隆萊茵河橋，其主跨185 m和中部62 m均采用輕骨料混凝土；20世紀(jì)90年代初期，挪威、日本等國(guó)開(kāi)始展開(kāi)對(duì)輕骨料混凝土的研究，并不斷提高輕骨料混凝土的強(qiáng)度、耐久性和工作性能，且研究成果在工程中得到了較多應(yīng)用[3]。近年來(lái)，由于我國(guó)的建筑不斷向高層和大跨度方面發(fā)展，國(guó)內(nèi)許多科研工作者對(duì)輕骨料混凝土進(jìn)行了研究，如高燕等[4]采用陶粒和玻璃微珠作為輕集料制備輕質(zhì)混凝土；龍飛等[5]在頁(yè)巖陶粒輕骨料混凝土中加入硅灰以改善混凝土的流動(dòng)性、密實(shí)度和抗?jié)B性；王昭恩等[6]對(duì)不同漿體與骨料比例的陶?；炷潦軌盒螒B(tài)進(jìn)行了分析，指出水泥砂漿與陶粒的界面破壞和陶粒全截面破壞是混凝土受壓破壞的主要形態(tài)；劉喜等[7]使用多種陶粒作為粗骨料，通過(guò)摻入粉煤灰和高效減水劑提高混凝土的工作性能，結(jié)果表明，骨料的筒壓強(qiáng)度決定了輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度；張高展等[8]研究了輕集料對(duì)超高性能混凝土工作和力學(xué)性能的影響，指出提高骨料的球形度和吸水率對(duì)于提高混凝土的工作性能和強(qiáng)度十分有益。綜合來(lái)看，輕質(zhì)高強(qiáng)度的原材料在制備輕骨料混凝土中應(yīng)用十分廣泛。

顆粒最緊密堆積理論[9]（densified system with ultra-fine particles，DSP）是由丹麥的Bache教授提出的高性能水泥基材料模型。DSP理論是對(duì)連續(xù)顆粒、不同粒徑的固體材料合理堆積，使混合體系空隙率達(dá)到最低的一個(gè)理論模型。當(dāng)超細(xì)粉的粒徑為水泥粒徑的0.01～0.1時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)微填充效果，且摻入高效減水劑，可獲得最佳的流動(dòng)性能，提高混凝土的強(qiáng)度。例如，F(xiàn).Blanco等[10]對(duì)燃煤廠(chǎng)生產(chǎn)的空心球殘?jiān)M(jìn)行了研究，為獲得低表觀密度的混凝土，采用顆粒堆積理論制作了不同的混凝土試件，并建立了與其他性質(zhì)有關(guān)的不同方程；Yu Q.L.和P.Spiesz等[11-12]為研究良好保溫性能的輕質(zhì)混凝土，利用回收玻璃生產(chǎn)的輕質(zhì)材料作為減重材料，并采用MAA模型（modified Andreasen and Andersen model）對(duì)混合物進(jìn)行了優(yōu)化分級(jí)，所研究的輕骨料混凝土具有較低的導(dǎo)熱率并且擁有較高的強(qiáng)度。

一般而言，混凝土的強(qiáng)度和體內(nèi)的孔隙率有關(guān)，孔隙率越低，混凝土越密實(shí)，強(qiáng)度越高。混凝土中的孔隙一部分是由于自由水的蒸發(fā)造成的，另一部分是在攪拌混凝土過(guò)程中，攪拌機(jī)葉片卷入部分空氣進(jìn)入混凝土內(nèi)部而留下的孔[13]。因此，針對(duì)上述兩種主要原因，降低混凝土內(nèi)部孔隙率的辦法主要有減少用水量和降低水膠比。但是水膠比過(guò)低會(huì)影響混凝土的流動(dòng)性，甚至可能影響水泥水化，從而影響其強(qiáng)度；而機(jī)械式的攪拌引氣，則可通過(guò)抽真空的方式減少空氣含量，這對(duì)于消除混凝土內(nèi)較大的孔十分有益[14]。另外，在本試驗(yàn)中減水劑的摻入也有微引氣的作用，這時(shí)真空攪拌技術(shù)更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。

減輕混凝土自重和提高強(qiáng)度一直很矛盾，因此材料的選取應(yīng)遵循輕質(zhì)高強(qiáng)度的原則。選用圓形中空玻璃微珠以提高輕骨料混凝土的流動(dòng)性；選用輕質(zhì)高強(qiáng)度頁(yè)巖陶粒作為骨料，既可降低混凝土的表觀密度又可保證混凝土的強(qiáng)度；選用硅灰作為輔助膠凝材料，進(jìn)一步提高膠凝材料基體的強(qiáng)度，硅灰的作用為微填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)。本文基于顆粒最緊密堆積理論確定水泥—玻璃微珠—硅灰體系的組成和用量，采用絕對(duì)體積法計(jì)算高強(qiáng)度輕骨料混凝土的配合比，對(duì)比不同膠凝體系和骨料體系比例下的混凝土比強(qiáng)度，最終選擇比強(qiáng)度最高的一組配合比進(jìn)行真空攪拌。從DSP理論設(shè)計(jì)到真空攪拌，是在減輕混凝土表觀密度的前提下，最大程度地提高其抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

1）水泥。采用金隅P·O 42.5水泥（以下簡(jiǎn)稱(chēng)水泥），28 d水泥膠砂抗壓強(qiáng)度為61.9 MPa，其化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 水泥的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of cement %

2）玻璃微珠。購(gòu)自鞏義市元亨凈水材料廠(chǎng)，其表觀密度為560 kg/m3，400目左右，外觀白色。

3）硅灰。購(gòu)自?？嫌袡C(jī)硅有限公司，其化學(xué)組成見(jiàn)表2。

表2 硅灰的化學(xué)組成Table 2 Chemical analysis of silica fume %

4）砂。細(xì)砂（河砂），依據(jù)GBT 17431.2—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法 第二部分：輕集料試驗(yàn)方法》測(cè)得細(xì)砂的細(xì)度模數(shù)μf=1.845。

5）粗骨料。選用宜昌光大陶粒制品有限責(zé)任公司生產(chǎn)的頁(yè)巖陶粒，為800級(jí)普通頁(yè)巖陶粒，實(shí)測(cè)其堆積密度為708 kg/m3，粒徑為5～20 mm，實(shí)測(cè)1 h吸水率為6.3%。

6）減水劑。選用廣州超塑建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量為40.06%，呈黃色黏稠狀液體。

7）水。自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試塊制備

1）將所有粉體材料、細(xì)砂及頁(yè)巖陶粒按真空攪拌配合比稱(chēng)量好，其中粉體材料和細(xì)砂在塑料口袋里先混合均勻，然后倒入攪拌筒內(nèi)干攪1～2 min，再將預(yù)濕1 h的陶粒倒入，最后將減水劑和水倒入筒內(nèi)，密封攪拌機(jī)，關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)；

2）啟動(dòng)真空泵，調(diào)節(jié)真空表，將攪拌筒內(nèi)的氣壓抽至試驗(yàn)設(shè)定的真空度，達(dá)到后停止真空泵，啟動(dòng)電機(jī)，攪拌混凝土，在攪拌過(guò)程中隨時(shí)觀察真空表的變化，隨時(shí)微調(diào)閥門(mén)，使筒內(nèi)的氣壓與試驗(yàn)設(shè)定的筒內(nèi)氣壓偏差不超過(guò)±0.002 MPa；

3）真空攪拌26～30 min后，關(guān)閉攪拌機(jī)開(kāi)關(guān)，慢慢打開(kāi)進(jìn)氣閥門(mén)，恢復(fù)攪拌筒內(nèi)的氣壓至常壓；

4）打開(kāi)攪拌機(jī)，將混凝土裝模并放置在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)3～4 s，真空泵及攪拌機(jī)如圖1所示。

圖1 真空泵和攪拌機(jī)Fig.1 Vacuum pump and the mixer

2.2.2 立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試

依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》（GB/T 50080—2016）對(duì)制作的100 mm×100 mm×100 mm的立方體混凝土試塊（見(jiàn)圖2）進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

圖2 輕骨料混凝土試塊Fig.2 Lightweight aggregate concrete blocks

3 配合比設(shè)計(jì)

3.1 確定配制強(qiáng)度

依據(jù)JGJT 12—2019 《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，輕骨料混凝土的配制強(qiáng)度按式（1）計(jì)算：

式中：fcu,0為輕骨料混凝土配制強(qiáng)度，N/mm2；

fcu,k為輕骨料混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2，另取混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)值；

σ為輕骨料混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，N/mm2。

本設(shè)計(jì)中，σ=5，故fcu,0=30+1.645×5.0=38.225 MPa。

3.2 設(shè)定配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2.1 膠凝材料用量與玻璃微珠用量

初步設(shè)計(jì)水泥—玻璃微珠—硅灰體系的用量為750, 700, 600 kg/m3，水泥顆粒的平均粒徑是中空玻璃微珠的20～30倍，其復(fù)合粉體的空隙率變化如圖3所示。

圖3 中空玻璃微珠、硅灰與水泥復(fù)合粉體的空隙率變化曲線(xiàn)Fig.3 Porosity change of glass microsphere, silica fume and cement composite powder

中空玻璃微珠與水泥復(fù)合的最佳摻量是30%，而硅灰在水泥中的摻量宜為8%左右，以保證混合膠凝體系的強(qiáng)度最大[15]，以降低混合膠凝材料體系的空隙率和保證水化后漿體的抗壓強(qiáng)度，綜合確定各組分的比例。

基于顆粒最緊密堆積原理，F(xiàn)unk和Dinger提出了MAA模型公式[16]：

式（2）中：P(D)為總固體小于尺寸D的分?jǐn)?shù)；

D是固體顆粒尺寸，μm；

Dmax為最大顆粒尺寸；

Dmin為最小顆粒尺寸；

q為分布模量，其值的大小決定混合物中粗、細(xì)顆粒的比例。

Brouwers提出q為0～0.28時(shí)，顆粒緊密堆積良好；Hunger建議當(dāng)混合物中含大量細(xì)小顆粒時(shí)，q為0.22～0.25[17]。MAA模型（分布模量q分別取0.22, 0.23,0.25, 0.50）、原材料粒徑分布和混合膠凝體系分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 MAA、原材料粒徑分布和混合膠凝體系Fig.4 MAA, Particle size distribution of materials and the mixed cementitious system

由圖4可見(jiàn)，隨著q值的增大，MAA理想曲線(xiàn)在圖中越往下越遠(yuǎn)離實(shí)際混合膠凝體系曲線(xiàn)，當(dāng)q=0.50時(shí)已經(jīng)不符合設(shè)計(jì)要求，在粒徑為0.4～10 μm；q=0.22在實(shí)際曲線(xiàn)上方，而q=0.25在實(shí)際曲線(xiàn)下方，故取q=0.23是合適的。本設(shè)計(jì)中混合膠凝體系曲線(xiàn)和MAA模型在前半部分?jǐn)M合較好，后半部分?jǐn)M合較差，可能的原因是中空玻璃微珠和硅灰的粒徑均比水泥小，并未考慮比水泥粒徑大的細(xì)砂和陶粒，但在10 μm以下的部分良好地貼近MAA模型，這意味著混合膠凝體系的堆積設(shè)計(jì)良好，且不影響硬化漿體的抗壓強(qiáng)度。

依據(jù)JGJT 12—2019 《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，最大膠凝材料用量不超過(guò)550 kg/m3，最終確定的3組膠凝材料的用量如表3所示。

表3 膠凝材料的用量Table 3 Consumption amount of cementing material kg/m3

3.2.2 體積砂率

輕骨料混凝土的砂率應(yīng)用體積砂率，在本設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)絕對(duì)體積砂率，在JGJT 12—2019 《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中推薦砂率為40%～55%，通過(guò)調(diào)整砂率，使混凝土的表觀密度小于1 400 kg/m3，經(jīng)計(jì)算，砂率的最佳范圍為40%～45%，故設(shè)計(jì)中砂率設(shè)為42%。

3.2.3 粗、細(xì)集料

砂和陶粒的用量按式（3）～（6）式計(jì)算。

式中：Vs為每立方體輕骨料混凝土的細(xì)骨料絕對(duì)體積，m3；

ms為每立方體輕骨料混凝土的細(xì)骨料用量，kg；

mc為每立方體輕骨料混凝土的水泥用量，kg；

mwn為每立方體輕骨料混凝土的凈用水量，kg；

mbo為每立方體輕骨料混凝土的玻璃微珠用量，kg；

msf為每立方體輕骨料混凝土的硅灰用量，kg；

Sp為絕對(duì)體積砂率，%；

Va為每立方體輕骨料混凝土的粗骨料絕對(duì)體積，m3；

ma為每立方體輕骨料混凝土的粗骨料用量，kg；

ρc為水泥的表觀密度，取3 150 kg/m3；

ρw為水的表觀密度，取1 000 kg/m3；

ρs為細(xì)骨料的表觀密度，取2 650 kg/m3；

ρbo為玻璃微珠的表觀密度，取560 kg/m3；

ρsf為硅灰的表觀密度，取2 300 kg/m3；

ρa(bǔ)p為粗骨料的表觀密度，取1 100 kg/m3。

3.2.4 水膠比

經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)，得知水膠比為0.20時(shí)混凝土的流動(dòng)性較差，故調(diào)整水膠比為0.37左右使其具有良好的流動(dòng)性能。

3.3 配合比

經(jīng)計(jì)算后的輕骨料混凝土配合比如表4所示。表4中凈用水量為總用水量減去減水劑含水量和陶粒吸水量。同時(shí)，為使制備的輕骨料混凝土試塊在養(yǎng)護(hù)階段能更好地進(jìn)行內(nèi)部水化反應(yīng)和實(shí)現(xiàn)內(nèi)養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)前先將陶粒預(yù)濕1 h。

表4 輕骨料混凝土配合比Table 4 Lightweight aggregate concrete mix proportionk g/m3

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 膠凝體系和骨料體系比例對(duì)混凝土強(qiáng)度和表觀密度的影響

按表4中的3組配合比制備試塊LC1、LC2和LC3，然后測(cè)試其表觀密度和7 d抗壓強(qiáng)度，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 混凝土7 d強(qiáng)度和表觀密度Fig.5 7 d compressive strength and apparent density of the concrete

按3組配合比制備的混凝土7 d表觀密度分別為1 324, 1 343, 1 374 kg/m3，抗壓強(qiáng)度分別為32.1, 28.1,26.6 MPa。由圖5可以看出，隨著膠凝材料用量的減少，混凝土的表觀密度逐漸增大，但增速緩慢，抗壓強(qiáng)度逐漸較小。計(jì)算比強(qiáng)度分別為0.024 24×106,0.020 92×106, 0.019 36×106N·m/kg。

4.2 真空度對(duì)混凝土強(qiáng)度和表觀密度的影響

根據(jù)圖5所示混凝土的比強(qiáng)度，選擇比強(qiáng)度最大的一組配合比LC1，進(jìn)一步利用真空攪拌的方式以提高混凝土強(qiáng)度，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4組不同的真空度：0, -0.03, -0.06, -0.08 MPa，對(duì)比研究在不同真空度下混凝土的力學(xué)性能，所得結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度和表觀密度隨真空度的變化Fig.6 Variation of compressive strength and apparent density of concrete with vacuum at different ages

4組真空度下輕骨料混凝土的3 d表觀密度分別為1 200, 1 228, 1 277, 1 286 kg/m3；3 d抗壓強(qiáng)度分別為7.60, 8.75, 10.75, 5.60 MPa。當(dāng)真空度從0減小到-0.08 MPa時(shí)，混凝土的表觀密度持續(xù)增大，在從0到-0.08 MPa時(shí)，約分別增長(zhǎng)2.3%, 6.4%, 7.1%，而從-0.06 MPa到-0.08 MPa時(shí)，約增長(zhǎng)了0.7%，幾乎持平；在從0到-0.08 MPa時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度約分別增長(zhǎng)了15.1%，41.4%，-26.3%，而從-0.06 MPa到-0.08 MPa時(shí)，抗壓強(qiáng)度約減少48%。

4組真空度下輕骨料混凝土的28 d表觀密度分別為1 219.9, 1 250.4, 1 306.3, 1 299.8 kg/m3；28 d 抗壓強(qiáng)度分別為35.84, 38.51, 41.62, 31.94 MPa。在從0減到-0.06 MPa時(shí)，混凝土的表觀密度約分別增長(zhǎng)2.5%，4.5%，而從-0.06 MPa減到-0.08 MPa時(shí)，約減少了0.5%，幾乎持平；在從0到-0.06 MPa時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度約分別增長(zhǎng)了7.5%，8.1%，而從-0.06 MPa到-0.08 MPa時(shí)，抗壓強(qiáng)度約減少了23%。

5 分析與討論

1）采用DSP理論設(shè)計(jì)的水泥—玻璃微珠—硅灰體系可得到密實(shí)的水泥基結(jié)構(gòu)且黏性很大，既可以提高混凝土的強(qiáng)度，又有效地抑制了輕骨料上浮，且LC1、LC2、LC3 3組配合比中，漿體體積與骨料體積比越大，混凝土的抗壓強(qiáng)度越大。

2）圖6中，當(dāng)真空度為0, -0.03, -0.06 MPa時(shí)，采用真空攪拌工藝可以明顯提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和表觀密度，原因是隨著真空度的降低，混凝土內(nèi)部由于攪拌引氣帶來(lái)的孔逐漸變少，混凝土越密實(shí)抗壓強(qiáng)度越高。

3）在真空度為-0.08 MPa時(shí)，混凝土的3 d強(qiáng)度和28 d強(qiáng)度明顯下降。從試驗(yàn)過(guò)程中試塊壓碎的界面來(lái)看，破壞界面分為從陶粒內(nèi)部貫穿破壞和沿著膠凝材料與陶粒表面破壞（即界面過(guò)渡區(qū)）兩種。頁(yè)巖陶粒的吸水率實(shí)測(cè)值為6.3%，并且在制備混凝土之前將陶粒預(yù)濕1 h，這在投料之前陶粒自身已經(jīng)在其周?chē)纬梢粚铀?。另外，?dāng)真空度為-0.08 MPa時(shí)，陶粒體內(nèi)的水分也會(huì)往外析出，增大了界面過(guò)渡區(qū)的水膠比，稱(chēng)“微區(qū)泌水效應(yīng)”[18-19]。界面過(guò)渡區(qū)如同水泥漿本體，二水石膏和鋁酸鈣的存在會(huì)生成鈣礬石和氫氧化鈣。由于高水膠比，使得陶粒周邊的結(jié)晶產(chǎn)物為較粗大且松散的鈣礬石和大塊的氫氧化鈣晶體。氫氧化鈣晶體間黏結(jié)能力差，一是由于其表面積小，相應(yīng)的范德華力弱，二是由于強(qiáng)氧化鈣形成擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，因而形成比砂漿本體更多孔隙的骨架結(jié)構(gòu)，這使得陶粒與砂漿的界面過(guò)渡區(qū)成為混凝土優(yōu)先破壞的位置。所以在真空度-0.08 MPa時(shí)，輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)明顯下降。

4）利用真空攪拌機(jī)，當(dāng)真空度為-0.03 MPa和-0.06 MPa時(shí)，輕骨料混凝土強(qiáng)度等級(jí)已經(jīng)大于LC30，且其表觀密度小于1 350 kg/m3，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度輕骨料混凝土的要求。

6 結(jié)論

多種材料復(fù)合的膠凝體系，按照顆粒最緊密堆積原理設(shè)計(jì)混凝土配合比是合理并充分利用材料，提高混凝土強(qiáng)度的方法，致密的水泥基材料在低水膠比情況下黏性很大，有利于抑制輕骨料上??；且采用真空攪拌技術(shù)可以有效地減少混凝土內(nèi)部由于攪拌引氣帶來(lái)的孔，從而改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，這對(duì)于提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性具有重要意義，且真空攪拌工藝成本很低。但是在過(guò)低的真空度下，輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度反而下降明顯，這需要進(jìn)一步從骨料的吸水性能和尋找最佳真空度展開(kāi)研究。

依據(jù)DSP理論優(yōu)化粉體材料堆積的空隙分布是提高漿體強(qiáng)度的有效方式，并且加以真空攪拌工藝會(huì)進(jìn)一步減少混凝土中的有害孔，改善孔結(jié)構(gòu)。

本試驗(yàn)綜合運(yùn)用上述兩種方法，成功地制備出表觀密度小于1 350 kg/m3，抗壓強(qiáng)度大于40 MPa的輕骨料混凝土。