高強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)

王 慧

自密實(shí)輕骨料混凝土(SCLC)是將普通自密實(shí)混凝土(SCC)的骨料用輕骨料代替而得到的一種高性能混凝土，兼有自密實(shí)混凝土和輕骨料混凝土的特性，在自身重力作用下不需要振搗即可在狹窄或密集鋼筋結(jié)構(gòu)里填充成型，且不發(fā)生離析。

SCLC配合比設(shè)計(jì)與普通輕骨料混凝土及普通自密實(shí)混凝土不同，配合比設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于既要滿足拌和物具有足夠的流動(dòng)性以保證能夠自密實(shí)成型，又要滿足拌和物具有足夠的粘性，防止在大流動(dòng)性條件下，輕骨料因自重小而上浮、漂移，對自密實(shí)混凝土，膠凝基體的屈服應(yīng)力τy越大、骨料與基體的密度差Δρ越小、骨料顆粒越小，則骨料顆粒越不容易出現(xiàn)下沉或者上浮的分離現(xiàn)象。

1 配合比設(shè)計(jì)原理

目前自密實(shí)混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法主要有固定砂石體積法[1，2]，全計(jì)算法[3]，經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)法[4]，試驗(yàn)優(yōu)選法[5]及骨料最大密實(shí)體積方法[6]等。本文結(jié)合日本預(yù)拌混凝土協(xié)會推薦的普通自密實(shí)混凝土固定砂石體積法與陳建奎提出的全計(jì)算法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，基本思路是先確定粗細(xì)骨料的體積，提出自密實(shí)混凝土中粗骨料的堆積體積系數(shù)(骨料體積/混凝土體積)為 0.5～0.53，以此確定粗骨料和砂漿的體積;提出砂漿中砂體積系數(shù)為 0.41～0.43，以確定砂的用量。

本文在作自密實(shí)輕骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)先確定粗骨料的體積系數(shù)α=0.5及砂體積系數(shù)β=0.41，則輕骨料用量為:

砂用量為:

其中，ρLca，ρca分別為輕骨料的堆積密度和表觀密度;ρfa為砂的表觀密度。

水膠比按傳統(tǒng)水膠比定則計(jì)算:

其中，M(w)為水的質(zhì)量;M(c+f)為粉煤灰和水泥總的質(zhì)量; fcu，p為自密實(shí)輕骨料混凝土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度;fce為水泥的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度;A，B均為回歸系數(shù)，對于碎石型骨料取A=0.48，B=0.52。

根據(jù)全計(jì)算法的體積累加原則，得到水的體積如式(4):

其中，Vcp為漿體體積;Va為空氣體積;φ為粉煤灰取代水泥的取代率;ρc，ρf分別為水泥和粉煤灰的密度。

考慮輕骨料的吸水性能，輕骨料的附加吸水量為:

其中，e為輕骨料的24 h吸水率。

總的用水量:

水泥的用量為:

粉煤灰用量為:

高效減水劑的用量根據(jù)減水劑出廠參數(shù)，摻量為膠凝材料用量的 1%～2%，具體用量根據(jù)工作性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)材料及配合比

水泥采用普通硅酸鹽42.5R水泥，其物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表1;低堿活性的中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，堆積密度1 600 kg/m3，表觀密度2 650 kg/m3;西卡公司ViscoCrete 3350減水劑，減水率可達(dá)37%;普通自來水，密度為 1 000 kg/m3;粉煤灰采用原狀Ⅰ級粉煤灰，燒失量2.5%，表觀密度2.3g/cm3;輕骨料采用碎石型高性能輕骨料，為 800級陶粒，測得其性能指標(biāo)見表 2。

表1 實(shí)驗(yàn)用水泥的物理性能

表2 頁巖陶粒的主要性能

SCLC60自密實(shí)輕骨料混凝土中所有材料的用量按以上公式計(jì)算出后，再經(jīng)過多次試配如表 3所示。

表3 SCLC 60自密實(shí)混凝土配合比 kg/m3

3 工作性能試驗(yàn)

自密實(shí)混凝土的工作性能分為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和靜態(tài)穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是指自密實(shí)混凝土在攪拌、運(yùn)輸包括澆筑過程中所表現(xiàn)出來的性能;靜態(tài)穩(wěn)定性指混凝土澆筑完成至初凝前靜止?fàn)顟B(tài)下的性質(zhì)。

3.1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性

用SCLC60流動(dòng)擴(kuò)展直徑擴(kuò)展到500mm的時(shí)間T500和流過V形漏斗的時(shí)間TV來評價(jià)SCLC60的粘聚性和流動(dòng)性，用SCLC60通過L槽后兩邊的高度比值h2/h1和通過 U形槽后兩邊的高度差Δh來檢驗(yàn)SCLC60的流動(dòng)性和通過能力。流動(dòng)擴(kuò)展度隨時(shí)間變化見表4。結(jié)果表明:配制的SCLC60有很高的流動(dòng)擴(kuò)展能力。隨著時(shí)間的增長，T500的時(shí)間有所增加、擴(kuò)展直徑減小，但仍具有較高的自密實(shí)性能。

表4 流動(dòng)擴(kuò)展度隨時(shí)間變化表

SCLC60通過V形漏斗的時(shí)間為16.3 s;SCLC60通過L槽后，兩邊的高度比h2/h1=0.95;SCLC 60通過U形槽后，U形槽兩邊的高度差為 5mm，以上指標(biāo)均滿足自密實(shí)混凝土的要求。

3.2 靜態(tài)穩(wěn)定性

靜態(tài)穩(wěn)定性試驗(yàn)包括濕篩分化試驗(yàn)、表面沉降試驗(yàn)和粗骨料均勻性試驗(yàn)。濕篩分法是量化混凝土抗離析性能的一種有效的方法，具體是將新拌的10 L混凝土穩(wěn)定15 min后，通過500mm高度倒入孔徑為 5 mm的沖壓方孔篩 5 kg，篩規(guī)格應(yīng)該滿足ISO 3301-2的要求，待2m in后，測量透過篩子的砂漿的質(zhì)量占總的混凝土量的百分比，比值越小越好，說明混凝土的抗離析性能好。采用這種篩分試驗(yàn)測得SCLC60篩分分離系數(shù)分別為5.9%。

表面沉降試驗(yàn)主要試驗(yàn)指標(biāo)是測量試驗(yàn)裝置頂部表面混凝土在塑性階段的沉降量，目的是評價(jià)自密實(shí)輕骨料混凝土體積穩(wěn)定性。用直徑為200mm、高700mm的PVC管，頂部采用LVDT連接一個(gè)聚丙烯樹脂板，以此來量測混凝土高度的變化，通過表面沉降試驗(yàn)測得的SCLC60自密實(shí)輕骨料混凝土5 h后的最大表面沉降率為0.16%，滿足Joseph Assaad建議的自密實(shí)混凝土最大表面沉降小于 0.5%的要求，說明具有良好的體積穩(wěn)定性。

檢驗(yàn)粗骨料分布均勻度通常采用粗骨料柱分層試驗(yàn)。將直徑為200mm，高度為660mm的鋼管沿高度方向分為4段165mm高的鋼管。將輕骨料混凝土在鋼管中放置30m in，待骨料分布穩(wěn)定后取下每一段裝置，用直徑5mm的篩子篩出粗骨料，待飽和面干后稱量每層粗骨料質(zhì)量，用每層骨料占總骨料質(zhì)量的比率及其變異系數(shù)作為評價(jià)輕骨料分布均勻性的標(biāo)準(zhǔn)，該變異系數(shù)稱為骨料分離系數(shù)Iseg。采用這種粗骨料分層試驗(yàn)，測得SCLC 60分離系數(shù)為4.5%;SCLC60粗骨料分布率最大值為26%，最小值24.5%，說明自密實(shí)輕骨料混凝土并沒有出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。

4 結(jié)語

從以上SCLC60的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)穩(wěn)定性試驗(yàn)指標(biāo)來看，所配制的SCLC 60具有良好的流動(dòng)性、變形性和對鋼筋的通過能力，滿足自密實(shí)混凝土工作性能的要求。

[1] 吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社，1999.

[2] Japanese Ready-Mixed Concrete Association.Manual of producinghigh fluidity(Self-Compacting)concrete[M].Tokyo:Japanese Ready-Mixed Concrete Association，1998.

[3] 陳建奎，王棟民.高性能混凝土(HPC)配合比設(shè)計(jì)新法——全計(jì)算法[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000，28(2):194-198.

[4] 俞然剛，陳金平，肖光輝.自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)及其正交試驗(yàn)[J].工業(yè)建筑，2005，35(S1):691-694.

[5] 何廷樹，王振軍.自密實(shí)輕骨料混凝土工作性能研究[J].西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，24(4):422-425.

[6] Caijun Shi，Xiaohong Yang.Design and application of self-consolidating lightweight concretes[A].Edited by Zhiwu Yu，Caijun Shi et al.1st International Symposium on Design，Performance and Use of Self-Consolidating Concrete[C].Bagneux: RILEM Publications S.A.R.L.，2005:55-65.