高水灰比輕集料混凝土的制備與基本性能

陳 偉， 錢覺時， 劉 軍， 汪宏濤， 賈興文

（1.重慶大學材料科學與工程學院，重慶400045；2.后勤工程學院化學與材料工程系，重慶400016）

體積密度在1 000kg／m3以下的超輕混凝土具有較好的保溫性能，是建筑節能中用量較大的建筑材料，主要有加氣混凝土和泡沫混凝土.加氣混凝土由于需要蒸壓養護，主要作為砌塊或條板用于建筑工程.泡沫混凝土可以現場澆筑，但外加氣泡工藝復雜，而且豎向尺度也有所限制.采用普通陶粒、陶砂降低混凝土密度的范圍極為有限，采用膨脹聚苯乙烯（EPS）、珍珠巖等輕集料，混凝土密度雖然有較大降低，但其強度下降非常明顯.陳兵等[1]采用EPS，通過摻入硅灰和搗實方式控制EPS上浮，混凝土密度約為900kg／m3，強度可達到10MPa左右.姜德明等[2]配制的EPS混凝土，密度約為800kg／m3時其強度只有6MPa左右.馮乃謙等[3]采用引氣方法配制了全輕混凝土，其干密度為800kg／m3左右，強度只能達到4MPa.從目前報道的結果來看，即使采用特殊輕集料或者特殊工藝降低混凝土密度，但強度明顯偏低，而且，如果要滿足預拌、泵送的工作性要求，還面臨輕集料上浮和坍落度損失過大等問題.

現代混凝土技術發展的主要特征是有效降低水灰比，在獲得高工作性的同時提高混凝土強度.然而，由于輕集料強度明顯低于砂漿或者水泥漿基體，通過降低水灰比來提高混凝土強度非常有限[4].如果采用高水灰比，不僅可以降低輕集料吸水作用對混凝土工作性能的不利影響，還能減少輕集料上浮分層，另外，水分在水泥石中形成的孔隙尺寸較小，分散程度更好，在水泥石基體密度降低程度相同時，混凝土強度降低程度相對較低.

本文嘗試采用陶粒和陶砂在高水灰比下配制輕集料混凝土的可能性，研究不同水灰比、不同密度輕集料配制的輕集料混凝土工作性能和強度的變化，并對混凝土微觀結構進行分析.

1 試驗

1.1 試驗材料

采用重慶拉法基P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥；輕集料分為兩類，一類為表觀密度較小的陶粒（LC）及其破碎得到的陶砂（LP），另一類為普通陶粒（OC）和普通陶砂（OP），輕集料的基本物理性能見表1.減水劑采用聚羧酸高效減水劑，其減水率（質量分數）為31%.保水劑采用羥丙基甲基纖維素醚（HPMC），其黏度為2×105MPa·s.

表1 輕集料的基本物理性能Table 1 Main properties of lightweight aggregates

1.2 混凝土配合比

由于2種陶砂細度模數約為3.7，為使混凝土具有較好的初始流動性，在配合比中適當提高了水泥漿體的比例和砂率，水泥漿體的體積分數為40%，砂率（體積分數）為45%.采用低水灰比（mW／mC＝0.30，0.40）時，通過減水劑來調整混凝土的坍落度，采用高水灰比時，通過HPMC來控制混凝土的泌水.當水灰比分別為0.50，0.60，0.75，1.00時，HPMC的摻量（質量分數）分別為0.25%，0.35%，0.50%，0.75%.

1.3 試驗方法

混凝土抗壓強度參照GB／T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行試驗；收縮試驗參照GB／T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行，試件尺寸為100mm× 100mm×515mm.將28d齡期試件烘干后浸入水中，一定時間后取出擦拭至面干，然后稱重.混凝土拌和物的體積密度采用5L密度測試桶測量，水泥凈漿密度采用2L密度測試桶測量.采用砂漿分層度測定桶，根據文獻[5]測試混凝土的分層度（體積分數）.試件壓碎后，選取所需觀察位置的部分樣品，真空干燥后鍍金，采用菲利浦公司生產的XL－30型環境掃描電鏡（ESEM）進行形貌觀察.

2 結果與討論

2.1 高水灰比輕集料混凝土的工作性能

2.1.1 坍落度損失

當水灰比較低（mW／mC＝0.30，0.40）時，摻減水劑將混凝土的初始坍落度調整為200mm左右.圖1為輕集料混凝土的坍落度損失測試結果.

圖1顯示，低水灰比輕集料混凝土的坍落度損失非常明顯，集料越輕，其坍落度損失也越大；高水灰比時，輕集料混凝土坍落度損失相對較小，當水灰比為0.75時，2h坍落度仍能保持在200mm左右.圖1還表明，在高水灰比時，雖然輕集料吸入了比較多的水分，但在總用水量很高的情況下，水泥漿體中的剩余水分仍能保持混凝土具有較高的坍落度，因此提高水灰比，可以在不預濕輕集料的情況下，使混凝土的坍落度損失仍能滿足實際工程要求.

2.1.2 分層性

輕集料的密度越小，與水泥漿體的密度差就越大，上浮分層也越明顯.圖2為不同水灰比水泥漿體密度變化情況及其與不同輕集料的密度差.圖3為不同陶粒、陶砂的分層度測試結果.

圖1 輕集料混凝土的坍落度Fig.1 Slump loss of lightweight aggregate concrete with different mW／mC

圖2 不同水灰比的水泥漿密度以及與輕集料的密度差Fig.2 Density of cement pastes with different mW／mC and difference between cement paste and lightweight aggregate

圖3 不同水灰比輕集料混凝土中輕集料的上浮分層度Fig.3 Segregation degree of lightweight aggregate in concrete with different mW／mC

圖2顯示，水灰比為1.00時，陶粒與水泥漿體的密度差最大只有640kg／m3，陶粒吸水后密度差還會減小，這與普通混凝土中天然砂石集料（密度約2 700kg／m3）和水泥漿體的密度差基本接近，表明輕集料在水泥漿體的黏滯阻力下，不會出現明顯的上浮分層現象.圖3顯示，水灰比0.30時，陶粒上浮分層度接近45%，即有超過70%的陶粒分布在上層；水灰比1.00時，輕集料上浮分層度＜10%.可見，水灰比越低，尺寸較大、密度較低的陶粒越容易上浮.但是，隨著水灰比的提高，這種變化規律越來越不明顯.當水灰比＞0.75時，水泥漿體的密度降低幅度＞500kg／m3，這可減小輕集料與水泥漿體的密度差，從而有效降低輕集料的上浮分層.另外，在較高水灰比時，由于采用的HPMC具有增黏作用，且輕集料吸水后密度也會增加，這對降低輕集料上浮分層也有一定的作用.

2.2 高水灰比輕集料混凝土抗壓強度與密度

水灰比增加會使水泥石強度降低，但對降低混凝土密度有很大的貢獻，而且有利于輕集料混凝土工作性能的改善.圖4為不同水灰比、不同密度陶粒和陶砂輕集料混凝土抗壓強度與密度的變化情況.

從圖4可以看出，水灰比從0.25提高到0.50時，普通陶粒與陶砂搭配的輕集料混凝土抗壓強度降低并不明顯，但密度降幅較大；水灰比為0.60～0.75時，超輕陶粒和陶砂搭配的輕集料混凝土密度降幅較大，但抗壓強度降幅較小.這說明采用輕集料配制混凝土時，應適當提高水灰比，不僅可以明顯降低密度，維持較高強度，而且有利于改善輕集料混凝土的工作性能，集料越輕，水灰比提高幅度可越大.研究表明[6－8]，在集料強度較低的情況下，采用低水灰比并不能有效提高混凝土強度，而且還在一定程度上增加了混凝土密度.因此，在降低輕集料混凝土密度時，應提高水灰比.

2.3 高水灰比輕集料混凝土的收縮和吸水性能

圖5，6分別為高水灰比輕集料混凝土收縮量和吸水率隨時間的變化情況，其中700－AC，C30分別為加氣混凝土和普通混凝土.

圖4 不同水灰比輕集料混凝土28d齡期的抗壓強度與密度變化Fig.4 Variation of compressive strength and density of lightweight aggregate concrete with different mW／mCat 28d

圖5 高水灰比輕集料混凝土的收縮量Fig.5 Shrinkage of lightweight aggregate concrete with higher mW／mC

圖6 高水灰比輕集料混凝土、加氣混凝土和普通混凝土的吸水率Fig.6 Water absorption of lightweight aggregate concrete with higher mW／mC

圖5顯示，隨著水灰比的提高，輕集料混凝土的收縮量有一定程度的增加，但增加幅度較小，小于聚氨酯泡沫輕集料混凝土[9].研究表明[10]，當水灰比較高時，雖然干燥條件下會蒸發更多的自由水，但由于毛細管應力增幅較小，使輕集料混凝土收縮量的增幅度并不大.當然，高水灰比輕集料混凝土的收縮量明顯大于普通混凝土或高性能混凝土，在實際應用中仍存在較大的收縮開裂風險.從圖5還可以看出，高水灰比輕集料混凝土早期收縮量的增長速度相對較低，這可能是由于早期消耗的多是較大孔隙中的水分，毛細管收縮較小，而后期消耗的主要是較小孔隙的水分，會產生較大毛細管應力，因此收縮量的增加速度較快.早期收縮量較小有利于降低高水灰比輕集料混凝土的早期開裂風險.

圖6顯示，隨著水灰比的提高，輕集料混凝土的吸水率有所增加，但吸水總量明顯小于加氣混凝土.這可能是由于輕集料混凝土中輕集料的釉質表面對水分傳輸有一定的阻隔作用，而且輕集料內部多為封閉孔隙.

2.4 高水灰比輕集料混凝土的微觀結構

圖7為不同水灰比輕集料混凝土的SEM照片.由圖7可見，當水灰比為0.30時，水泥石結構致密；當水灰比＞0.50時，水泥石中水化產物尺寸粗大，結構疏松，孔隙增多.從圖7也可以看出，水灰比越高，生成的氫氧化鈣晶體越完整，其尺寸也越粗大，在大幅度降低輕集料混凝土密度的情況下，有利于保持其強度.圖8為不同水灰比輕集料混凝土中水泥石－輕集料界面形貌的SEM照片，其中HCP為水泥石.圖8顯示，水灰比為0.50，0.75時，水泥石與輕集料界面的水化產物致密；水灰比為1.00時，水泥石－輕集料結合仍比較緊密.研究表明[11]，輕集料中吸收的水分會在后期逐漸釋放出來，可有效提高界面的密實度；當水灰比較高時，輕集料的吸水作用還能降低界面區域的水灰比，從而減少界面區域的孔隙.

圖7 不同水灰比的輕集料混凝土中水泥石的SEM照片Fig.7 SEM photos of hardened cement paste in lightweight aggregate concrete with different mW／mC

圖8 不同水灰比輕集料混凝土中水泥石－輕集料界面的SEM照片Fig.8 SEM photos of interface between hardened cement paste and lightweight aggregate in lightweight aggregate concrete with different mW／mC

3 結論

（1）采用高水灰比配制輕集料混凝土，不僅可以顯著降低坍落度損失和輕集料上浮分層，還能在大幅度降低密度的情況下使輕集料混凝土具有較高強度.

（2）采用表觀密度為738kg／m3的陶粒及其陶砂，可配制水灰比為0.75，密度約850kg／m3，抗壓強度約14MPa的輕集料混凝土；采用表觀密度為936kg／m3陶粒和表觀密度為1 032kg／m3陶砂，可配制水灰比為0.50，密度＜1 100kg／m3，抗壓強度為25MPa的輕集料混凝土.

（3）隨著水灰比的提高，輕集料混凝土收縮量和吸水率有一定程度增加，但增幅相對較小，收縮量和吸水量也比相同密度的泡沫混凝土小.

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