自密實高性能輕骨料混凝土的研究

吳　濤，岳志豪，王　潔，劉　喜

(長安大學建筑工程學院，西安　710061)

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自密實高性能輕骨料混凝土的研究

吳濤，岳志豪，王潔，劉喜

(長安大學建筑工程學院，西安710061)

自密實輕骨料混凝土兼有自密實混凝土和輕骨料混凝土特性，應用前景廣闊。針對其工作性能和力學性能，系統介紹了國內外已有研究成果，采用不同水膠比、礦物摻合料進行了強度等級為LC50的配合比方案研究，對抗壓強度、坍落擴展度試驗、V型漏斗試驗、L型槽試驗及U型槽試驗結果進行了研究。研究表明：在水膠比為0.3，體積砂率為49%，Ⅰ級粉煤灰、硅灰的替代率(占水泥質量百分比)分別為30%、4%，聚羧酸高性能減水劑為膠凝材料質量的1.1%條件下，能夠滿足強度等級為C50的自密實高性能輕骨料混凝土的要求，工作性能良好，為實際工程提供了應用基礎與理論依據。

高性能輕骨料混凝土； 自密實； 配合比； 工作性能

1　引　言

自密實輕骨料混凝土(SCLC)是在自密實混凝土(SCC)和輕骨料混凝土(LWAC)的基礎上發展起來的一種新型高性能混凝土[1]，兼具二者的優勢，依靠自身重力無需外力振搗便可自動填充成型，減輕構件自重、降低結構地震效應，提高抗凍抗滲，保溫隔熱及耐久性能。國內外學者針對其配合比設計、工作性能、力學性能及耐久性等方面進行了大量試驗研究與理論分析，本文在對自密實高性能輕骨料混凝土的最新研究進展的討論基礎上，通過試驗來優化配合比中各參數的含量，獲得了具有良好力學性能及工作性能的自密實高性能輕骨料混凝土，為工程實踐提供了理論依據。

2　自密實輕骨料混凝土研究概況

目前，國內外學者在自密實輕骨料混凝土的配合比設計、工作性能、力學性能及耐久性等方面開展了研究，具體見表1。

表1　試驗研究進展

續表

注：(1)dmax：輕骨料最大直徑。密度：第一行為輕骨料表觀密度值，()內為其堆積密度值。

(2)FA:粉煤灰。S：礦渣。GP：玻璃粉。LF：石灰石。SP：超塑化劑。VMA：粘度改性劑。HRWR：高性能減水劑。AE：增氣劑。STBLZR：穩定劑。SF：流動擴展度。

(3)T500：流動擴展度試驗時，混凝土流動半徑到達500 mm時的時間。tV：混凝土在V型漏斗中流完時間。U-box：試驗中兩側混凝土的高度差。L-box：試驗中兩端混凝土高度的比值。T400：L型槽試驗中，混凝土流動到距離流下端400 mm時的時間。Orimet：混凝土穿過設備的時間。J-ring：流動擴張度試驗時，通過J環時與不通過J環時的擴展度差值。Iseg：分層筒試驗時，混凝土中輕骨料的離析指標值。規范要求：550 mm≤SF≤850 mm，3 s≤tV≤25 s，L-box≥0.8，2 s≤T500≤5 s，U-box≤30 mm，J-ring≤10 mm

2.1配合比設計

粗骨料的種類在配合比設計中至關重要，常用的有膨脹頁巖、黏土陶粒，浮石等，外加物主要有粉煤灰、礦渣、硅灰及高性能減水劑。通過改變水膠比及不同外加物的摻量，來進行配合比的設計。 Yanai[2]等人研究了不同類別的輕骨料(不同密度的人造珍珠巖及粉煤灰輕骨料)、不同水膠比對自密實輕骨料混凝土強度、自密實性能及耐久性(凍融條件下)的影響。當采用密度等級較高的輕骨料時，通過調整輕骨料的用量及選擇正確的水膠比，可以使SCLC獲得良好的流動性能、自動填充能力、抗離析性能及較高的抗壓強度。Müller和Haist[3]的試驗以人造膨脹粘土陶粒為粗骨料，設計了密度等級在1500～2000 kg/m3之間的SCLC，同時用膨脹黏土和粉煤灰來代替部分砂子質量，得到了密度等級更低的SCLC。

2.2工作性能

自密實輕骨料混凝土的工作性能主要是指其自動填充及通過鋼筋密集區而不發生堵塞的能力，國內外一般采用V型漏斗試驗、流動擴展度試驗、L型槽試驗及U型槽試驗來對其進行評價。

Mechtcherine[4]等人以膨脹頁巖、黏土陶粒為粗骨料，普通河沙和輕砂(膨脹黏土砂和磨細礦渣)為細骨料，基于SCLC混合物工作性能的變化過程，共設計了五種不同配合比的密度在1440～1880 kg/m3之間的自密實輕骨料混凝土，為防止其表面的大孔隙在反應中吸取額外的水，輕骨料提前預濕。研究了不同水膠比對凈漿(膠凝材料+粉體+水+高效減水劑)和砂漿(凈漿+砂子+增稠劑)流變性能(屈服強度和粘度系數)的影響，同時研究了凈漿在砂漿中的含量對SCLC混合物流變性能的影響。結果表明：自密實輕骨料混凝土的流動擴展度與普通自密實混凝土的流動擴展度相同，但是T500和V型漏斗試驗值卻遠遠大于自密實混凝土的平均值。

Choi[5]等人重點研究了不同比例分數的人造粗、細輕骨料(流紋巖)分別代替普通粗、細骨料時，自密實輕骨料混凝土流變性能的變化過程。發現自密實輕骨料混凝土的流動擴展度和T500試驗值都滿足自密實混凝土規范要求，但是當砂子全部采用輕砂時，V型漏斗試驗值及U型槽試驗值不滿足日本規范中的標準值。這一發現驗證了Yanai等人在1999年提出的當骨料和凈漿的密度差增加時，SCLC的流變性能會降低的結論。

Müller和Haist[3]在試驗中著重強調了粉體和砂漿的流變性能模型對于發展高質量的自密實輕骨料混凝土的重要性，指出只是單純的減小砂漿和輕骨料之間的密度差并不能完全保證SCLC良好的自密實性能，并認為粉體和砂漿的流變性能應以優化整體混合物的流變性能為目的，即要求混合物的屈服強度和粘性系數既能保證其高流動性、排氣性又可以阻止骨料上浮和集中堵塞。

Lo[6]等人在試驗中保證普通自密實混凝土(NWSCC)和自密實輕骨料混凝土(SCLC)具有相同的抗壓強度和總的膠凝材料(水泥+粉煤灰)質量，其中SCLC有更高的水泥含量和更低的水膠比，系統比較了這兩種混凝土之間工作性能的不同。結果發現SCLC的密度比NWSCC的密度低約25%；抗壓強度相等時，自密實輕骨料混凝土可以獲得和普通自密實混凝土相同能力的工作性能，同時SCLC的彈性模量比NWSCC低約15%。

Hubertova和Hela[7]研究了在自密實輕骨料混凝土中摻加硅灰時對其工作性能的影響。考慮到SCLC在60 min和90 min后工作性能的試驗測試結果及普通自密實混凝土與自密實輕骨料混凝土之間動能的不同，建議規范中T500試驗值由2～5 s修改為5～10 s，Orimet現場試驗值由1～5 s改為4～10 s。

Wu[8]等人對自密實輕骨料混凝土的工作性能開展了流動擴展度試驗、L型槽試驗及U型槽試驗。研究表明：各項指標值都滿足自密實混凝土規范要求，其中需要指出的是V型漏斗試驗值超過了18 s；采用濕篩法、表面沉降觀測法及體積分層法等定量分析方法，可得出自密實輕骨料混凝土擁有很高的抗離析能力。

Wang[9]研究了以不同密度等級(800～1100 kg/m3)的干淤泥作為輕骨料配制的自密實輕骨料混凝土的工作性能。結果得出不同配合比的自密實輕骨料混凝土的流動擴展度試驗值在510～580 mm之間，其它試驗值都滿足規范要求。Kim等[10]研究了半輕自密實混凝土(密度在2000～2300 kg/m3之間)的工作性能，發現隨著輕骨料密度等級的增加，混凝土混合物的流動性能得到了改善，但是其抗離析能力有一定程度的下降。

何廷樹、王振軍等[11]系統研究了粉煤灰摻量、砂率大小、減水劑含量及硅灰摻量對自密實輕骨料混凝土工作性能的影響。當粉煤灰摻量在30%左右，砂率為50%左右，硅灰摻量為膠凝材料質量的2%～6%時，SCLC可以獲得良好的工作性能。

2.3力學性能和耐久性

Shi和Wu[12]研究了在自密實輕骨料混凝土(膨脹頁巖陶粒、天然石英砂為粗、細骨料)中加入粉煤灰和玻璃粉時，其力學性能指標及耐久性。研究表明：粗、細骨料的最優比例為1∶1，試驗中選擇了3∶2的比例配制出了更小密度等級的自密實輕骨料混凝土，其力學性能指標滿足規范要求同時具有良好的耐久性。

Hwang和Hung[13]研究了不同水膠比、水泥漿含量及燒結的人造粉煤灰輕骨料對自密實輕骨料混凝土耐久性能的影響，其中膠凝材料由水泥、粉煤灰及礦渣混合而成。基于以下兩種設計方法：(1)以密度最大時混合物的物理性能最優為假定的致密配合比設計算法(DMDA)(2)ACI211.2中關于選擇輕骨料混凝土中各摻量的標準。研究表明：當水泥漿足夠多時，混合物中漿體和輕骨料的空隙體積達到最小，28d齡期后的SCLC將具有更高的結構效率、電阻性能和抗氯離子侵蝕能力。

Hubertova和Hela[7]在試驗中研究了骨料預濕后對自密實輕骨料混凝土性能的影響。骨料預濕后，SCLC可以獲得更好的工作性能、更高的抗壓強度、更優的抗凍融能力；當加入水泥質量10%的硅灰時，SCLC的28d抗壓強度值比不摻加硅灰時高出15%到30%，抗凍融能力也有了一定程度的提高。

Papanicolaou和Kaffetzakis[14]研究了粗、細骨料的比例不同時，對強度等級為LC20/22、密度等級為D1.4(歐洲規范206-1)的天然浮石自密實輕骨料混凝土流變性能和力學性能的影響。Uygunoglu等[15]研究了不同類型的天然輕骨料(浮石、火山凝灰巖、硅藻土)對SCLC力學性能的影響。研究結果表明：由硅藻土配制的SCLC流動性能最優；含有天然浮石的自密實輕骨料混凝土的抗壓強度最高，通過顯微鏡觀察其界面過渡區可以發現浮石和水泥漿體之間存在特殊的連接。

自密實高性能輕骨料混凝土的制備關鍵在于增大砂漿量的同時提高其粘性系數，采取較大的砂率來使漿體可以充分包裹骨料，添加化學外加劑(穩定劑、增稠劑等)來增加漿體的粘性保證其可以包裹骨料一起運動而不發生離析現象。由于混凝土材料的差異性，其配合比的設計需要在理論的基礎上進行多次實驗室試配，才能得出其最優的配合比參數值。

3　試　驗

3.1原材料

輕骨料采用宜昌產碎石型膨脹頁巖陶粒，其顆粒大小為5～16 mm連續級配，主要技術指標如下表2所示；水泥采用海螺牌P·O42.5水泥，實測28 d抗壓強度為49.1 MPa；粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，SiO2和AI2O3含量分別為56.8%，26.2%；外加劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%，摻量為膠凝材料總質量的1.0%；硅灰中SiO2含量為91.1%，燒失量為2.99。

表2　輕骨料的主要技術指標

3.2攪拌工藝

為了制備出工作性能良好的自密實高性能輕骨料混凝土，投料順序如下：將砂子和粗骨料一同放入強制攪拌機中拌合30 s，然后加入總水量的75%攪拌30 s，再加入水泥、粉煤灰、硅灰攪拌60 s，最后加入剩下的水和減水劑，攪拌180 s。對拌好的混凝土進行工作性能的檢測，然后將混凝土倒入強制攪拌機中攪拌120 s，最后澆筑試件[15]。

4　結果與討論

4.1配合比

采用固定砂石法[16]和全計算法[17]，外摻粉煤灰、硅灰及聚羧酸高性能減水劑，提出了三次試驗設計配合比。試驗混凝土配合比參數見下表3。

表3　試驗混凝土配合比參數

4.2力學性能及工作性能試驗結果

對設計的三種配合比的混凝土SCLC1、SCLC2和SCLC3測試其3 d、7 d和28 d抗壓強度，試件規格為100×100×100 mm立方體試塊，每組3塊，其抗壓強度值見下表4。同時開展了新拌自密實輕骨料混凝土坍落擴展度、T500、V型漏斗試驗、L型槽試驗及U型槽試驗[18]，來評價其工作性能，試驗結果見下表5。

表4　試驗混凝土抗壓強度指標

表5　試驗混凝土工作性能指標

4.3試驗結果分析

由表4可知：自密實輕骨料混凝土SCLC3的3 d和7 d抗壓強度分別為28 d抗壓強度的46.4%與68.7%，與普通混凝土相比，由于自密實輕骨料混凝土中摻加了大量的粉煤灰，而粉煤灰對混凝土后期強度貢獻值較大，導致自密實輕骨料混凝土前期強度增加較慢，后期強度提高較多，同時摻加一定質量的硅灰可以明顯的提高混凝土的抗壓強度。

由表5可知：隨著自密實輕骨料混凝土工作性能的改善，流動擴展度會有一定程度的降低，通過V型漏斗的時間逐漸增加，L型槽試驗值(兩端混凝土高度的比值)由0.76上升到0.85，U型槽試驗的高差逐漸減小，這是自密實輕骨料混凝土大流動性和抗離析性之間保持平衡的結果，砂漿包裹骨料一起運動，減緩了流動速率，同時漿體包裹能力增強，黏聚性增加，骨料通過鋼筋能力增強，骨料在鋼筋密集處沒有發生集中堵塞現象。SCLC3的各項工作性能指標均符合歐洲規范[18]。

5　結　論

(1)自密實高性能輕骨料混凝土的配合比難點在于解決大流動性和抗離析能力的矛盾，通過較大的砂漿量來保證其流動性，同時通過摻加化學外加劑來增加新拌混凝土的粘性系數，防止產生離析；

(2)設計并制備出干表觀密度為1832 kg/m3，強度等級為C50的自密實高性能輕骨料混凝土。水膠比為0.3，體積砂率為49%，粉煤灰摻量為30%，硅灰的摻量為4%。

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Development of Self-compacting High Performance Lightweight Aggregate Concrete

WUTao,YUEZhi-hao,WANGJie,LIUXi

(School of Civil Engineering, Chang'an University,Xi'an 710061,China)

Self-compacting lightweight aggregate concrete, which has broad application prospects, has the characteristics of self-compacting concrete and lightweight aggregate concrete.According to the performance and mechanical properties, this paper introduced the existing research results both in china and abroad, mix proportions program research of LC50 strength class using different water-cement ratio and mineral admixtures was studied, the results of compressive strength ,slump flow test, V-funnel test, L-slot test and U-groove test were analyzed.The tests results shows: when the water-binder ratio was 0.3, the volume of sand rate was 49%, replacement rate of first class fly ash and silica fume (percentage of cement quality) was respectively 30% and 4%, 11% of the cementitious material quality was polycarboxylate superplasticizer, then self-compacting high performance lightweight aggregate concrete can meet the requirement of strength grade C50, which provides application foundation and theoretical basis for the actual project.

high strength lightweight concrete;self-compacting;mix design;workability

國家自然科學基金項目(51578072,51578077)；陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2015KTZDSF03-04)；中央高校基本業務費(310828163410,310828161006)

吳濤(1976-)，男，教授，工學博士.主要從事鋼筋混凝土結構抗震研究

劉喜，講師.

TU528

A

1001-1625(2016)07-2224-06