輕骨料混凝土自密實性能研究進展

繆金良，朱炎寧，史澤波，魯萬卿

（1. 中建西部建設股份有限公司，新疆　烏魯木齊　830000；2. 中建科技河南有限公司，河南　鄭州　450000）

輕骨料混凝土自密實性能研究進展

繆金良1,2，朱炎寧1，史澤波2，魯萬卿2

（1. 中建西部建設股份有限公司，新疆烏魯木齊830000；2. 中建科技河南有限公司，河南鄭州450000）

本文從配合比設計方法、工作性能、力學性能、耐久性能和高溫性能等方面對自密實輕骨料混凝土的國內外研究現狀進行了綜述。

輕骨料；自密實；混凝土；研究現狀

0　前言

混凝土是當今世界應用最廣泛的建筑材料，隨著社會的發展、科技的進步，各個國家對建筑物的品質和安全性能要求也越來越高。因此，高性能混凝土隨之出現。自密實輕骨料混凝土（Self-Compacting Lightweight Concrete, SCLC）是在自密實混凝土和輕骨料混凝土的基礎上發展而來的新型高性能混凝土。它不僅具有自密實混凝土澆筑免振搗的優點，能較好的解決配筋較為密集部位施工不便的問題；又有自重輕，可以降低基礎處理費用的優點[1]，并能夠同時兼具較好的耐久性、耐高溫性、抗震性和抗裂性。所以，自密實輕骨料混凝土在高層建筑、抗震防火設計、大跨結構、橋梁隧道等領域具有廣泛的應用前景、顯著的經濟效益和社會效益。

目前關于 SCLC 的研究主要集中在配合比設計、工作性能、力學性能、耐久性能和高溫性能等方面[2]。本文將以以上5個方面為基礎，對過往國內外論文進行分析總結。

1　配合比設計方法

配合比設計是混凝土工程學中最基本而又最重要的一個問題，配制 SCLC 的關鍵問題在于使混凝土具有非常好的流動性、自密實性和抗離析性，同時又在骨料自重較輕的情況下能夠均勻地分布于漿體之中，并且不會出現上浮和漂移。

SCLC 從根本上來說還是自密實混凝土的一種，其主要是由砂漿和骨料組成。張云國等[3]依據此原則，采用體積累加法先配制自密實砂漿，然后采用砂漿超量取代輕骨料空隙體積的20%，可以快速得到 SCLC 的配合比，減少了試配次數，提高了配合比設計效率。但這種方法較為復雜，對于大量生產具有相應的局限性。因此根據配制自密實混凝土的固定砂石體積法，結合陳建奎教授提出的全計算法[4]，成為目前配合比設計的常用方法[5]，其主要設計過程如下：

式中：fcu,o——混凝土配制強度，MPa；

fcu,k——混凝土設計強度，MPa；

σ ——混凝土強度標準差，MPa。

式中：MLα——輕粗骨料用量，kg/m3；

α ——輕粗骨料用量堆積系數，0.50～0.60；

ρLα——輕粗骨料的堆積密度，kg/m3。

式中：Ms——砂用量，kg/m3；

β——漿體中砂的體積系數，0.43～0.50；

Vm——漿體體積，m3；

ρα——輕骨料的表觀密度，kg/m3；

Va——空氣體積，m3。

（4）根據混凝土水膠比定則，計算水膠比：

式中：fcu,o——配制強度，MPa；

m(w)——水的質量，kg/m3；

m(c+f)——膠凝材料質量，kg/m3；

fce——水泥實際強度，MPa；

A, B——回歸系數，按 JGJ55—2011取值。

（5）根據全計算法體積累加原則，計算用水體積：

式中：Vep——漿體體積，m3；

ρc——水泥密度，kg/m3；

ρf——摻合料密度，kg/m3；

φ——摻合料取代水泥體積摻量。

（6）若不對輕骨料進行預濕，考慮輕骨料吸水性，計算輕骨料吸水質量為：

式中：ωe——輕骨料24h 吸水率，%。

（8）計算膠凝材料用量：

依據以上全計算方法，整理得出部分以此為基礎計算得到的配合比[5-8]，并對相應的工作狀態和性能進行了統計對比，得到如表1的結果。

影響自密實混凝土工作性的因素除了添加礦物摻合料的種類和摻量之外，投料的順序和方式也有著顯著的影響，普通方法拌制混凝土通常是將膠凝材料、骨料一次性投料，接著加入定量的外加劑和水，這種方法適用于一般混凝土，但對于 SCLC 來說，稍顯不足。麻建鎖等[9]以粉煤灰和硅灰為摻合料，先預拌膠凝材料砂漿90s，然后再與輕骨料共同拌制60s 的投料方式，得到和易性較好，無離析、泌水，輕骨料不上浮的 SCLC，28d 抗壓強度達到52.6MPa，干表觀密度為1740kg/m3。同時，采用預濕輕骨料的方法能夠改善和易性、減少骨料上浮和經時損失問題，1h 坍落度經時損失僅15mm。楊樹桐等[10]以2～3.5mm 改性聚丙烯塑料顆粒等體積替代細骨料制備 SCLC，結果表明：隨著塑料顆粒的增加（0～15%），擴展度增加，且經時損失均小于不摻時的情況，但對混凝土的抗離析性影響不明顯。

2　自密實輕骨料混凝土性能研究

2.1工作性能研究

陶粒輕骨料由于自重較小，在膠凝基體中很容易出現上浮現象。若輕骨料上浮，則無法保證其工作性能、力學性能和耐久性能。影響輕骨料上浮的主要因素有骨料的顆粒粒徑、骨料密度與膠凝基體密度的差值、膠凝基體的粘性和膠凝基體材料的剪切屈服應力。骨料顆粒粒徑越小，骨料與膠凝基體材料的密度差值越小，則越不容易出現上浮現象。

李曉斌[11]以1h 坍落擴展度損失率為考察指標，分別研究了水膠比、水泥用量、陶粒性能對 SCLC 力學性能的影響。采用 Design-Expert 軟件，以陶粒吸水率 A、預濕時間為因變量，以1h 坍落擴展度損失率 Y 為響應值，做方差分析得出線性模型表明：陶粒吸水率對混凝土的工作性能影響最大；結合對自密實混凝土工作性能的要求，制備 SCLC 所選用的陶粒24h 吸水率宜小于10%，預濕時間可控制在1h 左右。力學性能試驗 SEM 圖片表明，表面多孔的圓形淤泥顆粒比少孔的圓形海泥顆粒具有更好的粘結性能。陶粒表面的多孔性，有利于減少陶粒表面處水膜厚度和降低界面過渡區的水灰比。此外，潤濕陶粒有利于增強過渡區的密實度和改善過渡區結構。

王超凡[12]采用圓度較好，筒壓強度高，級配合理且表面麻澀的粉煤灰陶粒，設計試配出 C40、C50、C60的自密實輕骨料混凝土，并且用粉煤灰陶砂部分取代普通砂制備出的試塊，其強度不降反升，且耐久性能也得到了明顯的提高，考慮其原因主要是因為采用粉煤灰陶粒和陶砂減少了混凝土中的堿量且又摻入了礦粉等低堿摻合料。王振軍[13]等研究了輕骨料預處理對混凝土工作性能的影響，結果表明水泥裹漿法能夠明顯減小拌合物坍落度損失，增加擴展度，減少流動時間，從而改善了其工作性能。

2.2力學性能研究

SCLC 的力學性能研究主要包括抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度以及彈性模量等。

Choi 等[14]研究了 SCLC 抗壓強度隨齡期的變化規律，同時做了彈性模量試驗、劈裂抗拉試驗等，所配制的混凝土最高強度達到69MPa，其研究結果表明與普通骨料自密實混凝土相比，SCLC 抗壓強度與密度的比值明顯提高，尤其是隨著輕細骨料的增加這個規律更加明顯，同時彈性模量也隨著輕骨料用量的增加而減小。Hwang 等[15]所配制的 SCLC28天抗壓強度最高可達51MPa，其研究結果表明 SCLC 的抗壓強度隨齡期的增加而顯著增加。水膠比是控制混凝土抗壓強度的主要因素。隨著粉煤灰用量的增加，SCLC 的后期強度增加幅度很大。王振軍[13]對 SCLC 的抗壓、抗折強度及彈性模量進行了試驗，其最高抗壓強度達到58.2MPa。通過與同強度等級的普通混凝土對比表明，SCLC 的折壓比小于普通混凝土，抗折性能略差，彈性模量為普通混凝土的6%～80%。

目前國內外所研究的 SCLC 的抗壓強度主要集中在20～70MPa 之間，劈裂抗拉強度、抗折強度和彈性模量均略低于同等級的普通混凝土。

表1　配合比設計及性能統計表

2.3耐久性能研究

以現有文獻來看，SCLC 的耐久性能和普通混凝土以及自密實混凝土的研究也基本一致，其主要包括抗凍性、抗滲性、抗碳化和收縮性能，目前國內外對于 SCLC 的耐久性研究較少。

何廷樹、王振軍等[13]對 SCLC 進行了抗凍、抗滲、抗碳化以及干縮試驗。其研究結果表明，SCLC 的抗滲性能和抗碳化性能相較于普通混凝土均有較大幅度的提高。這可能是因為 SCLC 水灰比較小并且粉煤灰等礦物摻合料用量較大。由于自密實混凝土中的水泥用量較高，水泥自身的干縮等因素導致 SCLC60天齡期內的收縮性能要略高于普通混凝土。

陳月順等人[16]主要研究了 SCLC 抗滲性能和干縮性能，結果表明干縮性能隨著 UEA 和聚丙烯纖維的加入而減小，說明這二者對 SCLC 的干縮具有一定的抑制作用。

2.4高溫性能研究

由于輕骨料的高吸濕性和自密實混凝土的密實性，輕骨料混凝土和自密實混凝土的高溫爆裂現象較為嚴重[17]，但和普通混凝土相比，高溫后，輕骨料混凝土的力學性能雖有降低，但降低幅度比普通混凝土略低。吳熙等[18]通過測定SCLC 高溫試驗前后的質量、相對超聲波速、相對抗壓強度和相對抗折強度，研究了 SCLC 的爆裂性能和高溫后殘余強度規律，結果表明：自密實混凝土由于內部結構較為密實，高溫下產生的水蒸氣更難以逸出，從而導致較高的蒸汽壓，產生爆裂。SCLC 在高溫下的質量損失較大，400℃ 之前混凝土的質量損失比較明顯，這部分損失主要來源于自由水和結合水[19]，400℃ 之后混凝土的質量損失率略微波動，變化速率減小，這部分的損失來自于混凝土中化合物例如 Ca(OH)2的分解。SCLC 的殘余強度在發生爆裂前僅下降到70% 左右，略大于普通混凝土。

3　總結與展望

綜上所述，近年來國內外學者對 SCLC 相繼做了一定的研究，但多數是依托自密實混凝土和輕骨料混凝土進行的，對于自密實輕骨料混凝土尚未有相應的參考標準，這就相應限制了 SCLC 的推廣和應用。在 SCLC 的研究中，有以下幾個方向可供探索：

（1）雖然國內外有較多關于 SCLC 工作性能的評價標準，但并不統一，而且對于抗離析性能和輕骨料勻質性研究有待加強。

（2）輕骨料吸水率很大，尤其在壓力作用下會進一步吸水，影響其工作性能。這將嚴重制約技術的推廣和工程應用。

（3）SCLC 力學性能的研究主要集中在抗壓強度、抗拉強度、彈性模量和收縮性能等方面，而對其徐變性能、耐火性能、溫脹系數和節點抗剪能力的研究還很缺乏。

（4）如何能夠在提高 SCLC 抗爆裂性能的同時，又能保證較高的殘余力學性能，是混凝土高溫性能研究的一個方向。

（5）對于 SCLC 應用到結構中的抗震性能，以及自密實混凝土剪力墻和板的研究還很少，也是目前 SCLC 研究中的一個不足之處。

[1] 王大宏．自密實輕骨料高性能混凝土配合比優化設計[J]．建筑科學與工程學報，2006,23(2):68-71．

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[3] 張云國，薛向鋒，魯蘭蘭．基于砂漿的自密實輕骨料混凝土配合比設計[J]．硅酸鹽通報，2015,34(005):1270-1274．

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[5] 譚一明，李海深．自密實輕骨料混凝土配合比設計[J]．湖南工程學院學報：自然科學版，2011(4):76-80．

[6] 王玉梅，劉錫軍．自密實輕骨料混凝土配合比設計及基本力學性能試驗[J]．混凝土，2012(6):111-113．

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[12] 王超凡．高強輕骨料自密實混凝土的研究開發[J]．內蒙古石油化工，2012(19):19-20．

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［通訊地址］河南省鄭州市鞏義市小關鎮鋼構公司院內

（450000）

Research status of light aggregate self-compaction concrete

Miao Jinliang1,2, Zhu Yanning1, Shi Zebo2, Lu Wanqing2
(1. China West Construction Group Company, Xinjiang Urumqi830000;2. China Construction Science & Techonoly Henan Co., Ltd., Henan Zhengzhou450000)

In this paper, research status of the method of mixtureratiodesign, work performance, mechanical property, durability and high temperature property of light self-compaction concrete will be report.

light aggregate; self-compaction; concrete; research status

繆金良（1988—），男，漢族，碩士，現任中建科技河南有限公司質量檢驗部業務經理，工程師，主要從事混凝土及其預制構件等新產品、新技術、新工藝的開發與研究。