1800 k g/m3輕質高強混凝土的制備技術研究*

卞立波，劉造軍，覃鈴玲

（1. 北京建筑大學，北京 100044；2. 舟山市普陀華通公路養護工程有限公司，浙江 舟山 316100）

根據 JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術規程》的 規定，用輕粗骨料、輕砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的干表觀密度不大于 1950kg/m3的混凝土為輕骨料混凝土[1]。輕質高強混凝土（HSLC）是目前世界混凝土技術的發展方向之一，它具有輕質高強、耐久性好、無堿骨料反應、體積穩定性好、保溫隔熱性能良好等優點[2]。

近年來，高強輕質混凝土已經廣泛應用于結構工程。美國將輕質高強混凝土運用于房屋建筑如休斯頓貝殼廣場大廈，大跨度橋梁如 Napa 河橋梁等工程。日本將其運用于寫字樓的樓板和隔墻板如橫濱亮馬大廈，鐵路橋梁如稻舟橋梁等工程。挪威則將其運用于橋梁建設如 Stolma 橋和石油平臺搭建如 Heidrun TLP 浮體石油平臺。我國主要用于大跨度橋梁建設方面，如北京健翔橋和盧溝新橋的改造工程等；高層建筑方面，如珠海國際會議中心等[3]。

在我國，張華英[4]通過普通成型工藝配制出抗壓強度超過 50MPa、表觀密度 1950kg/m3的混凝土。黃昱霖[5]以低成本為目標配制出 28d 抗壓強度超過 60MPa、表觀密度為 2025kg/m3的大流動度陶粒混凝土。陳雪梅[6]采用高強再生輕骨料和玻璃微珠，利用體積法配制出了表觀密度 1520kg/m3、28d 抗壓強度 58.9MPa 的混凝土。

第九屆全國混凝土設計大賽要求，試配出表觀密度(1800±50)kg/m3更高強度的混凝土。本文試驗初期采用以骨料相為主要承重體系，后期采用以漿體相為主要承重體系，選用頁巖陶粒和空心玻璃微珠等配制輕質高強混凝土，用絕對體積法進行配合比設計，多次優化配比，最終得出工作性良好，表觀密度 1760kg/m3，強度72.0MPa 的輕質高強混凝土。

1 原材料

1.1 粗骨料

選用頁巖陶粒為粗骨料，其性能指標見表1。

表1 頁巖陶粒的物理性能

1.2 細骨料

選用頁巖陶砂、天然砂為細骨料。頁巖陶砂的性能指標見表2。陶砂為 3～5mm 單級配粒徑，對陶砂進行了破碎篩分，使級配情況為Ⅱ區中砂，細度模數 2.76，見表3。

表2 頁巖陶砂的物理性能

表3 陶砂的顆粒級配

1.3 膠凝材料

本研究所用膠凝材料見表4。

表4 膠凝材料品種

1.4 減水劑

聚羧酸減水劑，減水率為 30%。

2 試驗及結果分析

2.1 采用以骨料相為主要承重結構體系的配合比設計

2.1.1 試驗思路

使用輕骨料頁巖陶粒和陶砂作為骨料，摻加不同比例的天然砂、石。為使骨料級配良好，篩選使用粒徑5～16mm 的陶粒和天然石，并篩去針片狀顆粒；對陶砂進行了破碎篩分，使級配情況為Ⅱ區中砂。膠凝材料中摻入硅灰以降低漿體的總體密度。同時依靠聚羧酸減水劑來降低水膠比，減少孔隙率，提高漿體強度。

2.1.2 配合比計算

使用絕對體積法設計配合比。設計中，參照 JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術規程》規定，先確定三個重要的設計參數，即膠凝材料用量、水膠比和砂率，然后利用絕對體積法計算細骨料和粗骨料用量。按式 (1)至 (4) 進行計算。

其中膠凝材料用量選為 550kg/m3，體積砂率為35%。硅灰摻量（硅灰占膠凝材料總質量的百分率）為9%，水膠比選為0.28 或0.25，使用“絕對體積法”設計配合比，漿體密度為 1820kg/m3，28d 漿體抗壓強度為 55.0MPa。具體試驗配合比表5 所示。

表5 以骨料相為承重體系的混凝土配合比.g/m3

2.1.3 結果分析

由表5 可以看出，序號 2 組配合比最優，28 天強度能達 61.6MPa。由于水膠比較低，水泥漿體比重較大，試塊出現陶粒上浮趨勢增大，表面不易抹平的情況，這將導致輕質高強混凝土出現外分層現象。外分層作用造成陶粒和水分集中在混凝土表層，強度測定時試件成型面易脫落。而坍落度只有 140mm 左右的混凝土的破壞形式呈現均勻破壞行為，這是由于降低新拌混凝土的坍落度，降低流動性，形成塑性狀態，可明顯減少陶粒上浮現象，提高成型混凝土的均勻性，減少混凝土因局部密度差產生的應力集中效應首先破壞掉強度薄弱相（陶粒）。

通過調整后觀察混凝土受壓后破壞的截面，依舊發現混凝土被破壞時，骨料相先破壞，即骨料相為薄弱相。由于受到輕質骨料自身強度的約束，混凝土的強度難以提高；通過增加水泥用量來提高混凝土的強度又會導致混凝土的容重上升；并且由于輕骨料易于上浮，混凝土容易離析，導致混凝土強度下降且容重和強度的離散性增加[7]。為實現輕質高強混凝土的強度能繼續提高，決定增大漿骨比，采用讓漿體起到主要支撐作用，陶粒均勻填充在其中的體系來實現在較低密度下提高混凝土的強度。

其次，在拌合過程中，由于輕骨料吸水率高，導致成型過程中實際水膠比降低，實際用水量難以掌控。成型時多呈現干硬性的狀態，坍落度很低，試塊強度偏差大，難以符合實際工程應用。為此，決定采用飽和面干骨料的混凝土配合比設計方法，即計算骨料體積所使用的密度是在飽和面干狀態下測定的。

2.2 采用以漿體相為主要承重結構的體系的配合比設計

2.2.1 試驗思路

混凝土的力學性能由骨料性能、硬化水泥漿體性能及骨料與水泥石的強度和黏結性能決定。高強輕質混凝土的破壞形式與普通混凝土的破壞形式截然不同，普通混凝土由于骨料強度大于水泥石強度，骨料與水泥石的界面區是普通混凝土的最薄弱環節，即普通混凝土通常以界面破壞為主。而對于輕質高強混凝土，輕骨料強度往往小于水泥石的強度，因此輕骨料混凝土往往產生骨料破壞，即骨料強度是混凝土強度的決定因素[8]。

通過前期試驗，可得出普通混凝土的以骨料為主要承重，漿體為輔助承重的體系，在輕骨料自身強度的限制下，強度在達到 60.0MPa 左右后難以再有所提升。所以提高漿體用量，讓漿體起主要承重作用，減少骨料強度對混凝土強度的限制，讓骨料起到填充與降低容重為主的作用。

2.2.2 配合比設計

經檢測，所選用的陶粒的表觀密度為 1600kg/m3，在密度等級為 (1800±50)kg/m3的混凝土中，容易出現上浮的情況。為使陶粒在混凝土中分布更加均勻，我們通過改變摻合料的用量及比例，來設定合適的漿體密度。

為降低漿體密度，使用空心玻璃微珠、硅灰、粉煤灰、礦粉等質輕的摻合料，取代部分水泥。在控制漿體密度的同時，利用粉煤灰、礦粉作為活性混合材，進行二次水化，提高后期強度，避免早期收縮大、開裂等問題。

使用絕對體積法設計配合比。設計中，參照 JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術規程》規定，首先確定三個重要的設計參數，即膠凝材料用量、水膠比和砂率，然后利用絕對體積法計算細骨料和粗骨料用量。按式(1)～(4) 進行計算。其中膠凝材料用量選為 900kg/m3，體積砂率為 35%，水膠比選為0.2 或0.24，使用“絕對體積法”設計了配合比。漿體密度為 1460kg/m3，28d漿體立方體抗壓強度為 82.0MPa。

具體試驗配合比如表6 所示。

表6 以漿體相為承重體系的混凝土配合比.g/m3

2.2.3 小結

由表6 可以得出 2 組的配比最優，能試配出坍落度為 220 mm、擴展度為 500mm、和易性較好、28 天強度達 72.0MPa 的混凝土。混凝土的表觀密度隨著高性能空心玻璃微珠摻量的增加而明顯降低，而硅灰、礦粉和粉煤灰摻量的改變對漿體表觀密度影響不明顯。隨砂率增加，混凝土強度降低，最佳砂率為 40%。根據陶粒表觀密度，優化混凝土配合比，達到漿體表觀密度、陶粒表觀密度與預期混凝土等級密度的之間的協調匹配，是讓陶粒在輕質高強混凝土內部均勻分布，提高輕質高強混凝土的工作性能和強度的關鍵。

3 主要結論

（1）試配輕質高強混凝土時，采用普通混凝土的以骨料為主要承重體系，漿體為輔助承重體系，因輕骨料自身強度的限制，強度在達到 60.0MPa 左右后難以再有所提升。

（2）根據陶粒表觀密度，優化混凝土配合比，達到漿體表觀密度、陶粒表觀密度與預期混凝土等級密度的之間的協調匹配，是讓陶粒在輕質高強混凝土內部均勻分布，提高輕質高強混凝土的工作性能和強度的關鍵。

（3）根據試驗結果，采用漿體為主，骨料為輔的承重結構體系，在水膠比0.2、砂率0.3，漿體用量900kg/m3，漿體密度 1460kg/m3，能夠制備出表觀密度1760kg/m3、28 天強度 72.0MPa 的輕質高強混凝土。