自制輕骨料制備超高性能輕質混凝土的試驗研究

陳 敬 李 城 石從黎

（重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122）

0 引言

輕質高強化一直是混凝土發展及研究的重要方向，輕質高強混凝土在降低工程自身荷載方面具有重要作用[1-2]。目前，采用陶粒陶砂作為輕質骨料降低混凝土密度的措施較為成熟和普遍，由于陶粒混凝土經濟性良好，是應用最為廣泛的輕質高強混凝土；然而，采用陶粒制備輕質高強混凝土也存在一定的局限性：陶粒的筒壓強度有限，通常在10MPa 以內，所配制的混凝土強度有限；陶粒內部有害孔隙缺陷普遍，從而影響混凝土的力學性能；陶粒密度相對固定，在配制不同密度等級混凝土時存在與基體協調性的問題，陶粒上浮會影響混凝土的勻質性，很難實現高強體系的勻質化要求[3]。

基于陶粒混凝土的局限性，本文結合超高性能混凝土（簡稱UHPC）的設計思路，采用玻璃微珠作為輕質材料，通過纖維增強，并利用自制輕骨料“兩步成型法”降低混凝土成型的膠凝材料用量，將體系有害缺陷降至最低，可制備出1800密度等級、120MPa 以上超高抗壓強度的輕質混凝土。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗選用的原材料及其主要性能見表1。

表1 材料及主要技術性能

1.2 設計思路

1）混凝土內部缺陷控制

（1）采用兩步成型法，第一步自制輕質骨料，第二步混凝土成型，與一次成型法相比，大幅降低水泥用量，減少混凝土內部的溫度裂縫缺陷。

（2）選用級配合理的膠凝材料組合及細骨料，促使膠凝體系更加致密，同時控制粗骨料的最大粒徑，減小界面區域對強度的不利影響。

（3）采用玻璃微珠取代陶粒多孔材料，降低有害孔缺陷的影響。

（4）采用超高減水率減水劑，最大程度降低水膠比，同時添加消泡組分，降低混凝土內部孔隙缺陷。

2）骨料與基體協同性控制

采用與混凝土密度等級相同的輕質砂漿制備骨料，避免骨料與基體密度差異導致骨料上浮，提高混凝土勻質性，提高界面粘結性能。

3）纖維增強

研究表明[4]，UHPC 的抗壓強度受纖維摻量、類型和形狀的影響，纖維在混凝土中三維亂向分布形成纖維網骨架，橋接可能出現微裂縫的部位，限制微裂縫的發展和宏觀裂縫的形成。非金屬纖維由于其變形能力強，對微裂縫的抑制效果不明顯，但對較大裂縫能起到很好的限制作用；而鋼纖維由于其變形能力弱且與基體間存在很高的機械咬合力，能有效抑制微裂縫的延展[5]。本文通過鋼纖維和高強非金屬纖維的混雜，形成更完善的纖維增強體系，從而提高混凝土的力學性能。

4）養護增強

對于水膠比低于0.20 的混凝土，在傳統養護條件下內部水泥顆粒水化并不充分，需進行特殊養護。其中，熱水養護、蒸汽養護、蒸壓養護等熱養護措施是超高性能混凝土強度提升的重要手段[6-7]。本文采用高溫組合養護的方式對輕質高強混凝土作進一步增強。

1.3 試驗方法

1）粗骨料制備

采用52.5 水泥、硅灰和Ⅰ級粉煤灰作為膠凝材料，首先通過試驗確定膠凝材料各組分的最優比例，然后以石英砂為骨料進行漿骨體積比試驗，確定最優漿骨體積比，最后以玻璃微珠作為輕質材料替代部分石英砂降低砂漿基體密度，并調整密度至相應混凝土密度。按調整好的配合比制備砂漿，采用VDF-1200 型制丸機進行骨料成型，制備圓球形顆粒，調整下料速度控制骨料粒徑為5～10mm。骨料成型后，在成型室環境下放置1d，然后置于20℃水中養護7d，最后放置在95℃熱水中養護2d，取出放置在空氣中自然冷卻，備用。本文以1800 為目標密度等級，圖1所示即為自制粗骨料，自制骨料的配合比和性能分別見表2，表3。

表2 自制粗骨料配合比

表3 自制粗骨料技術性能

2）成型與試驗

UHPC 的成型過程中，易產生細鋼纖維團聚不易分散的情形，本文經大量試驗發現，通過適當調整攪拌制度，能較大程度改善細鋼纖維的團聚。具體攪拌制度為：投入水泥、硅灰、微珠、自制骨料、石英砂、PVA 纖維→攪拌1min→加水和減水劑→攪拌5min，至拌合物具有一定流動性→保持攪拌機運行，同時均勻投入鋼纖維→繼續攪拌3min，至鋼纖維分散均勻。攪拌完成后，采用尺寸為100×100×100mm 試模成型抗壓強度試件。

2 結果與分析

2.1 配合比參數試驗

1）膠凝體系材料比例

采用水泥、硅灰（S）和粉煤灰（F）組成膠凝體系，通過膠砂試驗確定材料最佳用量，試驗結果如圖2。可以看出，膠砂抗壓強度受水泥用量影響較大，隨水泥用量的增加而升高；水泥用量一定時，硅灰與粉煤灰的比例對膠砂強度呈規律性影響，即硅灰比例越高，強度越高，當水泥用量為60%時，S：F 為1:1 時強度相對較高。綜合考慮粉煤灰的二次水化反應，以及水泥用量越大內部缺陷風險越高的因素，本文最終采用了水泥用量60%，S：F 為1:1 的膠凝體系。

圖2 不同膠凝材料比例的膠砂抗壓強度

2）漿體骨料體積比

UHPC 通常由漿體、石英砂骨料及一定體積的纖維組成。漿體與骨料的體積比對UHPC 的強度有較大影響，本文在固定膠凝材料用量和水膠比的情況下使漿體體積保持不變，不摻纖維，通過改變石英砂用量調整漿骨比在1.00～2.00 范圍，探索漿骨比對強度的影響，試驗結果如圖3。可以看出，混凝土的抗壓強度隨漿骨比的增加呈先增后減的趨勢，漿骨比為1.50～1.75 時相對較高。

圖3 漿骨比對抗壓強度的影響

3）纖維種類與摻量

表4所示為纖維種類及摻量對混凝土抗壓強度的影響。其中，為比較兩種規格的鋼纖維對UHPC 抗壓強度的影響，保持鋼纖維體積摻量為2%，改變兩種鋼纖維的比例，其對混凝土強度的影響如圖4；可以看出，UHPC 的28d 抗壓強度隨鋼纖維2 摻量的增加逐漸升高，隨鋼纖維1 摻量的增加則逐漸降低，表明當鋼纖維摻量在某個范圍并保持一定時，鋼纖維2 對UHPC 抗壓強度的增強作用更明顯。本文選擇了四種非金屬纖維與鋼纖維2 進行了纖維混合增強對比試驗，非金屬纖維與鋼纖維的體積摻量分別為1.0%和2.5%，試驗結果如圖5，可以看出，UHPC抗壓強度由高到低依次為PVA 纖維、碳纖維、聚丙烯纖維和玄武巖纖維，除PVA纖維試驗組較基準組的強度高以外，其余三種纖維的UHPC 均較基準組強度低，玄武巖纖維試驗組的抗壓強度降低高達9.8%，鑒于此，本文選擇PVA 纖維進行纖維混雜增強。圖6為摻1.0%PVA 纖維后UHPC 強度受鋼纖維2 摻量變化的影響，可以看出，UHPC 的抗壓強度呈先增后減趨勢，在鋼纖維2 摻量為4%時達到最高，過量的鋼纖維因易發生團聚而無法充分發揮增強效果。

表4 纖維種類及摻量對混凝土抗壓強度的影響

圖4 摻量2%時，兩種鋼纖維比例對抗壓強度的影響

圖5 幾種非金屬纖維對抗壓強度的影響

圖6 鋼纖維2 摻量對混凝土抗壓強度的影響

2.2 超高性能輕質混凝土

1）表觀密度調整

采用玻璃微珠作為輕質材料對UHPC 進行表觀密度調整，本文以1800 作為目標密度等級，確定配合比如表5。

表5 1800 級超高性能輕質混凝土基體配合比

2）自制粗骨料用量

采用表3中自制粗骨料進行第二步混凝土成型，粗骨料用量為體積用量，由于粗骨料為等體積替代，因此基體材料的實際用量等比例減小，表6所示為粗骨料用量對混凝土抗壓強度的影響，可以看出，與未加粗骨料的基體強度相比，粗骨料的加入使混凝土的強度有所降低，最高降幅為7.6%，在20%～40%區間，混凝土強度隨粗骨料用量的增加而升高，當粗骨料用量為50%時，混凝土強度有所下降。

表6 自制粗骨料用量對混凝土強度的影響

3）養護制度對性能的影響

表7所示為本文采用的幾種養護方式，討論幾種高溫組合養護制度對混凝土性能的影響，養護制度及試驗結果見表8。從圖7還可以看出，隨著養護的逐步遞進，混凝土強度呈階梯增長。本文經熱水、蒸壓和干熱組合高溫養護后的混凝土強度提升較56d 標養達33～46%，混凝土抗壓強度最高達130.7MPa，表明高溫、加壓養護制度是UHPC 獲得高強高性能的重要手段。

混凝土的表觀密度隨熱養護方式的逐步遞進有降低的趨勢，如圖8，在進行干熱養護前，表觀密度降低相對較小，降低最多不超過1.6%，說明在混凝土外部水分充足條件下，混凝土表觀密度能保持相對穩定，但經干熱養護后，混凝土失水及脫水明顯，表觀密度降至1700kg/m3 以下，降幅均超過8.0%。此外，隨著養護方式的逐步遞進，混凝土的比強度逐漸升高，如圖9所示。

表7 養護方式與標記

表8 養護制度對混凝土性能的影響

圖7 養護制度對混凝土抗壓強度的影響

圖8 養護制度對混凝土表觀密度的影響

圖9 養護制度對混凝土比強度的影響

3 結論

結合超高性能混凝土的設計思路，以玻璃微珠作為輕質材料，配合高強水泥、硅灰、優質粉煤灰和石英砂，采用0.15 超低水膠比，通過95℃熱水養護，制備出表觀密度1790kg/m3 、筒壓強度達24.4MPa 的圓球形高強輕質骨料。利用自制骨料，采用“兩步成型法”，并采取內部缺陷控制、骨料與基體協同性控制、纖維增強和養護增強的手段，制備出濕表觀密度1800 級、最高抗壓強度達130.7MPa 的超高性能輕質混凝土，可為超高性能輕質混凝土的研究提供參考。