輕質超高強混凝土的配合比設計研究

鄧怡帆，冷政，曾維，陳謙，周薪茗

（中建西部建設湖南有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

國家經濟社會的持續發展對建筑工程提出了越來越高的質量要求，現今建筑高度不斷提高，結構跨度不斷增大。傳統混凝土自重大，結構相對笨重，增大了施工難度和成本，混凝土質輕高強的需求愈發明顯。而我國輕骨料質量普遍偏低，用以生產的輕質混凝土強度受限，混凝土容重在 2000kg/m3以下，強度難以突破70MPa[1]。

中空玻璃微珠具有質輕高強的優點，主要成分為硼硅酸鹽，SiO2含量占 80% 左右。陳雪梅[2]利用高強再生骨料和中空玻璃微珠制備出了表觀密度 1520kg/m3、抗壓強度為 58.9MPa 的混凝土。卞立波[3]利用陶粒和中空玻璃微珠制備出 28d 抗壓強度 72.0MPa、表觀密度1760kg/m3的陶?；炷?。譚林[4]利用 PVA 纖維和中空玻璃微珠配制出表觀密度為 1878kg/m3，28d 抗拉強度為 6.23MPa，抗壓強度為 67.022MPa，具有較好綜合性能的輕質高強混凝土。利用中空玻璃微珠制備輕質高強混凝土已有部分研究，但強度仍在 100MPa 以下，對于制備 100MPa 的超高強混凝土少有研究。

本文利用中空玻璃微珠作細骨料，玄武巖作粗骨料。基于第十屆全國混凝土設計大賽的要求（表觀密度不大于 1900kg/m3、抗壓強度不低于 70MPa），通過對各配合比參數試驗并利用絕對體積法計算制備出表觀密度 1880kg/m3、抗壓強度 120MPa 以上的輕質超高強混凝土。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

通過前期使用頁巖陶粒陶砂進行試配發現，混凝土強度受骨料強度影響嚴重，陶粒筒壓強度為 8.1MPa，混凝土強度難以超過 70MPa。因此，選用中空玻璃微珠作為細骨料降低體系容重。同時，玻璃微珠具有強度高的優點，相較于陶粒骨料可以明顯提升混凝土強度。

（1）本文所使用的粗骨料為湖南衡陽的玄武巖，其具體性能指標如表 1 所示。

（2）本文的細集料采用中空玻璃微珠代替，其具體性能指標如表 2 所示。

表 1 粗骨料主要性能指標

表 2 細骨料主要性能指標

（3）水泥：三峽牌 P·O52.5 水泥，其 28d 強度為60.2MPa，表觀密度 3015kg/m3。

（4）硅灰：四川朗天的半加密硅灰，28d 活性指數為 115%，表觀密度為 2174 kg/m3。

（5）中空玻璃微珠：深圳道特沉珠，28d 活性指數為 125%，表觀密度 2488 kg/m3。

（6）鋼纖維：鍍銅鋼纖維，表觀密度 7600kg/m3，直徑 0.2mm，長度 13mm。

（7）外加劑：中建西部建設新材料有限公司生產的聚羧酸減水劑，減水率 35% 以上，固含量 30%，摻量 3%～5%。

（8）拌合用水：自來水，密度 1000kg/m3。

1.2 試驗方法

（1）首先按比例稱取水泥、摻合料、碎石、玻璃微珠、鋼纖維、水和外加劑。

（2）將稱取的水泥、硅灰、粉煤灰、玻璃微珠和碎石倒入攪拌鍋中，攪拌 2～3min，使其均勻混合。

（3）將稱量好的鋼纖維在攪拌過程中均勻地加入混合均勻的干料中，繼續攪拌 2min。

（4）將外加劑倒入水中攪拌均勻，倒入攪拌鍋中，攪拌 5min，攪拌均勻，得到混凝土。

2 試驗結果與討論

混凝土由骨料和膠凝材料基體組成，影響其力學強度的因素主要有骨料強度、膠凝材料基體強度以及基體與骨料之間的界面黏結強度。對于輕質高強混凝土，為減輕體系容重需要加入的輕質材料，其強度相對較低，容易成為體系破壞的薄弱點。本文選用的輕質材料為中空玻璃微珠作為細骨料。因此，擬采用漿體相作為承重相，減少骨料摻量和界面過渡區面積，降低體系薄弱結構對混凝土強度的影響。各配合比參數通過試驗確定。

（1）膠凝材料體系對混凝土強度的影響

本文采用漿體相為承重體系，經過前期試配試驗，膠凝材料總量選擇 1300kg/m3。擬定不同膠凝材料摻量，測試膠凝材料組成對抗壓強度的影響，結果見表3、圖 1。

表 3 膠凝材料體系組成試驗情況

圖 1 膠凝材料體系組成試驗結果

改變膠凝材料體系組成制作成不同配合比的膠砂試件，并測試其 7d 和 28d 抗壓強度。從圖 1 可知，試件早期強度受水泥摻量影響較大，7d 抗壓強度隨水泥摻量增加而提高。2 號試驗組 7d 強度為 26.4MPa，8 號試驗組 7d 強度為 37.8MPa，水泥摻量增加 20%，7d 強度可以提高 43.2%。對比其 28d 抗壓強度發現，與 7d 強度影響規律不同，水泥摻量 60% 試驗組，其 28d 強度相對較高。其中，水泥 : 硅灰 : 沉珠 = 60:20:20 時強度最高。這是由于所選摻合料活性較高，28d 經過二次水化反應消耗了大量的 Ca(OH)2晶體，生成水化硅酸鈣，同時填充了界面過渡區的薄弱部分，從而提高了試件后期的抗壓強度。因此，膠凝材料體系組成選擇水泥 : 硅灰 : 沉珠 = 3:1:1。

（2）水膠比及外加劑摻量選擇

為提高混凝土強度，選用低水膠比進行制備試件，設置水膠比試驗范圍為 0.12～0.20，根據試驗（1）所確定的膠凝材料體系進行試驗，外加劑摻量根據混凝土工作狀態進行調整。其具體數據見表 4、圖 2。

表 4 水膠比試驗情況

圖 2 水膠比試驗結果

從圖 2 可知，水膠比為 0.14 時試件強度最高。在一定范圍內，降低水膠比可以明顯提高試件的抗壓強度，水膠比為 0.20 時試件抗壓強度為 70.4MPa，水膠比 0.14 時試件抗壓強度為 91.6MPa，強度提高 30.1%。而當水膠比低于 0.14 時，試件強度降低，0.12 時水膠比試件強度只有 82.5MPa，強度降低 9.9%。水膠比對抗壓強度影響顯著，當水膠比大于 0.14 時，膠凝材料水化產生的膠體不足以填充其顆粒間的間距，同時，水化反應剩余的水分蒸發后留下空隙影響強度。而當水膠比小于 0.14 時，部分膠凝材料難以完全水化，影響試件強度發展。同時，為保證工作性導致外加劑摻量過高，24h 后未完全硬化成型。因此，水膠比選擇為0.14，外加劑摻量擬定為 3.3%。

（3）鋼纖維摻量

參考 RPC 體系，摻入鋼纖維可以明顯提高混凝土的抗壓和抗拉強度。因此，本文加入鍍銅鋼纖維，為確定鋼纖維最佳摻量，擬定不同鋼纖維體積摻量，測試其28d 抗壓強度，具體數據結果見表 5、圖 3。

表 5 鋼纖維摻量試驗情況

圖 3 鋼纖維摻量試驗結果

從圖 3 中可以看出，加入鋼纖維后試件強度先升高后降低，當鋼纖維體積摻量為 2.5% 時抗壓強度最高為 155.7MPa，相對未加鋼纖維基準組抗壓強度提高70.0%。而鋼纖維摻量超過 2.5% 后，抗壓強度開始下降，當鋼纖維摻量為 4.0% 時，其強度為 120.8MPa，抗壓強度降低 25%。通過加入適量的鋼纖維可以顯著改善混凝土的抗拉強度和抗壓韌性，鋼纖維亂象均勻分布可以有效提高混凝土整體結構的均勻性，同時阻止裂縫擴展和形成，從而提高混凝土抗壓強度。而鋼纖維摻量過高時，用于包裹鋼纖維所需的漿體過多，沒有足夠的漿體提供流動性，導致混凝土內部難以密實，空隙無法填充，抗壓強度隨之降低。同時，體系容重隨鋼纖維摻量增加而顯著提高。因此，鋼纖維體積摻量擬定為2.5%。

（4）骨料用量

基于上述試驗結果選擇膠凝材料體系、水膠比和鋼纖維摻量，使用中空玻璃微珠作為細骨料，玄武巖作為粗骨料，為提高其比強度，設計配制表觀密度為1880kg/m3左右的混凝土，通過絕對體積法計算出骨料用量：

m水泥＝780kg，則

V水泥＝m水泥/ρ水泥＝780÷3015＝0.259(m3)；

m硅灰＝260kg，則

V硅灰＝m硅灰/ρ硅灰＝260÷2174＝0.119(m3)；

m沉珠＝260kg，則

V沉珠＝ m沉珠/ρ沉珠＝260÷2488＝0.105(m3)；

用水量 mW＝1300×0.14＝182(kg)，則

VW＝mW/ρW＝182÷1000＝0.182(m3)；

外加劑摻量 m外=1300×3.5=45.5(kg)，則

V外＝m外/ρ外＝45.5÷1030＝0.044(m3)；

鋼纖維用量 mcu=190kg，則

Vcu＝mcu/ρcu＝190÷7600＝0.025(m3)；

混凝土含氣量約為 2%，V氣=0.02m3；

總體積 V＝V水泥＋V硅灰＋V沉珠＋VW＋V外＋Vcu＋V玻＋V玄＋V氣泡=1.00m3。

單方重量

m＝m膠材＋mW＋m外＋mcu＋m玻＋m玄＝1880kg。

因此，m玻=85kg，m玄=78kg。

通過上述試驗，初步擬定輕質高強配合比見表 6。

表 6 輕質高強混凝土配合比 kg/m3

（5）試驗驗證

通過上述試驗得到各配合比最佳摻量，對此配合比進行驗證。設置該配合比為基準組，在確定容重為 1880kg/m3左右的前提下，改變各配合比參數，測試其 28d 強度，并比較各配合比的比強度值，比強度值計算方法為（混凝土抗壓強度/表觀密度）÷（70MPa/1800kg/m3）。具體試驗結果見表 7。

從表 7 中可知，在擬定的最優配合比的基礎上改變各配合比參數，并保持混凝土容重在 1880kg/m3左右時，配合比參數的變化均會引起混凝土抗壓強度和比強度的降低。對比基準組與 2 號和 3 號試驗組發現，膠材摻量在基準組基礎上改變，混凝土抗壓強度會不同程度降低。與基準組相比，2 號試驗組強度降低 9.5%，3 號試驗組強度降低 23.5%。改變水膠比同樣會影響混凝土抗壓強度，水膠比在 0.14 的基礎上增加或降低都會導致抗壓強度降低。對比基準組與 6 號試驗組發現，降低鋼纖維摻量會極大影響混凝土抗壓強度，雖然增加了膠凝材料用量，但 28d 強度降低 35.8%，可知鋼纖維對該混凝土體系抗壓強度貢獻顯著。而對比基準組與 7 號試驗組和 8 號試驗組，鋼纖維摻量超過 190kg/m3而繼續增加會導致抗壓強度降低，當鋼纖維增加至 480kg/m3，強度降低 29.0%，驗證試驗結論與各配合比參數試驗結果相吻合。因此，選擇基準組 1 號為輕質高強混凝土最佳配合比。

（6）養護方式選擇

按最終確定的配合比制備混凝土試件，經 24h 后脫模分別按不同養護方式進行養護，并測試其抗壓強度數據，養護方式對比如表 8 所示。

表 7 驗證試驗結果統計

表 8 養護方式對比

從表 8 中可知，通過高溫水養可以快速提高混凝土強度，繼續標準養護強度基本不改變。90℃ 水養 3d后強度可以達到 128.5MPa，相對于標準養護 28d 強度提高 5.1%，若進行 185℃ 蒸壓養護后強度可以提高至135.9MPa，而繼續標準養護至 28d 以后強度基本無變化。這是由于高溫養護雖然加快了水化速率，使混凝土快速達到高強度，但膠凝材料顆粒上過早的形成了水化硅酸鈣膜層，抑制了水分進入膠材內部，阻礙膠材的水化過程。因此，經過高溫水養后混凝土抗壓強度難以持續增長。通過 200℃ 烘箱養護 3d 后，混凝土強度可以達到 140.9MPa，相對標準養護 28d 強度提高 15.2%。而繼續標準養護至 28d 發現強度出現嚴重倒縮現象，抗壓強度降低至 114.6MPa，強度降低 18.7%。對 6 號試件進行破碎后發現，試件內部有較多微裂紋，這是由于在高溫烘箱中混凝土快速失水導致干縮開裂，同時水份蒸發后留下部分毛細管通道，繼續養護微裂紋擴展導致內部出現破壞，強度出現倒縮。

對比不同養護方式發現，混凝土經 24h 脫模后，使用 90℃ 水養 3d＋185℃ 蒸壓養護 8h 可以得到最高強度。因此，選取其為輕質高強混凝土養護方式。

3 總結

（1）使用中空玻璃微珠作為輕質高強混凝土骨料可以制備出強度達到 135MPa，而容重為 1900kg/m3以下的輕質超高強混凝土，突破傳統陶?；炷林泄橇蠌姸葘炷馏w系強度的限制。

（2）使用硅灰和沉珠作為摻合料，摻合料摻量為40% 時可保證試件強度最高。在一定范圍內降低水膠比可以有效提升抗壓強度，但水膠比不宜低于 0.14。鋼纖維摻入可以明顯提高試件抗壓強度，當鋼纖維體積摻量為 2.5% 時，抗壓強度相對基準組提高 70.0%。

（3）使用高溫水養對混凝土進行養護可以促進混凝土強度快速發展，3d 強度可以達到 128.5MPa，相對標準養護 28d 強度提高 5.1%。185℃ 蒸壓養護可繼續提升混凝土強度至 135MPa，但后期強度失去增長。使用烘箱進行 200℃ 高溫養護可顯著提高混凝土抗壓強度，但內部易產生微裂紋，繼續標養后強度出現倒縮。養護方式選擇高溫水養與蒸壓養護的組合最佳。