免燒輕骨料在城市輕軌站臺工程中的應用研究

邱月梅，洪金榮，龐超明，秦鴻根

（1.蕪湖三巖建材實業有限責任公司，安徽 蕪湖 241000；2.東南大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189；3.江蘇智晟節能科技股份有限公司，江蘇 鎮江 212416)

1 前言

蕪湖軌道交通1號線和2號線采用全國首創跨座式單軌形式，共設車站36座。其中1號線為南北干線，北起保順路站，南至白馬山站，全長31.8km，設25座高架車站；2號線一期為東西主干線，西起北京路站，東至萬春湖站，全長16.52km，設高架站10座，地下站1座。其中夢溪路站為全國首座獨柱式鋼混路中高架站，站臺分為三層，第一層地面汽車通行道路層，第二層售票、檢票、進出站大廳，第三層為列車停靠和乘客候車區域（見圖1）。站廳、站臺層地面夾層設計要求采用LC7.5輕骨料混凝土,干表觀密度不超過1600kg/m，站廳層為中間層，隔間較多，施工難度較大，輕骨料混凝土既要滿足施工要求，又要保溫隔熱和抗震等功能性要求。

圖1 蕪湖軌道交通高架車站

2 輕骨料混凝土配合比設計

對輕骨料混凝土配合比的設計，大多是參考普通混凝土配合比的設計方法，并結合輕骨料混凝土的特點進行，更多的是依靠經驗和通過試驗、試配來確定。

2.1 配合比設計的基本要求

輕骨料混凝土配合比設計的基本要求，除了考慮和易性、強度、耐久性和經濟性這四方面以外，還應滿足表觀密度的要求。在滿足強度和耐久性的前提下，應盡量減少膠凝材料使用量，膠凝材料用量增加，不但使成本提高，而且使混凝土的表觀密度顯著增大。

2.2 輕骨料的選用

輕骨料是配制輕骨料混凝土的主要原材料，應根據輕骨料混凝土的強度等級和表觀密度的要求來選用，同時要使得制備的輕骨料混凝土滿足泵送施工要求。本工程配制LC7.5保溫輕骨料混凝土，且澆筑厚度不超過100mm，所用輕骨料最大粒徑要求不大于20mm。常用輕骨料有燒結陶粒和免燒輕骨料（也稱免燒陶粒），前者堆積密度較輕、強度低，其密度等級、強度等級和顆粒級配單一，配制的輕骨料混凝土易分層，難以泵送施工；后者（以核殼型為例）堆積密度相對較大，強度較高，其顆粒粒徑、密度等級、強度等級均可根據需要生產，最大的特點是配制的輕骨料混凝土骨料不上浮，均勻性好和可泵性好。方便屋面、樓面和其他高層結構的泵送施工。

蕪湖輕軌車站站臺用輕骨料混凝土采用江蘇智晟節能科技股份有限公司生產的核殼結構免燒輕骨料，顆粒呈球形（見圖2），通過內核大小與功能的改變、殼層厚度和配方的調整，可用于制備集高比強、保溫隔熱、隔音防火于一體的自保溫建筑材料。其性能滿足GB/T17431.1-2010標準指標，主要特性如下：

圖2 輕軌站工程用免燒輕骨料

①密度等級有600、700和800級，可配制LC5～LC20的保溫輕骨料混凝土，也可以配制LC20～LC50的結構輕骨料混凝土；

②有粒徑為5～10mm、5～16mm、10～16mm和5～20mm的輕粗骨料，還有粒徑小于5mm的輕砂；本工程所用核殼型免燒輕骨料粒徑為5～16mm，干堆積密度為650kg/m；

③比強度高，耐高溫，預濕時間快（15min即可），屬于水泥基材料，與砂漿的相容性好。配制的輕骨料混凝土和易性好，特別適合泵送施工。

2.3 輕骨料混凝土配合比設計方法

輕骨料混凝土配合比設計依據JGJ51-2002進行，具體步驟如下。

2.3.1 確定配制強度

輕骨料混凝土設計抗壓強度標準值f，則95%保證率的輕骨料混凝土配制強度為：

f=f+1.645σ

式中：強度標準差σ分別取4（＜LC20）、5（LC20～LC35）、6（＞LC35），單位為MPa。

2.3.2 膠凝材料用量的確定

膠凝材料用量與輕骨料密度等級有關。水泥宜采用42.5級以上的P O或P II，因輕骨料強度較低，故膠凝材料用量比普通混凝土相對要高一些（見表1）。礦物摻合料在輕骨料混凝土中的最大摻量，采用普通硅酸鹽水泥時，粉煤灰最大摻量不大于35%，粒化高爐礦渣粉最大摻量不大于55%，雙摻時總摻量不大于50%。

2.3.3 水膠比的確定

在膠凝材料和礦物摻合料確定后，水膠比的大小是決定輕骨料混凝土抗壓強度的關鍵參數，根據配制強度確定初步水膠比并經試驗驗證，同時最大水膠比和最小膠凝材料用量應滿足標準規定的耐久性要求。可采用摻高效減水劑，減小水膠比，提高輕骨料混凝土的強度。

2.3.4 用水量確定

混凝土的總用水量中被輕骨料吸收的那部分水稱為“附加水量”，其余部分則稱為“凈用水量”。附加水量應根據輕骨料用量乘以輕骨料1h吸水率求得。當采用預濕飽和輕骨料時，則可不考慮附加水量。凈用水量由確定的水膠比與膠凝材料用量的乘積來確定，并根據混凝土稠度要求和減水劑摻量進行適當調整，一般輕骨料混凝土的凈用水量120～180 kg/m。

2.3.5 砂率的確定

輕骨料混凝土的配合比設計中所使用的砂率是指體積砂率，砂率對輕骨料混凝土的表觀密度、和易性和密實性影響顯著，一般細骨料為輕砂時砂率取35%～50%，為普通砂時取30%～45%。

2.3.6 粗、細骨料用量的確定

輕骨料混凝土粗、細骨料用量的計算有絕對體積法和松散體積法兩種。本文按松散體積法計算：先確定1m混凝土的粗、細骨料總體積V（自然狀態下輕粗骨料和細骨料的松散體積之和）。采用普通砂作細骨料時，1m混凝土中粗、細骨料的總體積可取1.20～1.40m；采用輕砂時可取1.25～1.50m。然后再按體積砂率求得粗骨料和細骨料的松散體積，再根據各自的堆積密度求得其用量。

已知粗、細骨料的堆積密度分別為ρ和 ρ，松散體積分別為 V、V。體積砂率為 S=V/V，粗骨料體積 V=V+V，由此求得粗、細骨料的用量：m=Vxρ，m=Vρ。輕骨料混凝土的干表觀密度為粗、細骨料用量與硬化漿體三者干質量之和，由此關系式驗算輕骨料混凝土干表觀密度，即ρ=1.15m+m+m。

2.4 輕骨料混凝土配合比與性能

按照2.3節的設計步驟，并參照相關文獻計算出配制強度為14.1MPa的LC7.5的輕骨料混凝土試驗配合比，列于表2中。

輕骨料混凝土的膠凝材料用量/（kg/m3） 表1

輕骨料混凝土試驗配合比（kg/m3） 表2

按計算配合比進行試配和調整，進行輕骨料混凝土和易性、抗壓強度試驗和干表觀密度測定，測得實測輕骨料混凝土坍落度為220mm，28d抗壓強度為25.5MPa，干表觀密度1570 kg/m。均滿足設計與施工要求。輕骨料混凝土拌合物和易性好（如圖3），采用泵送施工（如圖4），可泵性良好。

圖3 生產的預拌輕骨料混凝土

圖4 輕軌站輕骨料混凝土泵送施工

由于抗壓強度比較富裕，還可采用引氣技術，在滿足LC7.5配制強度的條件下，將輕骨料混凝土的表觀密度降低至1450 kg/m以下。

2.5 輕骨料混凝土配制技術

總結輕骨料混凝土配制技術如下：

①根據輕骨料混凝土的強度和表觀密度要求選用合適的輕粗骨料，選擇粒型接近球形、密度較輕和筒壓強度較高的輕骨料；

②根據需要選擇普通砂配制砂輕混凝土，或全部輕砂配制全輕混凝土，還可以摻部分輕砂配制混合砂輕骨料混凝土；

③在強度滿足設計要求的前提下，可摻入適量引氣劑以降低混凝土的表觀密度，改善和易性；

④如需要LC25及以上的結構輕骨料混凝土，保證混凝土流動性、便于泵送施工，可選擇密度較大、筒壓強度較高的輕骨料，適當增加減水劑摻量，增大減水率，減小水膠比以提高抗壓強度。

3 免燒輕骨料混凝土在預拌混凝土廠中控制

3.1 配合比控制

輕骨料混凝土配合比計算采用松散體積法，選取適宜的體積砂率，然后按設計要求的混凝土干表觀密度為依據進行校核，最后通過試驗調整出配合比。輕骨料混凝土拌制前，試驗室對骨料的含水率和堆積密度進行測定，并轉換成施工配合比。

3.2 生產過程控制

①免燒輕骨料的堆放。輕骨料按不同品種規格分開堆放，避免混雜，并保持顆粒混合均勻；采用連續級配時，堆放高度不宜過高，一般不宜大于2m；同時防止樹葉、泥土和其他有害物質混入。

②使用前濕潤。輕骨料使用前，應提前2小時灑水濕潤，灑水濕潤時應邊灑水邊翻動，保證均勻濕潤且不積水。

③免燒輕骨料的輸送。輕骨料使用鏟車直接上到料倉，經過準確計量，通過皮帶運輸機到主機。由于預濕處理的輕骨料濕表觀密度比水重（1400kg/m左右），在運送過程中不容易散落，尤其通過斜皮帶時比傳統的陶粒有明顯優勢。

⑤免燒輕骨料混凝土的攪拌。輕骨料混凝土的攪拌時間要適當延長，每盤的攪拌時間不少于2 min；攪拌順序設定為先加入骨料和膠凝材料預先攪拌，之后加入水和引氣型減水劑進行攪拌，直至攪拌均勻。

⑥免燒輕骨料混凝土的運輸。在運輸過程中，應減少坍落度損失和防止輕骨料混凝土拌合物分層離析；卸料前要用快擋旋轉攪拌罐不少于20s。

3.3 出廠控制

輕骨料混凝土在攪拌過程中，試驗員要密切觀測出廠混凝土的工作性能，嚴格控制好攪拌時間。混凝土出廠之前，試驗員除要進行坍落度、強度、氯離子含量檢驗外，還要檢驗輕骨料混凝土拌合物的表觀密度。

4 免燒輕骨料混凝土在施工中控制

免燒輕骨料混凝土既適用于工廠生產預制內外保溫墻板，也適用于現場澆筑的泵送施工。輕骨料混凝土的現場控制要從以下幾個方面進行控制。

4.1 輕骨料混凝土工作性控制

輕骨料混凝土用于輕軌站臺二層、三層樓面保溫層，必須采用泵送澆注施工。二層的設備夾層，管線較多，空間狹小，給混凝土施工帶來不少困難。泵車輸送管長度遠遠不夠，只能通過翻斗車進行二次運送，施工時間長。要求到現場的混凝土坍落度220±20mm，半小時零損失，1h損失不大于20mm，對輕骨料混凝土的泵送要求也較高。由于蕪湖地區屬于亞熱帶濕潤季風氣候，極端最高氣溫接近40℃，冬季最低氣溫為-10℃，自然環境對坍落度的影響非常大，特別是高溫下混凝土的損失很快，加上距離攪拌站比較遠，因此要求預拌混凝土廠試驗人員要根據集料的含水分布情況、混凝土凝結時間長短、外加劑勻質性變化及時調整好混凝土的坍落度。

由于輕骨料強度等級低、膠凝材料用量不高，混凝土流動性大，必須通過調整砂率、用水量和減水劑用量來提高其保水性和粘聚性，采用適當引氣對改善工作性有利。

4.2 輕骨料混凝土的澆筑成型

①輕骨料混凝土的布料。輕軌站臺樓面輕骨料混凝土的設計厚度要求不一樣，根據不同結構功能、裝飾面磚材料而定，最薄處55mm，施工采用分段流水作業攤鋪輕骨料混凝土。為防止混凝土離析，泵管口距離澆筑樓面的高度要控制在1.5m以內，夠不到的地方采用人工翻斗車運送輕骨料混凝土。

②輕骨料混凝土的搗實。輕骨料混凝土拌合物的內摩擦力比普通混凝土要大，因此采用插入振搗器進行振搗。這種免燒輕骨料拌制的混凝土粘聚性好，不分散，振搗過程中不上浮，與膠凝材料結合緊密，密實度高，收面簡單，表面平整。而傳統的陶粒混凝土特別分散，陶粒容易上浮，不容易壓入混凝土內，振搗要快，還要進行二次收漿，澆筑成型的混凝土表面經常要進行修補。

4.3 輕骨料混凝土養護

免燒輕骨料本身具有內養護作用，28d混凝土干燥收縮降低40%～60%，抗裂性大大提高，面層澆筑成型后只需要進行簡單覆蓋和間斷地灑水養護，并保持混凝土表面濕潤狀態即可。

5 工程應用效果

考慮到輕軌站臺結構的復雜性和安全性，以及耐久性的要求，采用免燒輕骨料配制的混凝土在蕪湖輕軌工程中的優勢非常明顯。表現效果如下：

①工作性能良好。核殼型免燒輕骨料顆粒小、導熱系數小、吸水率低，可制備大流動性高比強微孔輕集料混凝土，現場混凝土粘聚性和保水性好，坍落度損失小。混凝土施工過程中經常超過3h。現場可采用加減水劑方法進行調整，工作性能仍然滿足施工要求。

②施工可泵性好。免燒輕骨料比燒結陶粒密度稍大，解決了施工過程中出現的混凝土分層離析、上浮現象，并克服因泵壓作用前沖至泵管前端或彎管處堵塞現象，可以像普通混凝土一樣輕松泵送。

③強度高。由于免燒輕骨料為在水泥-粉煤灰體系并加入激發劑，筒壓強度高且高比強。蕪湖輕軌LC7.5輕骨料混凝土28d抗壓強度普遍達到25～30MPa，干表觀密度低于1600kg/m。

④混凝土成型質量好。蕪湖輕軌站臺的施工已經接近尾聲，實地回訪輕骨料混凝土的外觀質量。澆筑表面光滑、平整，不起殼，內部結構密實，與上部裝飾瓷磚面結合牢固，無空鼓（見圖5），完全滿足設計要求。

圖5 現場澆筑的輕骨料混凝土