輕骨料混凝土配合比研究

李傳林，孫開雙，劉桂賓

（1.濟南潤原化工有限責任公司，山東 濟南，250101；2.青島康太源商砼有限公司，山東 青島，266000 3.山東華迪建筑科技有限公司，山東 濟南，250013）

0 引言

免振搗輕骨料混凝土配合比設計既要使拌合物具有較大的流動度[4]，能夠自密實成型，又要使拌合物具有足夠的粘度，防止輕骨料上浮，保持拌合物的勻質性[1]。本文參考普通混凝土配合比設計的方法研究輕骨料混凝土的配合比設計，同時考慮輕骨料混凝土的特殊性[3]，依靠配合比設計、經(jīng)驗和試配來確定免振搗輕骨料混凝土的配合比。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

(1) 水泥

青島山水水泥廠生產的山水P·O42.5R水泥，主要指標如表1所示。

(2) 骨料

① 細骨料：青島大沽河河砂，細度模數(shù)2.6，級配合格。

表1 山水P·O42.5R水泥主要指標

表2 輕骨料的主要技術指標

表3 濰坊明華Ⅰ級粉煤灰主要指標

表4 配合比 kg/m3

② 輕粗骨料：山東淄博博山碎石狀頁巖陶粒，粒徑5～16mm，具體指標見表2。

(3) 粉煤灰

濰坊明華I級粉煤灰，主要指標見表3所示。

(4) 外加劑

聚羧酸高效外加劑LPC(山東華迪建筑科技有限公司生產)，減水率為35.0%。

(5) 水

自來水，符合《混凝土拌合用水標準》JGJ63-89要求。

1.2 試驗方法

1.2.1 緊密因數(shù)CF值的確定

密實體積理論配合比設計方法的基本原則是用膠凝材料漿體填滿松散堆積的骨料間隙。處于飽和面干狀態(tài)的骨料松散堆積時，顆粒之間充滿空隙，當把水和膠凝材料添加到骨料中時會出現(xiàn)潤滑效應使骨料堆變得更加密實。定義骨料的緊密因數(shù)CF(Closing Factor)為免振搗輕骨料混凝土中處于密實狀態(tài)的骨料與同體積處于松散堆積狀態(tài)的骨料的質量之比。顯然，CF的取值影響免振搗輕骨料混凝土中骨料的用量。CF越大則粗、細骨料越多而膠凝材料越少，相應地，輕骨料混凝土的流動性、免振搗性能和抗壓強度將會降低；相反，CF越小則膠凝材料用量過多，將會提高原材料成本，并且膠凝材料用量過多還會導致輕骨料混凝土干燥收縮增加，并影響到工作性和耐久性等其他方面。所以，在配合比設計中，重要的是選擇最佳的CF值，滿足免振搗輕骨料混凝土的各項性能的同時兼顧經(jīng)濟性要求。CF值取值范圍，對于特定粒形和級配的骨料由試驗總結得出。

(1) 試驗配合比及結果

試驗配合比見表4，試驗結果見表5。

(2) 試驗結果及分析

從表4和表5的試驗結果可以看出5～16mm淄博博山碎石頁巖陶粒CF值在1.2左右時免振搗輕骨料混凝土工作性能相對較好，初始坍落度達到260mm以上，初始擴展度達到650mm×650mm以上，并且1h之后損失也很小，混凝土各個齡期的強度增長均較快。

表5 新拌免振搗輕骨料混凝土的性能指標

緊密因數(shù)CF值在1.0左右時，膠凝材料相對用量較多，混凝土拌和物比較粘稠，硬化后混凝土的收縮變形將增加，耐久性下降；CF值在1.4左右時，膠凝材料用量較少，漿體不能良好地包裹骨料導致混凝土和易性差。因此，選取1.2作為5～16mm淄博博山碎石頁巖陶粒的CF值。

1.2.2 免振搗輕骨料混凝土試驗方案

（1）試驗目的

用基于密實體積理論的配合比設計方法，采用正交設計，考慮水膠比、砂率、粉煤灰和LPC摻量等主要影響因素，以輕骨料混凝土的坍落度、擴展度等常規(guī)工作性能指標和28d抗壓強度、28d輕骨料混凝土干表觀密度、強質比等基本力學性能指標為考核指標，最終確定最優(yōu)摻量和最佳配比，配制出結構用強度等級為LC25～LC50的免振搗輕骨料混凝土。

（2）試驗參數(shù)選擇

因素水平表如表6所示。

表6 因素水平表

把水膠比(A)、砂率(B)、粉煤灰摻量(C)和LPC摻量(D)作為因素考慮。其中，水膠比取0.28，0.31，0.34，0.36四個水平；砂率取36%，40%，45%，50%四個水平；LPC取(占膠凝材料重量的)0.4%，0.6%，0.8%，1.0%四個水平；粉煤灰摻量取(占膠凝材料重量)15%，20%，25%，30%四個水平。

試驗采用100mm×100mm×100mm混凝土立方體試件，以坍落度、擴展度、28d的立方體抗壓強度、28d齡期輕骨料混凝土表觀密度、28d的抗壓強度與輕骨料混凝土表觀密度的比值(強質比)作為分析評價試驗結果的依據(jù)。

（3）攪拌工藝

考慮到實際生產過程中不預濕輕骨料會導致部分外加劑被骨料吸收，并且攪拌時間偏長耽誤生產，因此本試驗采用預濕處理輕粗骨料的攪拌工藝[2]。

（4）檢測依據(jù)

(1) 輕骨料試驗按照《輕骨料及其試驗方法》GB/T17431.2—1998進行。

(2) 輕骨料混凝土設計按照密實體積理論及《輕骨料混凝土技術規(guī)程》JGJ51—2002進行。

(3) 混凝土抗壓強度試驗按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2002進行，試件尺寸為100mm×100mm×100mm。

2 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

2.3.1 試驗數(shù)據(jù)

試驗的因素水平表如表6所示。選用正交表L16(44)，如表7所示。按照密實體積理論配合比設計方法，正交設計確定各組試驗的配合比，CF值取用1.2，計算出具體的試驗配比，如表8所示。本次試驗測定了16組輕骨料混凝土的坍落度、擴展度、28d的抗壓強度，28d輕骨料混凝土的干表觀密度，具體數(shù)據(jù)如表9所示。

表7 各組試驗因素水平表

表8 各組輕骨料混凝土試驗室配比表(理論用量) kg/m3

表9 各組試驗結果對比

2.3.2 處理及分析

極差分析，L16(44)試驗方案與計算結果見表10。

表10 28d強度、強質比極差分析表

從以上數(shù)據(jù)可以看出砂率大小、LPC摻量和粉煤灰摻量是影響輕骨料混凝土和易性的主要因素。將數(shù)值進行處理，數(shù)值在28d強度極差分析表中。列出了各水平相應的四次抗壓強度之和、四次強質比之和K1、K2、K3及其極差R。

對于各列，比較K值的大小，如第一列K1=213.8，它比K2＝173.6，K3=158.5，K4=143.2都大，這表明水膠比為0.28的抗壓強度優(yōu)于水膠比為0.31，0.34，0.36的抗壓強度。

從圖1，圖2中可綜合反映出本次試驗中各因素對輕骨料混凝土強度和強質比影響的主次順序：

對抗壓強度：A>C>D>B

對強質比：A>C>D>B

表11 配合比及試驗結果

3 結論

(1) 提出基于密實體積理論的輕骨料混凝土配合比設計方法，闡明了該方法的原理和計算步驟，定義了骨料緊密因數(shù)(CF)的概念，分析了CF是影響輕骨料混凝土采用基于密實體積理論進行配合比設計的重要因素。通過試驗確定1.2作為5～16mm淄博博山碎石頁巖陶粒的CF值。

(2) 采用基于密實體積理論配合比設計方法結合正交設計方法進行正交試驗，對比試驗結果及分析，可以得出以下結論：

(a) 基于密實體積理論輕骨料混凝土配合比設計方法可以配制出滿足免振搗輕骨料混凝土，同時兼顧經(jīng)濟性。

(b) 聚羧酸減水劑LPC的減水性能在輕骨料混凝土拌合過程中非常明顯，并且具有能夠提高混凝土的粘度和控制輕骨料上浮的作用。

(c) 水膠比對免振搗輕骨料混凝土抗壓強度、強質比的影響特別顯著，這也再次證明水膠比是決定混凝土強度和質量的關鍵因素。

(d) 砂率對于免振搗輕骨料混凝土的和易性影響較大，同時良好的砂率可以降低水泥的用量。

(e) 摻加適量粉煤灰能夠調節(jié)輕骨料混凝土拌和物的和易性，減少混凝土的離析程度，并且對提高硬化輕骨料混凝土的后期強度具有非常明顯的作用。

(3) 配合比試驗總結

根據(jù)表9及表10中1、4、5、7、11、13組試驗結果及分析，結合原材料實際情況，調整確定以下配合比，并進行了相關試驗。各強度等級輕質混凝土配合比及試驗結果見表11。

[1]李勇,龍宇.淺談機制砂的生產及其在混凝土中的應用[J].福建建筑,2009,(12):56-58.

[2]郭玉順，丁建彤，木村熏．高性能輕骨料與普通輕骨料的性能比較[J]．混凝土，2000(6)：20-22.

[3]輕骨料混凝土技術規(guī)程(JGJ51.2002)[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4]謝友均，周士瓊．免振高性能混凝土力學性能及耐久性研究[J]．建筑材料學報，2000(3)：118-123.

[5]蔣家奮．免振搗自密實混凝土的機制與配制[J]．混凝土與水泥制品，2001(1)：3-5.

[6]曹永民．免振搗自流平高性能輕骨料混凝土和高性能輕集料混凝土的研究[J]．混凝土，2002(11)：36-38，63.